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酸(acid有时用“HA”表示)的传统定义是当溶解在水中时,溶液中氢离子的浓度大于纯水中氢离子浓度的化合物。换句话说,酸性溶液的pH值小于水的pH值(25℃时为水的pH值是7)。酸一般呈酸味,但是品尝酸(尤其是高浓度的酸)是非常危险的。酸可以和碱发生中和作用[1] ,生成水和盐。酸可分为无机酸和有机酸两种。
目录
酸的定义
酸在化学中主要有以下三种定义:
- 阿伦尼乌斯酸。指的是溶解于水时释放出的阳离子全部是氢离子(H+)的化合物。
- 布仑斯惕-劳里(Brønsted-Lowry)酸。这种定义认为能提供质子的粒子是酸,能接受质子的粒子是碱。参看酸碱质子论。它比阿伦尼乌斯的定义要广泛,因为这种定义下的酸包含了不溶于水的物质。
- 路易斯酸。酸被定义为电子的接受者,这是范围最广泛的定义,因为路易斯酸碱不需要氢或氧的存在。参看酸碱电子论。
食物中的酸
所有存在于天然食物中的有机酸都是弱酸。
酸性与氢离子的关系
所有酸在水溶液中,在特定条件下,可以产生可供化学反应的(水合)氢离子H3O+,从而表达出酸性。这包括两类情形:
- 常见的易溶酸如H3PO4,在溶液中电离产生H3O+:
- H3PO4 + H2O → H3O+ + H2PO4−
难溶酸如H4SiO4,其溶于水的分子亦可电离产生H3O+:
- H4SiO4 + H2O → H3O+ + H3SiO4−
电离产生的H3O+可与碱发生化学反应。当酸充分强时,电离产生的H3O+浓度大,可与活泼金属反应产生氢气,或与特定的盐发生复分解反应。
- 某些酸如H3BO3,Al(OH)3,溶于水的分子本身不能电离产生H+。它们作为路易斯酸体现酸性,即,与水电离产生的OH-结合,释放水电离产生的H3O+参与反应,从而表达出酸性:
- H3BO3 + 2H2O → H3O+ + B(OH)4−
- Al(OH)3 + 2H2O → H3O+ + Al(OH)4−
纯水电离产生的H3O+与OH-浓度相同。酸性物质溶于水的分子将以上述两类方式之一造成H3O+浓度上升,超过OH-浓度。酸溶液的H3O+离子浓度愈高,其酸度就愈高。
依电离氢离子数目分类
- HCl → H+ + Cl −
- HNO3 → H+ + NO3−
- HNO2 → H+ + NO2−
- H2SO4 → 2H+ + SO42−
- H2SO3 → 2H+ + SO32−
- H2CO3 → 2H+ + CO32−
- H3PO4 → 3H+ + PO43−
- H8C6O7 → 3H+ + H5C6O73−
除一元酸以外的酸都称为二元酸或多元酸。
浓酸的危险性
- 浓酸常有强烈腐蚀性,有些还伴有其他特性,如具有强氧化性和脱水能力的浓硫酸,能对人体造成严重的化学烧伤。
- 浓酸的特性:
- 浓氢氯酸含35%氯化氢分子,浓度约为11M,是无色液体,具高度挥发性和腐蚀性。
- 浓硝酸含70%HNO3分子,浓度约为16M,是无色液体(但很多时候因有分解反应令浓硝酸溶有红棕色的二氧化氮),具高度挥发性,易分解出有毒的二氧化氮气体,硝酸有极强氧化性,因此造成极强腐蚀性。自我分解反应如下:4 HNO3 → 2 H2O + 4 NO2 + O2
- 浓硫酸含98%硫酸分子,浓度约为18M,是无色油状液体,不具挥发性,但具极强的腐蚀性、氧化性和脱水性。
处理浓酸要注意的地方
- 浓酸应安放在通风柜中。
- 人手处理浓酸时要戴防护手套和安全眼镜。
- 稀释浓酸时,是要慢慢地把浓酸加入搅动中大量水中而不能相反,否则可引致沸腾(突沸),水连同强酸溅出可引致极大的危险。
- 若被强酸溅到人体,应立即用大量流动的清水冲洗伤口至少10至15分钟,再用小苏打(NaHCO3)溶液冲洗,严重则要立即送医治理。
