酸
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酸鹼化學 |
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酸 |
鹼 |
根據斯萬特·奧古斯特·阿倫尼烏斯的理論,酸(英語:acid,有時用「HA」表示)是指當溶解在水中時,溶液中氫離子的濃度大於純水中氫離子濃度的化合物。換句話說,酸性溶液的pH值小於水的pH值(25℃時為水的pH值是7)。酸一般呈酸味,但是品嘗酸(尤其是高濃度的酸)是非常非常危險的。酸可以和鹼發生中和作用,生成水和鹽。酸可分為無機酸和有機酸兩種。與酸相對的一種物質是鹼。
酸的定義
[編輯]酸在化學中主要有以下三種定義:
- 阿倫尼烏斯酸。指的是溶解於水時釋放出的陽離子全部是氫離子(H+)的化合物。參看酸鹼電離理論。
- 布侖斯惕-勞里(Brønsted-Lowry)酸。這種定義認為能提供質子的粒子是酸。參看酸鹼質子論。它比阿倫尼烏斯的定義要廣泛,因為這種定義下的酸包含了不溶於水的物質。
- 路易斯酸。酸被定義為電子的接受者,這是範圍最廣泛的定義,因為路易斯酸鹼不需要氫或氧的存在。參看酸鹼電子論。
酸的性質
[編輯]- 其他指示劑:
- H2SO4 + Ca → H2↑ + CaSO4
- H2SO4 + Mg → H2↑ + MgSO4
- H2SO4 + Fe → H2↑ + FeSO4
- H2SO4 + Zn → H2↑ + ZnSO4
- 2HCl + Ca → H2↑ + CaCl2
- 2HCl + Mg → H2↑ + MgCl2
- 2HCl + Fe → H2↑ + FeCl2
- 2HCl + Zn → H2↑ + ZnCl2
- 稀酸不會和銅、汞、銀、鉑、金等金屬反應。稀硝酸和金屬的反應比較特別,它會和金屬產生氧化還原反應,生成一氧化氮NO(無色氣體)而不會產生氫氣(極稀的硝酸會和金屬緩慢反應產生少量的氫氣這點至今仍未被證實)。因此在工業中很少用硝酸直接與金屬接觸製備硝酸鹽,多利用置換反應製造。
- 要注意的是金屬單質鉛Pb和稀酸(特別是硫酸H2SO4和鹽酸HCl)的反應中,基於鉛的活性較低,起初反應速度十分緩慢,而這反應還會在很短時間內停止。因為氯化鉛PbCl2和硫酸鉛PbSO4也是不水溶性的固體,它會覆蓋在金屬鉛表面形成保護膜阻止了金屬鉛與酸反應,而令該反應逐漸停止。
- 鉀K和鈉Na由於太過活躍,會和水產生危險的爆炸性反應,因此工業上不會利用此方法製備鉀鹽和鈉鹽。
- 鋁雖然也是十分活躍,但它一暴露在空氣中就會與空氣中的氧氣生成緻密氧化物保護膜,也會阻止了之後酸和金屬鋁的接觸反應,所以金屬鋁不在此列。鋁能夠與稀的強酸(如稀鹽酸,稀硫酸等)進行反應,生成氫氣和相應的鋁鹽。在常溫下,鋁在濃硝酸和濃硫酸中被鈍化,不與它們反應,所以濃硝酸是用鋁罐(可維持約180小時)運輸的。
- 和金屬氧化物發生反應,生成鹽和水
- 和鹽反應(產生複分解反應)
- 酸 +鹽→新鹽 +新酸(強酸→ 弱酸)
- 碳酸鹽 +稀酸→鹽 +二氧化碳 +水
- Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 ↑+ H2O
- Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + CO2↑ + H2O
- CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O
- CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + CO2↑ + H2O
- 和碳酸氫鹽反應生成鹽、二氧化碳和水
酸的分類
[編輯]按酸分子是否含氧分類
[編輯]依電離氫離子數目分類
[編輯]- HCl → H+ + Cl −
- HNO3 → H+ + NO3−
- HNO2 → H+ + NO2−
- H2SO4 → 2H+ + SO42−
- H2SO3 → 2H+ + SO32−
- H2CO3 → 2H+ + CO32−
- H3PO4 → 3H+ + PO43−
- H8C6O7 → 3H+ + H5C6O73−
除一元酸以外的酸都稱為二元酸或多元酸。
酸性與氫離子的關係
[編輯]所有酸在水溶液中,在特定條件下,可以產生可供化學反應的(水合)氫離子H3O+,從而表達出酸性。這包括兩類情形:
- 常見的易溶酸如H3PO4,在溶液中電離產生H3O+:
- H3PO4 + H2O → H3O+ + H2PO4−
難溶酸如H4SiO4,其溶於水的分子亦可電離產生H3O+:
- H4SiO4 + H2O → H3O+ + H3SiO4−
電離產生的H3O+可與鹼發生化學反應。當酸充分強時,電離產生的H3O+濃度大,可與活潑金屬反應產生氫氣,或與特定的鹽發生複分解反應。
- 某些酸如H3BO3,Al(OH)3,溶於水的分子本身不能電離產生H+。它們作為路易斯酸體現酸性,即,與水電離產生的OH-結合,釋放水電離產生的H3O+參與反應,從而表達出酸性:
- H3BO3 + 2H2O → H3O+ + B(OH)4−
