酸堿理論及其應(yīng)用

酸堿理論及其應(yīng)用摘要：酸堿理論是無(wú)機(jī)化學(xué)研究的重要內(nèi)容，它在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。簡(jiǎn)要介紹現(xiàn)代酸堿理論的建立及其基本概念?，F(xiàn)代酸堿理論包括了BrnstedLowry酸堿理論、Lewis酸堿理論、HSAB理論和超酸理論。舉例介紹了與物理有機(jī)化學(xué)、有機(jī)合成、有機(jī)催化等領(lǐng)域相關(guān)的現(xiàn)代酸堿理論的廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：產(chǎn)生發(fā)展局限應(yīng)用1．早期人們對(duì)酸堿的認(rèn)識(shí)1.1早期酸堿概念的產(chǎn)生最初,人們對(duì)酸堿的認(rèn)識(shí)是從觀察事物的現(xiàn)象開(kāi)始的。在我國(guó)古代典籍中,對(duì)酸的記載比堿要早得多?！吨芏Y·瘍醫(yī)》中有“以酸養(yǎng)骨”的說(shuō)法。在五行學(xué)說(shuō)出現(xiàn)以后,人們開(kāi)始用五行來(lái)解釋五味,其對(duì)應(yīng)的關(guān)系為:木火金水土|||||酸苦辛咸甘按照這種關(guān)系,古代人們便把“酸”定義為“木味”,這可能是由于古代人在選擇食性植物時(shí),發(fā)現(xiàn)許多植物具有酸性的緣故。在發(fā)酵現(xiàn)象被人們認(rèn)識(shí)以后,“酸”便成為“醋”的同義詞。至于“堿”字,原繁體字形為“鹵咸”、“鹵僉”,初指土堿,與人們的味覺(jué)沒(méi)有多大的關(guān)系,在古代的五味中也沒(méi)有堿的地位。在國(guó)外,情況與我國(guó)類似。在古代的埃及、希臘、羅馬,人們知道果汁(酒)再進(jìn)一步發(fā)酵便得到了酸的英文(acid)來(lái)自阿拉伯文(acetum),這個(gè)字就意味著“變酸”(sour);而堿則指灰堿(碳酸鉀),堿的英語(yǔ)(alka-li)這個(gè)詞就是指plantaskes(植物的灰分)兩個(gè)詞的意思。以后人們認(rèn)識(shí)了除alkali以外的更多的堿類物質(zhì),于是人們便把它們統(tǒng)稱為base。在我國(guó)近代化學(xué)史中,對(duì)alkali和base這兩個(gè)詞,在翻譯時(shí)往往不加區(qū)別,都叫做“堿”。1663年,英國(guó)化學(xué)家波義耳(R.Boyle1627—1691)對(duì)酸的通性作了如此的描述:①有酸味;②有一種特殊的溶劑能力,能溶解許多物質(zhì);③能使許多含有藍(lán)色的植物染料(如石蕊)變紅;④能與硫化物(多硫化鉀)作用生成硫的沉淀;⑤與堿作用,酸性消失,生成中性的鹽。到了1776年,英國(guó)化學(xué)家卡文迪什(H.Cavendish1731—1810)又補(bǔ)充了一條酸的性質(zhì);⑥很多酸(如硫酸、鹽酸等)和鋅、鐵、錫等金屬作用生成氫氣。波義耳對(duì)堿的通性描述為①令人具有滑溜的感覺(jué)和去污的能力;②有溶解油和硫磺的作用;③有苦澀味;④有能夠?qū)顾岬哪芰?并能銷毀酸;⑤能使因酸的作用變成紅色的石蕊溶液變?yōu)樗{(lán)色。以上這些是古代人們?cè)谏a(chǎn)和生活實(shí)踐中對(duì)酸堿現(xiàn)象的初步認(rèn)識(shí),是酸堿理論產(chǎn)生和發(fā)展的啟蒙階段,真正的近代酸堿理論是從拉瓦錫開(kāi)始的。1.2拉瓦錫酸的氧理論1770—1780年間,法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫(A.L.Lavoisi-er1743—1794)企圖從酸的組成來(lái)解釋酸性現(xiàn)象,提出了氧是酸的組成成分和“酸化要素”即“酸化的基”理論,他認(rèn)為凡是酸都應(yīng)該含氧元素。這個(gè)酸的氧理論,持續(xù)了七十年,一直影響到十九世紀(jì),普遍地為人們所接受,他明確指出,非金屬元素在氧中燃燒生成酸;金屬元素在氧中燃燒生成堿。