酸碱理论
常用的酸碱理论
拉瓦锡的定义
拉瓦锡是最早提出酸碱概念的人。他在1776年左右提出一套酸碱理论。在那时，强酸主要是HNO3和H2SO4一类的含氧酸，基本上都含有氧元素和高氧化态的中心原子。因此拉瓦锡认为氧是酸中不可或缺的组分，将氧定义为酸生成者（οξυς γεινομαι），并且认为当时还未研究清楚成分的氢卤酸中也含有氧元素。这个定义一直推行了30年，直到1810年戴维证明了H2S、H2Te和卤化氢虽也属于酸，但不含氧原子。
李比希的定义
尤斯图斯·冯·李比希在研究了很多有机酸的组成后，于1838年左右提出一套酸碱理论，认为酸是含氢元素的物质，并且其中的氢可以被 金属原子替换。 这个理论在推行了50年后，被更加全面的阿伦尼乌斯酸碱电离理论所替代。
阿伦尼乌斯的定义
该理论以阿伦尼乌斯与威廉·奥斯特瓦尔德在1884年左右的研究为基础，相比其他酸碱理论更加简明易懂。阿伦尼乌斯本人也因此获得1903年的诺贝尔化学奖。
至于该理论中的酸碱定义，可用以下一句话来描述：
| 阿伦尼乌斯酸碱理论中，酸在水溶液中解离出氢离子，而碱则解离出氢氧根离子。 |
酸碱反应的本质是氢离子与氢氧根离子反应生成水。
因此在该理论下，酸碱反应生成盐和水的过程也被称作中和反应。
- 酸+ + 碱− → 盐 + 水
碱中的阳离子可与酸中的阴离子成盐。比如，两摩尔的氢氧化钠（NaOH）与一摩尔的硫酸（H2SO4）反应，产物是两摩尔水和一摩尔硫酸钠：
- 2NaOH + H2SO4 → 2 H2O + Na2SO4
布仑斯惕（Brønsted）及劳里（Lowry）酸鹼學說
丹麦化学家约翰内斯·尼古劳斯·布仑斯惕和英国化学家托马斯·马丁·劳里于1923年分别提出酸碱质子理论，也称为布朗斯特-劳瑞酸碱理论。该理论认为，凡是能给出质子（H+）的物质都是酸，凡能接受质子的物质都是碱，而既能给出质子，也能接受质子的物质称为两性物质。 酸和碱不是孤立的，它们通过质子互相联系，用通式可以表示为：
- 酸 → 碱 + 质子
这样的一对酸碱称为共轭酸碱对，其中的酸和碱分别称为相应物质的共轭酸及共轭碱。
与阿伦尼乌斯酸碱理论不同的是，布仑斯惕酸碱不仅限于电中性的分子，也包括带电的阴阳离子。而该理论之下的酸碱反应则是两对共轭酸碱对之间传递质子的反应，不一定生成盐和水：
- 酸1 + 碱2 → 碱1 + 酸2
- AH + B → A− + BH+
- HCl (aq) + H2O → H3O+ (aq) + Cl− (aq)
- CH3COOH + NH3 → NH4+ + CH3COO−
路易斯的定义
路易斯酸碱理论由吉尔伯特·牛顿·路易斯在1923年提出， 结合了布朗斯特-劳里和酸碱溶剂理论的特点，在水溶液和非水溶剂中都有很广的应用。 该理论着重探讨电子的给予与获得，路易斯酸被定义为电子接受体，而路易斯碱则是电子给予体。
- Ag+ (酸) + 2 :NH3 (碱) → + (酸碱加合物)
路易斯酸与路易斯碱反应时，路易斯碱含有孤对电子的最高占有轨道（HOMO）向路易斯酸缺电子的最低未占轨道（LUMO）贡献电子生成配位键，产物称作酸碱加合物。 在强极性分子如三氟化硼中，电负性强的元素吸引电子，带有部分负电荷，电负性弱的元素则带有部分正电荷，孤对-成键电子（Lp-Bp）之间作用力超过成键-成键电子（Bp-Bp）之间的作用力。 金属离子的加合物被称为配位化合物。
溶剂理论
该理论與阿伦尼乌斯对所有自偶解离溶剂的定义有关。在这些溶剂中，存在中性溶剂分子与解离出的阳离子和阴离子之间的平衡：
非质子溶剂：
- N2O4 ⇌ NO+ (亚硝基正离子) + NO3− (硝酸根)
- 2SbCl3 ⇌ SbCl2+ + SbCl4−
酸导致溶剂阳离子浓度上升，阴离子浓度下降；而碱则导致阳离子浓度下降，阴离子浓度上升。例如在液氨中，KNH2提供NH2−离子，是强碱，而NH4NO3提供NH4+离子，是强酸。在液态二氧化硫（SO2）中，亚硫酰基化合物是酸，提供SO2+离子；而亚硫酸盐提供SO32−离子，可看作碱。
该理论下，液氨中的酸碱反应包括：
- 2NaNH2 (碱) + Zn(NH2)2 (两性) → Na2
- 2NH4I (酸) + Zn(NH2)2 (两性) → I2
硝酸在纯硫酸中是碱：
- HNO3 (碱) + 2H2SO4 → NO2+ + H3O+ + 2HSO4−
液态四氧化二氮中：
- AgNO3 (碱) + NOCl (酸) → N2O4 + AgCl
酸碱溶剂理论中，同一化合物在不同溶剂中可以改变其酸碱性质，比如HClO4在水中是强酸，在乙酸中是弱酸，而在氟磺酸中则是弱碱。
拉瓦锡的定义
拉瓦锡是最早提出酸碱概念的人。他在1776年左右提出一套酸碱理论。在那时，强酸主要是HNO3和H2SO4一类的含氧酸，基本上都含有氧元素和高氧化态的中心原子。因此拉瓦锡认为氧是酸中不可或缺的组分，将氧定义为酸生成者（οξυς γεινομαι），并且认为当时还未研究清楚成分的氢卤酸中也含有氧元素。这个定义一直推行了30年，直到1810年戴维证明了H2S、H2Te和卤化氢虽也属于酸，但不含氧原子。
李比希的定义
尤斯图斯·冯·李比希在研究了很多有机酸的组成后，于1838年左右提出一套酸碱理论，认为酸是含氢元素的物质，并且其中的氢可以被 金属原子替换。 这个理论在推行了50年后，被更加全面的阿伦尼乌斯酸碱电离理论所替代。
阿伦尼乌斯的定义
