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布-洛酸硷学说

2020-07-08 03:11:52 来源:大全博览 浏览:901次


西元1923年,丹麦化学家布忍斯特 (Johannes Nicolaus Brønsted, 1879-1947)与英国化学家洛瑞 (Thomas Martin Lowry, 1874-1936),不约而同对阿瑞尼士 (Svante August Arrhenius, 1859-1927)的酸硷理论提出相近的修正,拓展人们对酸硷化学的认知,不只侷限于水溶液的状态,是为「布-洛酸硷学说 (The Brønsted-Lowry Acid Base Theory)」。

言简意赅地说,「布-洛酸硷学说」将酸定义为「质子捐赠者 (proton donor)」;而硷定义为「质子接受者 (proton acceptor)」。「给予质子」的能力越强者,是为较强的酸;「接受质子」的能力越强者,是为较强的硷。在这样的概念下,扮演「酸」角色的化学物质,可以是阳离子 (cation)、中性分子 (neutral molecule)、或阴离子 (anion);扮演「硷」者,则可为中性分子或阴离子。

若进一步探究『布-洛酸硷学说』之内涵,读者或许值得审思以下两个问题: 其一,如果酸是质子给予者,那幺其释出的质子该往何处去?相对地,若硷为质子接受者,此质子其来何自? 其二,一旦酸失去质子后,会变成什幺物质呢?硷接受质子后,产物又是如何? 第一个问题的答案,其实显而易见。依据「物质不灭定理(Law of Conservation of Mass)」,反应中若有一物质提供质子,那幺必定要有另一物质扮演接收者,以吸收被释出的质子。这样的事实说明了,在『布-洛酸硷学说』所定义的酸或硷,都不能各自唱独角戏、单独存在;反应中一定要存在「硷性物质」的角色,酸性物质的角色才能进行,反之亦然。 以醋酸 (acetic acid, CH3COOH)水溶液作为例子说明,醋酸分子在水中之所以能扮演酸而释出质子,乃因有「水分子」作为接受质子的硷。若将反应以化学方程式表之,则如以下:
布-洛酸硷学说

如图一,醋酸与水的酸硷反应中,醋酸释出质子后,形成醋酸根离子 (acetate ion, CH3COO–);而水接收质子形成水合氢离子 (hydronium ion, H3O+)。从产物的观点来看,水合氢离子在逆反应的途径中,作为酸、释出质子变为水;而醋酸根离子则恰如其分的扮演硷的角色,接受酸所释出的质子,形成醋酸。以上的例子,同时也提供第二个问题答案的线索。事实上,由布忍斯特建构的酸硷理论,对此有精闢精确的说明。在他所发表的论文中,是这样描述的: 「当酸释出质子之后,本身理所当然形成硷,是为酸的共轭硷 (conjugate base);相对的,当硷得到质子后,即形成其共轭酸。」若以醋酸水溶液的例子为说明,醋酸分子 (CH3COOH)在正反应中扮演酸,丢掉质子后,形成其共轭硷-醋酸根离子 (CH3COO–);而水分子 (H2O)则扮演硷,得到质子后,形成其共轭酸-水合氢离子 (H3O+)。为求一目了然,布忍斯特以简单的化学方程式表达:

Acid1+ Base2 $$\rightleftharpoons$$ Acid2 + Base1   (式一)

其中,Acid1与Base1互为共轭酸硷对; Acid2与Base2是另一对共轭酸硷对。 针对「共轭酸硷对」,布忍斯特也提出说明:如果反应中,物质为较强的酸,则其共轭硷必为较弱的硷,意思是,若一物质释出质子的能力较强,则其共轭硷吸收质子的能力必定较弱。

相反地,若物质本身为较弱的酸,则其共轭硷必为较强的硷;而硷与其共轭酸之间的关係也相仿。举个例子,盐酸 (HCl)是众所周知的强酸,极易释出质子,相对地,其共轭硷-氯离子 (Cl–)则是一个弱硷,并不容易抢夺质子。再以这样的观点看布忍斯特所提出的化学方程式(式一),其实反应物 (Acid1, Base2)与产物 (Acid2, Base1)之间,是互为竞争的酸硷反应,依此理论,我们可以预测,其自发 (Spontaneous)的反应方向,应由「较强酸-硷」的一方,走向「较弱酸-硷」的一方,也就是以Acid1与Acid2中较强者,及Base1与Base2中较强者为反应物 (reactants)之进行趋势,因「较强酸-硷」也代表「给-受质子」的能力较好。 再以醋酸水溶液的例子说明,如图一,其 (Acid1, Acid2)为 (CH3COOH, H3O+),两者释出质子能力较优者为H3O+,是为较强酸;其 (Base1, Base2)为 (CH3COO–, H2O),两者接受质子能力较好者为CH3COO–,是为较强硷,故反应的趋势应以「逆反应」方向为其喜好方向。

为文的最后,再提纲挈领,点明『布-洛酸硷学说』的精髓:

(1) 布洛学说中,反应物中,必定有一物质扮演酸--做为质子捐赠者;另一物质扮演硷--做为质子接受者。

(2) 布洛学说中,反应物与产物之间,必为两对『共轭酸硷对』,反应物作为酸者,产物形成共轭硷;反应物作为硷者,产物形成共轭酸。

(3) 在『共轭酸硷对』中,若本身为较弱酸,则其共轭硷为较强硷;本身为较弱硷,其共轭酸为较强酸。

(4) 布洛学说中,酸硷反应的自发趋势,倾向由强酸强硷的一方,向弱酸弱硷方向进行。


阅后小问答:
在布-洛酸硷学说中,提到「酸硷反应」在自发的情况,倾向由强酸强硷,走向弱酸弱硷的一方。那幺如果反应物与产物之间的酸硷关係是(较强酸,较弱硷)与(较弱硷,较强酸),则反应应往那一个方向进行?为什幺?

解答:
这或许是许多人心中的疑问,但若仔细思考『布-洛酸硷学说』所提出的概念,会发现这样的情况并不会发生。在Acid1+ Base2 → Acid2 + Base1 中,(Acid1, Acid2)若为(较强酸, 较弱酸),则(Base1, Base2)必定为(较弱硷, 较强硷),因为Acid1与Base1互为『共轭酸硷对』;Acid2与Base2互为『共轭酸硷对』,如果酸的强度是Acid1>Acid2,则其共轭硷的强度必定为Base1→2,如此一来,分析Acid1+ Base2 → Acid2 + Base1的反应,应为较强酸+ 较强硷 → 较弱酸 + 较弱硷,倾向正反应发生方向;同样的道理,(Acid1, Acid2)若为(较弱酸, 较强酸),则Acid1 + Base2 → Acid2 + Base1,应为较弱酸+ 较弱硷 → 较强酸 + 较强硷,此时倾向逆反应方向。


参考资料
Kauffman, G..B. “The Brønsted-Lowry Acid-Base Concept”, J. Chem. Edu., 1988, 65, 28 – 31. 2. Brønsted, J. N. “Acid and Basic Catalysis”, Chem. Rev., 1928, 5, 231-338. 3. Brønsted, J. N. “The Acid-Basic Function of Molecules and Its Dependency on the Electric Charge Type”, J. Phys. Chem., 1926, 30, 777-790.

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