1.3李比希酸的氫理論正當(dāng)人們崇奉拉瓦錫酸的氧理論時(shí),1789年法國(guó)化學(xué)家貝托雷(C.L.Bertholt1748—1822)首先揭示了這個(gè)理論的缺陷,他發(fā)現(xiàn)氫氰酸(HCN)并不含有氧,但其水溶液卻有較弱的酸性。但是,由于氫氰酸的酸性比較弱,以致有人認(rèn)為它根本夠不上稱為酸的資格,所以拉瓦錫關(guān)于酸的氧理論并沒(méi)有因此而動(dòng)搖。后來(lái),英國(guó)化學(xué)家戴維(H.Davy1778—1829)用普通的鹽酸(HCl)來(lái)驗(yàn)證,也同樣證實(shí)了拉瓦錫的錯(cuò)誤。在1838年,德國(guó)化學(xué)家李比希(J.F.Vonliebi1803—1873)吸取了戴維等科學(xué)家研究的成果,并結(jié)合自己的研究,他重申并肯定認(rèn)為:氫是酸的基本要素,所有的酸都是“含有容易被金屬取代的氫的化合物”,這個(gè)酸概念的氫理論連續(xù)了近五十年。由此我們可以看出,早期人們對(duì)酸堿的認(rèn)識(shí)基本上還是經(jīng)驗(yàn)性的,雖有一定的事實(shí)基礎(chǔ),但夾雜著人們的一些猜想,缺乏從分子本身嚴(yán)密的論證和論據(jù)。2.酸堿理論的定義2.1酸堿電離理論1887年瑞典化學(xué)家阿侖尼烏斯提出了他的酸堿電離理論：凡是在水溶液中電離產(chǎn)生的全部陽(yáng)離子都是H+的物質(zhì)叫酸；電離產(chǎn)生全部陰離子都是OH-的物質(zhì)叫堿，酸堿的反應(yīng)實(shí)質(zhì)是H+和OH-結(jié)合生成水的反應(yīng)。例：酸HCl=H++Cl-堿NaOH=Na++OH-酸堿反應(yīng)HCl+NaOH=NaCl+H2O實(shí)質(zhì)H++OH-=H2O電離理論從化學(xué)組成上揭示了酸堿的本質(zhì)，提高了人們對(duì)酸堿的認(rèn)識(shí)，對(duì)化學(xué)發(fā)展起了很大的作用。由于水是最常用的溶劑，因此酸堿電離理論長(zhǎng)期以來(lái)一直到現(xiàn)在仍然為人們熟悉和普遍采用.2.2酸堿質(zhì)子理論Lowry提出了酸堿質(zhì)子理論，質(zhì)子理論認(rèn)為：凡是能給出質(zhì)子的任何含氫原子的分子或離子稱為酸，凡是能接受質(zhì)子的分子或離子就是堿。間而言之，酸是質(zhì)子的給予體，堿是質(zhì)子的接受體.例：酸1+堿2=堿1+酸2HCl+NH3=Cl-+NH4+H2O+HS-=OH-+H2酸堿質(zhì)子理論表明酸和堿是相互依存的，且不論物質(zhì)是氣態(tài)、熔融態(tài)，在水溶液中或者是在非溶液中都可以是酸堿.按照酸堿的質(zhì)子理論，酸與堿之間的反應(yīng)就是質(zhì)子轉(zhuǎn)移的反應(yīng).上述兩反應(yīng)中的每一個(gè)反應(yīng)中的酸是堿的共軛酸，而堿是酸的共軛堿.強(qiáng)酸的共軛堿是弱酸，而強(qiáng)堿的共軛酸是弱酸.在質(zhì)子酸堿論中，酸堿強(qiáng)弱不僅取決于酸堿本身釋放質(zhì)子與接受質(zhì)子的能力，同時(shí)也決定于溶劑接受和釋放質(zhì)子的能力，因此，要比較各種酸堿的強(qiáng)度必需固定同一溶劑，在不同的溶劑中，同一物質(zhì)的酸堿性會(huì)不同。通常，我們以水作溶劑來(lái)比較各種酸、堿傳遞質(zhì)子的能力，通過(guò)測(cè)定各種弱酸弱堿的電離平衡常數(shù)即可對(duì)比酸堿的強(qiáng)弱。弱酸與它對(duì)應(yīng)共軛堿的酸堿常數(shù)乘積等于水的離子積常數(shù)Kw。酸常數(shù)越大，對(duì)應(yīng)共軛堿的堿性越弱；堿常數(shù)越小，堿性越弱。因此在同一溶劑中，酸堿的相對(duì)強(qiáng)弱取決于酸的本性。但同一酸堿在不同的溶劑中的相對(duì)強(qiáng)弱并非固定不變的，它取決于溶劑性質(zhì)的差異。例如在比較HCl和HAc的酸性時(shí)，可以用H2O作溶劑：HCl+H2O=====H3O++Cl-強(qiáng)酸1強(qiáng)堿2強(qiáng)酸2強(qiáng)堿1HAc+H2O======H3O++Ac-弱酸1弱堿2強(qiáng)酸2強(qiáng)堿1可見(jiàn)，HCl酸性在以水為溶劑時(shí)比HAc是酸性強(qiáng)，水是區(qū)分試劑。