该理论以阿伦尼乌斯与威廉·奥斯特瓦尔德在1884年左右的研究为基础，相比其他酸碱理论更加简明易懂。阿伦尼乌斯本人也因此获得1903年的诺贝尔化学奖。
至于该理论中的酸碱定义，可用以下一句话来描述：
| 阿伦尼乌斯酸碱理论中，酸在水溶液中解离出氢离子，而碱则解离出氢氧根离子。 |
酸碱反应的本质是氢离子与氢氧根离子反应生成水。
因此在该理论下，酸碱反应生成盐和水的过程也被称作中和反应。
- 酸+ + 碱− → 盐 + 水
碱中的阳离子可与酸中的阴离子成盐。比如，两摩尔的氢氧化钠（NaOH）与一摩尔的硫酸（H2SO4）反应，产物是两摩尔水和一摩尔硫酸钠：
- 2NaOH + H2SO4 → 2 H2O + Na2SO4
布仑斯惕（Brønsted）及劳里（Lowry）酸鹼學說
丹麦化学家约翰内斯·尼古劳斯·布仑斯惕和英国化学家托马斯·马丁·劳里于1923年分别提出酸碱质子理论，也称为布朗斯特-劳瑞酸碱理论。该理论认为，凡是能给出质子（H+）的物质都是酸，凡能接受质子的物质都是碱，而既能给出质子，也能接受质子的物质称为两性物质。 酸和碱不是孤立的，它们通过质子互相联系，用通式可以表示为：
- 酸 → 碱 + 质子
这样的一对酸碱称为共轭酸碱对，其中的酸和碱分别称为相应物质的共轭酸及共轭碱。
与阿伦尼乌斯酸碱理论不同的是，布仑斯惕酸碱不仅限于电中性的分子，也包括带电的阴阳离子。而该理论之下的酸碱反应则是两对共轭酸碱对之间传递质子的反应，不一定生成盐和水：
- 酸1 + 碱2 → 碱1 + 酸2
- AH + B → A− + BH+
- HCl (aq) + H2O → H3O+ (aq) + Cl− (aq)
- CH3COOH + NH3 → NH4+ + CH3COO−
路易斯的定义
路易斯酸碱理论由吉尔伯特·牛顿·路易斯在1923年提出， 结合了布朗斯特-劳里和酸碱溶剂理论的特点，在水溶液和非水溶剂中都有很广的应用。 该理论着重探讨电子的给予与获得，路易斯酸被定义为电子接受体，而路易斯碱则是电子给予体。
- Ag+ (酸) + 2 :NH3 (碱) → + (酸碱加合物)
路易斯酸与路易斯碱反应时，路易斯碱含有孤对电子的最高占有轨道（HOMO）向路易斯酸缺电子的最低未占轨道（LUMO）贡献电子生成配位键，产物称作酸碱加合物。 在强极性分子如三氟化硼中，电负性强的元素吸引电子，带有部分负电荷，电负性弱的元素则带有部分正电荷，孤对-成键电子（Lp-Bp）之间作用力超过成键-成键电子（Bp-Bp）之间的作用力。 金属离子的加合物被称为配位化合物。
溶剂理论
该理论與阿伦尼乌斯对所有自偶解离溶剂的定义有关。在这些溶剂中，存在中性溶剂分子与解离出的阳离子和阴离子之间的平衡：
非质子溶剂：
- N2O4 ⇌ NO+ (亚硝基正离子) + NO3− (硝酸根)
- 2SbCl3 ⇌ SbCl2+ + SbCl4−
酸导致溶剂阳离子浓度上升，阴离子浓度下降；而碱则导致阳离子浓度下降，阴离子浓度上升。例如在液氨中，KNH2提供NH2−离子，是强碱，而NH4NO3提供NH4+离子，是强酸。在液态二氧化硫（SO2）中，亚硫酰基化合物是酸，提供SO2+离子；而亚硫酸盐提供SO32−离子，可看作碱。
该理论下，液氨中的酸碱反应包括：
- 2NaNH2 (碱) + Zn(NH2)2 (两性) → Na2
- 2NH4I (酸) + Zn(NH2)2 (两性) → I2
硝酸在纯硫酸中是碱：
- HNO3 (碱) + 2H2SO4 → NO2+ + H3O+ + 2HSO4−
液态四氧化二氮中：
- AgNO3 (碱) + NOCl (酸) → N2O4 + AgCl
酸碱溶剂理论中，同一化合物在不同溶剂中可以改变其酸碱性质，比如HClO4在水中是强酸，在乙酸中是弱酸，而在氟磺酸中则是弱碱。
其他酸碱理论
Usanovich的定义
关于酸碱最基本的定义来自于俄罗斯化学家Mikhail Usanovich。根据该定义，只要是可以接受负电荷或放出正电荷，就是酸；反之则是碱。因为这个定义与氧化还原的定义有些重合，所以化学家并不是很倾向于使用这个定义。这是因为氧化还原主要集中讨论物理上的电子转移过程，而并非是键的形成与断裂过程，尽管要将两者完全区分是不可能的。
Usanovich的定义
关于酸碱最基本的定义来自于俄罗斯化学家Mikhail Usanovich。根据该定义，只要是可以接受负电荷或放出正电荷，就是酸；反之则是碱。因为这个定义与氧化还原的定义有些重合，所以化学家并不是很倾向于使用这个定义。这是因为氧化还原主要集中讨论物理上的电子转移过程，而并非是键的形成与断裂过程，尽管要将两者完全区分是不可能的。
Lux-Flood的定义
這個定義由德國化學家Hermann Lux 在1939年時所提出，其後Håkon Flood約在1947年作進一步的修正， 现在主要用于现代熔盐的地球化学和电化学研究中。在该定义中，酸被定义为一个氧离子受体，而碱则是一个氧离子供体。例如：
皮尔逊的定义
1963年， 拉斐尔·皮尔逊提出了一个高级的定性概念——软硬酸碱理论。1984年，在Robert Parr的协助下，该理论发展成为一个定量的理论。“硬”对应的是小的、高氧化态的粒子，这些粒子都很难被极化。相反，“软”是指大的，低氧化态的粒子，很容易被极化。软-软和硬-硬之间的酸碱反应最为稳定。这个理论在有机化学和无机化学均有应用。