常见的无机酸
强酸
强酸是指在水溶液中完全电离的酸(硫酸这类多元酸不在此限),或以酸度系数的概念理解,则指pKa值< −1.74的酸。这个值可以理解为在标准状况下,氢离子的浓度等同于加入强酸后的溶液浓度。
大部分强酸均是腐蚀性的,但当中亦有例外。例如超强酸当中的碳硼烷酸(H(CHB11Cl11),其酸性比硫酸高百万倍,但却完全不带有腐蚀性;相反,弱酸当中的氢氟酸(HF)却带有高度腐蚀性。它能够溶解极大部分的金属氧化物,诸如玻璃及除了铱以外的所有金属。
- HA(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + A−(aq)
一般酸不会在水中完全离解,因此多以化学平衡而不是完全反应的形式表示,弱酸就是指不完全离解的酸。用酸度系数作为区别强酸与弱酸的作用并不明显(因为数值差距较难理解及不明显),因此用方程式去区别两者更为合理。
由于强酸在水溶液中完全离解,因此氢离子在水中的浓度等同于将该酸带到其他的溶液当中:
- [HA] = [H+] = [A−];pH = −log[H+]
酸性强度的判别
除了透过计算pH值来衡量不同酸的强度外,透过观察以下的性质也可以判别出不同类别的酸的强度:
- 电负性:在同一元素周期下其共轭碱的负电性愈高,它的酸度就愈高。
- 原子半径:原子半径增加,其酸度也会增加。以氢氯酸及氢碘酸为例,两者均是强酸,在水中均会电离出100%的相应离子。但是氢碘酸的酸度比氢氯酸要强,这是因为碘的原子半径远大于氯的原子半径。带有负电荷的碘阴离子拥有较离散的电子云,因此与质子(H+)的吸力较弱,因此,氢碘酸电离(去质子化)的速度更快(二者酸性的差别可在酸性更强的溶剂,如乙酸中测出,因为在乙酸中二者均只能部分电离而可体现出差别)。
- 电荷:电离后的物质愈带有正电荷,就愈高酸度。因此中性离子较阴离子容易放出质子,阳离子也比起其他分子均具有更高酸度。
常见强酸
(从强到弱)
- 高氯酸HClO4
- 氢碘酸HI
- 氢溴酸HBr
- 氢氯酸HCl
- 硫酸H2SO4(Ka1/只限于第一酸度系数)
- 硝酸HNO3
- 水合氢离子H3O+或H+。为方便起见,通常会以H+取代H3O+。但要注意的是,单独而孤立的质子在带有极性的水中不可能存在,而是常与水分子的其中一对孤偶电子对结合。这使在水合氢离子中的氧的形式电荷为+1。
- 一些化学家将氯酸(HClO3),溴酸(HBrO3),高溴酸(HBrO4),碘酸(HIO3),和高碘酸(HIO4)也列为强酸,但是没有被公认。
超强酸
超强酸通常指酸性比纯硫酸更强的酸。简单的超强酸包括三氟甲磺酸(CF3SO3H)和氟磺酸(FSO3H),它们的酸性都是硫酸的上千倍。在更多的情况下,超强酸不是单一纯净物而是几种化合物的混合物。
超强酸这一术语由詹姆斯•布莱恩特•科南特(James Bryant Conant)于1927年提出。乔治•安德鲁•欧拉因其在碳正离子和超强酸方面的研究获得1994年诺贝尔化学奖。
常见的超强酸(从最强到最弱):
- 氟锑酸HFSbF5 (1990) (pKa值= -28)
- 魔酸FSO3HSbF5 (1974) (pKa值= -25)
- 碳硼烷酸H(CHB11Cl11) (1969) (pKa值= -18.0)
- 氟磺酸FSO3H (1944) (pKa值=-15.6)
- 三氟甲磺酸CF3SO3H (1940) (pKa值=-14.6)
- 固体超强酸 SbF5-SiO2-Al2O3,SbF5-TiO2-SiO2 (pKa值= = -13.75 ~ -14.52)
- 高氯酸 (pKa值=-13)
- 纯硫酸 (pKa值=-11.93)
註:pKa值,哈米特酸度函數