但是，若用液氨作試劑來(lái)比較HAc和HCl的強(qiáng)弱時(shí)：HCl+NH3=====NH4++Cl-強(qiáng)酸1強(qiáng)堿2弱酸2弱堿1HAc+NH3=====NH4++Ac-強(qiáng)酸1強(qiáng)堿2弱酸2弱堿1可見(jiàn)，HCl和HAc在液氨中都是強(qiáng)酸，它們的相對(duì)強(qiáng)弱變得不可區(qū)分，因此液氨被稱為“拉平試劑”，這種由于選用非水試劑而使水試劑下酸性或堿性強(qiáng)弱可以被區(qū)分的酸或堿，其強(qiáng)弱變得不能區(qū)分出來(lái)的效應(yīng)稱為“拉平效應(yīng)”。因此，物質(zhì)的酸堿性在不同溶劑中可以變化，弱可變強(qiáng)，強(qiáng)可變?nèi)?。甚至在不同溶劑中，酸可以變堿，堿可以變酸。2.3酸堿溶劑體系理論酸堿質(zhì)子理論之后，Cady和Elsey提出酸堿溶劑體系理論。結(jié)語(yǔ)：酸堿理論經(jīng)歷了由粗淺到深入、由表面到本質(zhì)的一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。最初階段，人們從一些簡(jiǎn)單的性質(zhì)上認(rèn)識(shí)酸堿。例如：酸可以使石蕊變紅，有酸味；堿可以使石蕊變藍(lán)，有澀味。當(dāng)酸堿相混合時(shí)，性質(zhì)變得不明顯甚至消失。后來(lái)人們從組成上認(rèn)識(shí)酸堿。對(duì)于含氧酸的研究使人們認(rèn)識(shí)到酸中一定含有氧，對(duì)于鹽酸等無(wú)氧酸的研究又使人們認(rèn)識(shí)到酸中一定含有氫元素。現(xiàn)在它還在不斷的發(fā)展，本文不準(zhǔn)備一一追溯歷史上酸堿理論發(fā)展的每一個(gè)階段,這里著重闡述了重要幾種理論,到目前為止,我們不僅能夠運(yùn)用酸堿理論來(lái)考察并判斷一般無(wú)機(jī)化合物的性質(zhì)和反應(yīng),還能運(yùn)用酸堿理論來(lái)考察并判斷有關(guān)絡(luò)合物的性質(zhì)和反應(yīng),甚至還能擴(kuò)大到有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域,酸堿的含義和范圍不斷在擴(kuò)大和發(fā)生相應(yīng)的變化。筆者相信,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,廣大化學(xué)工作者對(duì)酸堿理論的進(jìn)一步探索和研究,必將會(huì)取得重大的進(jìn)展。任何學(xué)科的發(fā)展都是由簡(jiǎn)陋到完備，由局限到廣泛，發(fā)展到極致都是應(yīng)用領(lǐng)域的空前廣泛，這是遵守事物發(fā)展規(guī)律的。溶劑酸堿理論解決了酸堿電離理論限制在水溶液體系中的有界性，但仍未很好地定義酸。電子理論準(zhǔn)確的定義了酸與堿，且不受溶劑性質(zhì)的影響，包括幾乎所有的酸與堿，能解釋基本所有酸堿反應(yīng)。但正是因?yàn)閼?yīng)用的無(wú)限性，使得電子理論變得一般化，沒(méi)有自己的特點(diǎn)，雖能解決某些問(wèn)題，但卻不具針對(duì)性，不能快速、方便、準(zhǔn)確地處理相關(guān)問(wèn)題。這不難總結(jié)出，任何理論、任何政策、任何科學(xué)，發(fā)展的前景是廣闊的，而且發(fā)展是日臻完善的，但當(dāng)發(fā)展到極致時(shí)，也便失去了自己的特征，只具有普遍性，能解決幾乎所有一般的問(wèn)題，但卻失去有效的針對(duì)性。所以，我們?cè)趹?yīng)用某些理論或科學(xué)知識(shí)時(shí)，要分析區(qū)別，對(duì)比應(yīng)用，才能有效地處理好自己的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)：無(wú)機(jī)化學(xué)（第二版）上冊(cè)王杏喬宋天佑徐家寧程鵬編著ISBN978-7-04-028256-6高等教學(xué)出版社簡(jiǎn)明無(wú)機(jī)化學(xué)宋天佑編著ISBN97