酸碱理论

酸碱理论笔者：当氟遇上氦在我们小时候，还没有学习化学时，可能会有这样的感受：醋是酸的，而纯碱是涩的，所以可能会有这样一种想法：酸是酸的，碱是涩的。但可能我们就要问了：纯碱不是盐嘛？（事实上，用已有知识来看，纯碱的确是盐，但从另一个角度看，事实并非如此，这点在后面会谈到。）或许这就是我们对酸与碱的最早认知。初三的第一节化学课，化学老师或许就给大家做了酚酞遇氢氧化钠变红的实验，但可能那时的我们并不知道那是酚酞，也并不知道那是氢氧化钠。我们对酸与碱最早定性的认识，应当追溯到初三化学“酸碱盐”这一章。在这一章，我们明白了：电离出的阳离子全是氢离子的物质是酸，电离出的阴离子全是氢氧根离子的物质是碱。这句话似乎就是我们对酸与碱的全部认知。但我们有没有想过，无水体系呢？我们知道，氨气会和氯化氢反应，生成氯化铵，那么这算不算一个酸碱中和反应呢？貌似从初中的教材上看，它没有生成水，所以不算。但是从另一个方面看，氨水和盐酸的反应生成的水，也不过是氨水提供的，这里只是把氨水的溶质——氨气提出来了而已，好像反应的本质没有改变。那么我们的那套酸碱理论（酸碱电离理论）好像就不适用了。那么，要用什么理论来解释氨气和氯化氢的反应呢？当年的科学家们也想到了这个问题，于是，一个更加完善的理论横空出世：酸碱质子理论。在讲这个理论之前，要先明确什么是质子，其实，氢离子就是一个质子，为什么呢？我们知道，氢原子由质子与电子构成，氢原子失去一个电子，不就是质子吗？这套理论指出：酸是质子的给予体而碱是质子的受体。运用这套理论，氨气与氯化氢的反应也就不难解释了：氨气是质子的受体而氯化氢是质子的给予体（至于为什么，要从孤对电子和经典价键理论的角度给出解释，在此不做螯述）。在文章的开头，我提到纯碱，纯碱是碱吗？在这套理论中，它是碱，从酸碱质子理论的定义中，我们不难看出，在这套理论中，并没有盐的概念，而纯碱的确是质子的受体，它和氢离子的反应大家并不陌生吧？它接受氢离子变成了水于二氧化碳。在质子酸碱理论中，酸与碱有着怎样地关系？它与酸碱电离理论又有着怎样的区分与联系？它又有什么优点与局限？又会有什么理论来补充与完善它？我们先谈一谈在质子酸碱理论中酸与碱的关系。要说清楚酸与碱的关系，就不得不说一说一个很著名的效应——酸碱共轭效应。那么什么是酸碱共轭效应呢？简言之酸(HA)和碱(A-)之间存在以下关系：上式中的酸碱称为共轭酸碱对，碱是酸的共轭碱，酸是碱的共轭酸，这个式子表明，酸和碱是相互依赖的。因此，共轭酸的酸性越强，共轭碱的碱性越弱，反之，共轭酸的酸性越弱，共轭碱的碱性越强。我们再举一个例子来更加清楚的说明酸碱共轭效应。在以下反应中：HCl和H3O+都能够释放出质子，它们都是酸；H2O和Cl-都能够接受质子，它们都是碱：上述反应称为质子传递反应，可用一个通式表示：酸1+碱2→酸2+碱1酸1和碱1、酸2和碱2是两对共轭酸碱对。上式说明，当一种分子或离子失去质子起着酸的作用的同时，一定有另一种分子或离子接受质子起着碱的作用，单独的一对共轭酸碱无法发生酸碱反应。形如“酸=碱+H+”的反应不可发生，称为酸碱半反应。似乎酸碱质子理论解释了很多酸碱电离理论无法解释的反应，但难道它就真的天衣无缝了吗？我们不妨来看一个反应：在这个反应中SO3显然具有酸的性质，但它并未释放质子；CaO显然具有碱的性质，但它并未接受质子。又如实验证明了许多不含氢的化合物（它们不能释放质子）如AlCl3、BCl3、SnCl4都可以与碱发生反应，但酸碱质子理论不认为它们是酸。如此看来，酸碱质子理论好像并不完善，那么又有什么理论来对它进行完善呢？（提醒：下面所讲的专业性较强，当然有兴趣可以继续看下去，认真看还是看的懂的）为了完善酸碱质子理论，一个天才的化学家提出了一套全新的理论：Lewis酸碱理论，也叫酸碱电子理论。这套理论认为酸是电子的接受体，碱是电子的给予体。酸碱反应是酸从碱接受一对电子，形成配位键，得到一个酸碱加合物的过程，该理论体系下的酸碱反应被称为酸碱加合反应。其通式为：通常，酸碱电子理论中的”酸“被称为Lewis酸，“碱”被称为Lewis碱，以示区别。Lewis酸碱理论的诞生，解释了很多酸碱质子理论无法解释的现象，比如：这个反应非常类似于酸碱反应，但因为无质子转移，酸碱质子理论无法处理，但是从Lewis酸碱理论的角度看，硝酸银中银有空余的d轨道，是良好的电子接受体为Lewis酸，氯化亚硝酰中，氮存在孤对电子，是良好的电子给予体，为Lewis碱，这样，酸碱质子理论所无法解释的现象也就得以解释了。同时路易斯酸碱反应是化学中三大基本反应类型之一（另两者为氧化还原反应与自由基反应），可见其地位之高。但是由于它对酸碱的定义实在太广，并且无法判定酸与碱的强度，所以也只能在配位化学和有机化学中崭露头角了。其实，在酸碱理论中，还有一个著名的理论叫软硬酸碱理论，但是由于其专业性较强且机理难以解释，所以在此不做螯述。酸碱电离理论适用于含水体系，酸碱质子理论适用于非水体系，Lewis酸碱理论适用于配位化学和有机化学，软硬酸碱理论则是对Lewis酸碱理论的进一步完善，这些理论相辅相成，构建了我们缤纷多彩的物质世界，这也便是化学的魅力所在吧。