酸與鹼

一、前言

酸與鹼為生活中常見的物質,例如多數的水果具有酸味,而有些物質則具有鹼味,初期酸鹼以味覺來區分,其定義為:

酸:具酸味的物質

鹼:具苦澀味的物質

但從化學的觀點,以上的定義過於籠統模糊,無法顯示酸鹼的化學本質。隨後Davy指出,氫為酸性物質的共同組成。此發現提供了化學家研究酸鹼物質的參考。

 

二、阿瑞尼士酸鹼學說

        酸鹼的化學定義源於阿瑞尼士的水溶液研究,阿瑞尼士發現水能進行解離形成H+OH-離子,此解離為一平衡方程式如下:

H+在水溶液中以水合離子H3O+存在,故氫離子較嚴謹表示方法為H3O+(aq)。在25 °C水中,氫離子濃度等於氫氧根離子濃度,即 [H+ ] = [OH- ]。酸性溶液中 [H+ ] > [OH- ],而鹼性溶液中則 [H+ ] < [OH- ]。因此阿瑞尼士定義酸鹼如下:

阿瑞尼士酸:物質溶解於水中能增加氫離子濃度,使得水溶液中

[H+ ] > [OH- ]為酸。

阿瑞尼士鹼:物質溶解於水中能增加氫氧根離子濃度,使得水溶液中

[OH- ] > [H+ ]為鹼。

而阿瑞尼士酸鹼反應形成鹽類及水 :

 

三、布忍斯特 (Brfnsted)及羅瑞 (Lowry)酸鹼學說

        由於阿瑞尼士酸鹼定義僅適用於水溶液,例如水溶液中HCl(aq)為酸能解離成H+(aq)Cl-(aq),而NH3(aq)在水溶液中為鹼能產生NH4+(aq)OH-(aq)離子。而HCl(aq)NH3(aq)在水溶液的酸鹼反應為:

但在固態或氣態等非水溶液的反應,酸的特性H+陽離子及鹼的特性OH-陰離子並不一定存在,例如HCl氣體與NH3氣體反應,仍為酸鹼反應的一種,此反應直接生成NH4Cl(s),如方程式(4)所示:

        但此反應並不牽涉OH-的產生。由於阿瑞尼士酸鹼定義並不足以涵蓋所有酸鹼反應型態,因此布忍斯特及羅瑞於1923年提出了布-羅酸鹼學說,其定義如下:

酸為易失去質子的物質。

鹼為易得到質子的物質。

-羅學說可以充分解釋氣態HClNH3的酸鹼反應。在反應中HCl失去質子H+形成Cl-,而NH3接受質子形成NH4+

        在上述反應中,HCl為酸失去一個質子後形成Cl-,由於Cl-為陰離子具有接受質子的能力,因此Cl-可視為酸HCl失去質子後的鹼,HClCl-稱為HCl的共軛酸鹼對。而鹼NH3接受質子後形成NH4+NH4+可以釋出H+而為酸,因此NH4+NH3稱為共軛酸鹼對。

共軛酸鹼定義:

任何酸性物質失去質子後形成共軛鹼。

任何鹼性物質接受質子後形成共軛酸。

由以上定義,任何酸鹼反應形成其共軛鹼及共軛酸,如式5所示:

 

HCl       +    NH3                          NH4+     +    Cl-              (5)

 

而酸鹼反應的逆反應仍為一酸鹼反應,只不過共軛酸鹼的強度較弱。例如強酸強鹼反應形成弱的共軛鹼及共軛酸。

 

四、路易士(Lewis)酸鹼學說:

     路易士酸鹼為最廣義的酸鹼定義,定義如下:

酸為電子對接受者。

鹼為電子對提供者。

     路易士酸鹼定義涵蓋了阿瑞尼士酸鹼及布-羅酸鹼定義,例如阿瑞尼士酸為H+(aq),在路易士酸鹼定義中H+(aq)為電子對接受者,因此H+(aq)為酸;而阿瑞尼士鹼為OH-(aq)OH-(aq)路易士結構為              為電子對提供者為鹼,H+(aq)       的路易士酸鹼反應形成水     。布-羅酸鹼學說中氣體物質HCl(g)為酸,而氣態NH3(g)為鹼,而在路易士酸鹼定義中HCl(g)含有一個質子H+可接受一對電子對,因此HCl(g)為酸,而NH3(g)之路易士結構為             可提供一對電子對為鹼。HCl(g)      的路易士酸鹼反應生成NH4+Cl-(s)

     路易士酸鹼定義更擴及非質子酸鹼反應,例如BF3(g)不含質子但可接受電子對為酸稱為路易士酸,其與        的路易士酸鹼反應式如下:

 

 

     路易士酸鹼可以擴及配位化學反應,例如Ni(s)CO(g)的反應形成配位化合物 (或稱錯化合物) Ni(CO)4,其反應式如下:

路易士鹼

 

路易士酸

 

 

而一般金屬離子的水合反應形成水合錯化合物,亦為一種路易士酸鹼反應,如:

 

 

 

 

五、溶劑酸鹼系統定義:

     阿瑞尼士酸鹼定義乃探討水溶液中之酸鹼系統,事實上,阿瑞尼士酸鹼定義可以擴及非水溶液系統。一般溶劑可分為質子溶劑及非質子溶劑兩種,其自發解離(autoionization)方程式如下:

(i)      質子溶劑自發解離:

(ii)    非質子溶劑自發解離:

溶劑系統的酸鹼定義:

溶劑自發解離形成的陽離子為酸。

溶劑自發解離形成的陰離子為鹼。

由以上溶劑系統的酸鹼定義,溶劑的特性酸鹼離子歸納如下表:

溶劑

酸性陽離子

鹼性陰離子

H2O

H3O+

OH-

NH3

NH4+

NH2-

H2SO4

H3SO4+

HSO4-

BrF3

BrF2+

BrF4-

OPCl3

OPCl2+

OPCl4-

而在溶劑中溶質的酸鹼性定義如下:

溶質溶解於溶劑中能增加溶劑特性陽離子的濃度者為酸。

溶質溶解於溶劑中能增加溶劑特性陰離子的濃度者為鹼。

例如在BrF3溶劑中,SbF5溶解形成SbF6-BrF2+如下列反應:

 

 
在此SbF5溶質為酸,因為SbF5溶解於BrF3中形成SbF6-離子,同時產生BrF2+離子。由於在BrF3溶劑系統中,BrF2+特性陽離子濃度增加使得[BrF2+] > [BrF4-],因此在BrF3溶劑中,SbF5為酸。而在相同溶劑下,溶質KF溶解於BrF3溶劑中能增加BrF4-特性陰離子的濃度,如下反應所示:

因此KF在溶劑BF3中為鹼。

~ 中興大學化學系高漢謀 ~