注释
- Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p166 - table of discoveries attributes Justus von Liebig's publication as 1838
- Meyers, R. (2003) p156
- H. L. Finston and A. C. Rychtman, A New View of Current Acid-Base Theories, John Wiley & Sons, New York, 1982, pp. 140-146.
- Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p165
- 水合氢离子H3O+简写作H+：2 H2O → H3O+ + OH− = H2O → H+ + OH−
- Clayden, J., Warren, S., et al. (2000), p182-184
- Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991), p167-169 -- According to this page, the original definition was that "acids have a tendency to lose a proton"
- Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p166 - Table of discoveries attributes the date of publication/release for the Lewis theory as 1923.
- Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p170-172
- Franz, H. (1966), p4
- Lux, Hermann. . Ztschr. Elektrochem. 1939, 45 (4): 303–309.
- Flood, H.; Forland, T. . Acta Chem. Scand. 1947, 1: 592.
- Drago, Russel S.; Whitten, Kenneth W. . Inorg. Chem. 1966, 5 (4): 677 – 682. doi:10.1021/ic50038a038.
- Pearson, Ralph G. . J. Am. Chem. Soc. 1963, 85 (22): 3533 – 3539. doi:10.1021/ja00905a001.
参考资料
- Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) "Inorganic Chemistry" 2nd ed. Pearson Prentice-Hall
- Clayden, J., Warren, S., et al. (2000) "Organic Chemistry" Oxford University Press
- Meyers, R. (2003) "The Basics of Chemistry" Greenwood Press
- Lux, Hermann. . Ztschr. Elektrochem. 1939, 45 (4): 303–309.
- Drago, Russel S.; Whitten, Kenneth W. . Inorg. Chem. 1966, 5 (4): 677 – 682. doi:10.1021/ic50038a038.
- H. L. Finston and A. C. Rychtman, A New View of Current Acid-Base Theories, John Wiley & Sons, New York, 1982, pp. 140-146.
- Franz, H. . J. Am. Ceram. Soc. 1966, 49 (9): 473–477.
- International Union of Pure and Applied Chemistry (2006) IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version Retrieved from International Union of Pure and Applied Chemistry on 9 May 2007 on URL http://goldbook.iupac.org/O04379.html
- Murray, K. K., Boyd, R. K., et al. (2006) "Standard definition of terms relating to mass spectrometry recommendations" International Union of Pure and Applied Chemistry.
外部链接
本文来源：维基百科：酸碱理论
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