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酸碱质子理论

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酸碱质子理论,又称布仑斯惕-劳里酸碱理论(英语:Brønsted–Lowry acid–base theory),是丹麦化学家约翰内斯·尼古劳斯·布仑斯惕英国化学家托马斯·马丁·劳里于1923年各自独立提出的一种酸碱理论[1][2]。该理论认为:凡是可以释放质子氢离子,H+)的分子离子为酸(布仑斯惕酸),凡是能接受氢离子的分子或离子则为碱(布仑斯惕碱)。

当一个分子或离子释放氢离子,同时一定有另一个分子或离子接受氢离子,因此酸和碱会成对出现。酸碱质子理论可以用以下反应式说明:

酸 + 碱 ⇌ 共轭碱 + 共轭酸

酸在失去一个氢离子后,变成共轭碱;而碱得到一个氢离子后,变成共轭酸。以上反应可能以正反应或逆反应的方式来进行,不过不论是正反应或逆反应,均维持以下的原则:酸将一个氢离子转移给碱。

在上式中,酸和其对应的共轭碱为一组共轭酸碱对。而碱和其对应的共轭酸也是一组共轭酸碱对。

约翰内斯·布仑斯惕(上)和马丁·劳里(下)

内容

水是两性物质,因此依反应物的不同,水可能是酸(释放质子),也可能是碱(接受质子)。例如在水和乙酸的反应中,水扮演的角色:

CH3COOH + H2O ⇌ CH3COO + H3O+

生成物之一的乙酸根离子 CH3COO 是乙酸的共轭碱,而水合氢离子 H3O+ 则是水的共轭酸。

而在水和氨的反应中,水扮演酸的角色,其反应式如下:

H2O + NH3 ⇌ OH + NH4+

水提供一个氢离子给氨,而氢氧根离子则是水的共轭碱。

强酸(如盐酸)会完全离解,而弱酸(如乙酸)只会部分离解。酸度系数 pKa 是酸离解程度的指标,也可用来判断酸的强弱。

许多的化合物均可以依酸碱质子理论的方式,依其和水反应的情形,分类为酸或碱:如无机酸以及其衍生物(如磺酸磷酸)、羧酸碳负离子、 1,3-二酮(如乙酰丙酮乙酰乙酸乙酯米氏酸)...等。

和酸碱电子理论的关系

路易士碱可以提供电子对,若此电子对可以和氢离子键结,则此路易士碱也是布仑斯惕碱。因此酸碱质子理论也可以适用在非水溶液的情形。一个给电子溶剂 S 可以用以下的方式接受氢离子:

AH + S: ⇌ A + SH+

在酸碱化学中典型的给电子溶剂,如二甲基亚砜或液氨,都有一个有孤对电子的氧原子或氮原子,可以和氢离子键结。

有些路易士酸除了可以接收电子对外,也是布仑斯惕酸。如铝离子 Al3+ 可以从水分子接受电子对,如以下的反应式

Al3+ + 6H2O → Al(H2O)63+

反应所生成的水合铝离子为弱的布仑斯惕酸:

Al(H2O)63+ + H2O ⇌ Al(H2O)5OH2+ + H3O+ .....Ka = 1.7 x 10-5

全反应可以视为铝离子的水解

不过并非所有的路易士酸都会产生对应的布仑斯惕酸,如镁离子也是路易士酸,可和六个水分子结合为水合镁离子

Mg2+ + 6H2O → Mg(H2O)62+

但此例中没有氢离子的转移,因为水合镁离子的Ka很小(Ka ~ 10−11),所释放的氢离子很少,可以忽略不计。

硼酸可以用来说明一个在水中不会离解的布仑斯惕酸,仍然可以提供氢离子给水(在此为一种布仑斯惕碱)。其反应为

B(OH)3 + 2H2O ⇌ B(OH)4 + H3O+

硼酸在反应中为路易士酸,从一个水分子接收电子对,再提供一个氢离子给另一个水分子,因此也是布仑斯惕酸。

参见

资料来源

  1. ^ R.H. Petrucci, W.S. Harwood, and F.G. Herring, General Chemistry (8th edn, Prentice-Hall 2002), p.666
  2. ^ G.L. Miessler and D.A. Tarr, Inorganic Chemistry (2nd edn, Prentice-Hall 1998), p.154
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