基于酸碱质子理论的酸碱反应及其溶液pH的探讨

【摘要】本文以酸碱质子理论为基础,阐述了酸碱的强度、酸碱反应的类型及方向,并详细地探讨了各种类型酸碱反应后溶液pH的计算方法。

【关键词】 质子理论 酸碱反应 pH

【中图分类号】O61【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2015)03-0189-01

无机化学反应多数是在水溶液中进行的,参与这些反应的物质主要是酸、碱、盐。酸碱反应是无机化学最常见且非常重要的一大类型反应。随着科学的发展,酸碱的范围越来越广泛,越来越多的化学物质被列入酸碱的范围之内,因此大量的化学变化也归纳于酸碱反应的范畴之中。本文以酸碱质子理论为基础,就酸碱强度、酸碱反应及反应后溶液的pH等问题,做如下探讨。

1.酸碱质子理论的基本要点

根据Bronsted-Lowry酸碱质子理论的观点:凡能给出质子(H+)的物质称为酸;凡能接受质子(H+)的物质称为碱。如:HCl、HAc、NH■■、HCO■■、HSO■■等都是酸;Cl-、Ac-、NH3、CO■■、SO■■等都是碱。所以质子理论中的酸和碱既可是中性分子也可是阴、阳离子,且没有盐的概念。并把仅相差一个质子的对应酸、碱称为共轭酸碱对。即:

酸?葑碱+质子

酸碱质子理论认为:每一个共轭酸碱对都是构成酸碱反应的半反应,共轭酸碱对的半反应是不能单独存在的。因为酸不能自动放出质子,碱也不能自动接受质子,只有酸、碱同时存在时,酸碱的性质才能通过质子转移而体现出来。可见,质子理论中的酸碱反应,其实质就是两个共轭酸碱对之间的质子传递反应。

2.酸碱的强度

酸碱的强弱不仅取决于酸碱本身释放质子和接受质子的能力,同时也取决于溶剂接受和释放质子的能力。因此要比较各种酸、碱的强度,必须固定溶剂。一般以水作为溶剂,测定各种弱酸弱碱的电离常数,根据电离常数数值的大小,即可比较酸碱的强弱。相同条件下,酸的酸性越强,其共轭碱的碱性越弱;反之,亦然。

3.酸碱反应的类型

根据参加反应的酸碱的强弱,酸碱反应主要可以分为以下三种类型:

3.1强酸和强碱的反应

强酸和强碱在水溶液中完全离解出H+和OH-,OH-有强烈接受质子(H+)倾向,所以强酸强碱的反应实质上就是强酸的质子(H+)传递给强碱的OH-生成H2O的反应,即:

H+ (aq) + OH- (aq) =H2O(l)

其平衡常数K=■=■=1.0×1014。由于其K值很大,所以反应进行得很彻底。

3.2强酸和弱碱的反应

强酸和弱碱的反应,其实就是该弱碱之共轭酸的电离平衡的逆反应或Arrhenius酸碱电离理论中的强酸弱碱盐的水解反应的逆反应。反应平衡常数是共轭弱酸电离常数的倒数或该水解平衡常数的倒数。例如,HCl和NaAc发生下列反应:

H++Ac-?葑HAc

k=■=■=■=5.68×104

因此,强酸与弱碱的反应,弱碱的碱性越强(Kb 越大),或其共轭酸酸性越弱(Ka 越小),则反应进行得越彻底。这也是强酸置换弱酸的反应。

3.3 强碱与弱酸的反应

强碱与弱酸的反应,实际上是Arrhenius酸碱电离理论中的强碱弱酸盐的水解反应的逆反应,反应平衡常数就是该水解平衡常数的倒数。例如:

OH-+HAc?葑Ac-+H2O

k=■=■=■=■=1.76×109

3.4弱酸与弱碱的反应

弱酸与弱碱的反应实际上是较强的弱酸置换较弱的弱酸或较强的弱碱置换较弱的弱碱的反应。例如:

HAc+CN-?葑HCN+Ac-

其中K =■=■=3.57×104反应平衡常数很大,能向右进行。

较强的弱酸的酸性越强(Ka 越大)、置换出的较弱的弱酸酸性越弱(Ka 越小),反应的平衡常数越大,反应进行得越彻底。这实际也是较强酸置换较弱酸的反应。

综上所述:酸碱反应总是由较强的酸和较强的碱向生成较弱的酸和较弱的碱的方向进行。且其酸性或碱性越强,这种置换反应进行得越彻底。

4.酸碱反应后溶液的pH

不少酸碱反应的平衡常数都较大,因此常利用酸碱反应(主要是强酸与强碱的反应、强酸与弱碱的反应、强碱与弱酸的反应)来进行酸或碱的定量分析和制备化合物。这就涉及到酸碱反应后溶液的pH的计算问题,主要有以下两种情况:

4.1酸与碱按酸碱反应方程式前的系数比反应

4.1.1强酸与强碱完全反应而无剩余时,溶液呈中性,pH=7。

4.1.2强酸与弱碱完全反应而无剩余时,产物中有弱酸,这时溶液呈酸性,溶液的pH可按弱酸的电离平衡来计算。

4.2酸碱反应后酸或碱过量

4.2.1强酸与强碱反应,强酸或强碱过量:由于反应生成的产物是中性的,则溶液的pH是由剩余的强酸或强碱的浓度来决定。

4.2.2强酸与弱碱或强碱与弱酸的反应,强酸或强碱过量:则过量的强酸或强碱将抑制由反应产生的弱酸或弱碱的电离(或水解)。因此,溶液的pH主要由剩余的强酸或强碱的浓度来决定。如剩余的强酸或强碱的浓度极稀时,则应考虑水的电离。

酸碱质子理论不仅扩大了酸碱的范围,揭示了酸和碱的对立统一关系,而且还扩展了酸碱反应的范围,统一了水溶液中的一些反应。如:水溶液中的电离反应、中和反应、盐的水解反应以及酸碱参与的复分解反应都可看成是质子传递的酸碱反应。此外,质子理论也能像电离理论一样,应用平衡常数来定量地衡量在某溶剂中酸和碱的强度,这是质子理论得到广泛应用的原因。

在生产和科学研究中,控制和测定溶液的pH非常重要。如在药物分析和药物制剂中,经常需要控制溶液的pH。所以溶液pH的计算是《无机化学》中有关计算部分的重点内容,而各类酸碱反应后溶液pH的计算又是其中的难点,本文的探讨解决了这个难点。

参考文献:

[1]张雪昀.药用化学基础(一)无机化学[M].北京:中国医药科技出版社.2011

[2]刘斌.无机化学[M].北京:中国医药科技出版社.2010

[3]牛秀明.无机化学[M].北京:人民卫生出版社.2009