- Al(OH)3 + 2H2O → H3O+ + Al(OH)4−
純水電離產生的H3O+與OH-濃度相同。酸性物質溶於水的分子將以上述兩類方式之一造成H3O+濃度上升,超過OH-濃度。酸溶液的H3O+離子濃度愈高,其酸度就愈高。
濃酸的危險性
[編輯]- 濃酸常有強烈腐蝕性,有些還伴有其他特性,如具有強氧化性和脫水能力的濃硫酸,能對人體造成嚴重的化學燒傷。
- 濃酸的特性:
- 濃氫氯酸含35%氯化氫分子,濃度約為11M,是無色液體,具高度揮發性和腐蝕性。
- 濃硝酸含70%HNO3分子,濃度約為16M,是無色液體(但很多時候因有分解反應令濃硝酸溶有紅棕色的二氧化氮),具高度揮發性,易分解出有毒的二氧化氮氣體,硝酸有極強氧化性,因此造成極強腐蝕性。自我分解反應如下:4 HNO3 → 2 H2O + 4 NO2 + O2
- 濃硫酸含98%硫酸分子,濃度約為18M,是無色油狀液體,不具揮發性,但具極強的腐蝕性、氧化性和脫水性。
濃酸處理注意事項
[編輯]- 濃酸應安放在通風櫃中。
- 人手處理濃酸時要戴防護手套和安全眼鏡。
- 稀釋濃酸時,是要慢慢地把濃酸加入攪動中大量水中而不能相反,否則可引致沸騰(突沸),水連同強酸濺出可引致極大的危險。
- 若被強酸濺到人體,應立即用大量流動的清水沖洗傷口至少10至15分鐘,再用小蘇打(NaHCO3)溶液沖洗,嚴重則要立即送醫治理。
強酸
[編輯]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/24/Sulfuric-acid-3D-vdW.png/180px-Sulfuric-acid-3D-vdW.png)
強酸是指在水溶液中完全電離的酸(硫酸這類多元酸不在此限),或以酸度系數的概念理解,則指pKa值< −1.74的酸。這個值可以理解為在標準狀況下,氫離子的濃度等同於加入強酸後的溶液濃度。
大部分強酸均是腐蝕性的,但當中亦有例外。例如超強酸當中的碳硼烷酸(H(CHB11Cl11)),其酸性比硫酸高百萬倍,但卻完全不帶有腐蝕性[1];相反,弱酸當中的氫氟酸(HF)卻帶有高度腐蝕性。它能夠溶解極大部分的金屬氧化物,諸如玻璃及除了銥以外的所有金屬[2]。
- HA(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + A−(aq)
一般酸不會在水中完全離解,因此多以化學平衡而不是完全反應的形式表示,弱酸就是指不完全離解的酸。用酸度系數作為區別強酸與弱酸的作用並不明顯(因為數值差距較難理解及不明顯),因此用方程式去區別兩者更為合理。
由於強酸在水溶液中完全離解,因此氫離子在水中的濃度等同於將該酸帶到其他的溶液當中:
- [HA] = [H+] = [A−];pH = −log[H+]
酸性強度的判別
[編輯]除了透過計算pH值來衡量不同酸的強度外,透過觀察以下的性質也可以判別出不同類別的酸的強度:
- 電負性:在同一元素周期下其共軛鹼的負電性愈高,它的酸度就愈高。
- 原子半徑:原子半徑增加,其酸度也會增加。以氫氯酸及氫碘酸為例,兩者均是強酸,在水中均會電離出100%的相應離子。但是氫碘酸的酸度比氫氯酸要強,這是因為碘的原子半徑遠大於氯的原子半徑。帶有負電荷的碘陰離子擁有較離散的電子雲,因此與質子(H+)的吸力較弱,因此,氫碘酸電離(去質子化)的速度更快(二者酸性的差別可在酸性更強的溶劑,如乙酸中測出,因為在乙酸中二者均只能部分電離而可體現出差別)。
- 電荷:電離後的物質愈帶有正電荷,就愈高酸度。因此中性離子較陰離子容易放出質子,陽離子也比起其他分子均具有更高酸度。
酸度
[編輯]酸度,一種新的酸鹼度定義,可以取代過去一直沿用的pH表示酸鹼度。此一定義首先由荷蘭化學家亨克·凡·魯貝克(Henk van Lubeck)在美國《化學教育雜誌》上提出[3]。
- 定義
- 優勢
與pH相比,它有如下3個明顯的優勢:
- 酸度的數值越大說明溶液酸性越強,符合物理定義的語言習慣。
- 取對數的是無量綱的比值,對數函數返回值同樣無量綱,這符合對數函數的特點。
- 不管在任何溫度下,中性的溶液AG永遠是0。與此不同的是,習慣上認定25攝氏度的中性溶液pH=7,其他溫度下中性溶液的pH都不是7。
此外,AG的值域是,而傳統上pH的值域是0~14。
常見強酸
[編輯](從強到弱)
- 高氯酸HClO4
- 氫碘酸HI
- 氫溴酸HBr
- 鹽酸HCl
- 硫酸H2SO4(Ka1/只限於第一酸度系數)
- 硝酸HNO3
- 水合氫離子H3O+或H+。為方便起見,通常會以H+取代H3O+。但要注意的是,單獨而孤立的質子在帶有極性的水中不可能存在,而是常與水分子的其中一對孤偶電子對結合。這使在水合氫離子中的氧的形式電荷為+1。
- 一些化學家將氯酸(HClO3),溴酸(HBrO3),高溴酸(HBrO4),碘酸(HIO3),和高碘酸(HIO4)也列為強酸,但是沒有被公認。
超強酸
[編輯]超強酸通常指酸性比純硫酸更強的酸。簡單的超強酸包括三氟甲磺酸(CF3SO3H)和氟磺酸(FSO3H),它們的酸性都是硫酸的上千倍。在更多的情況下,超強酸不是單一純淨物而是幾種化合物的混合物。
超強酸這一術語由詹姆斯·布萊恩特·科南特(James Bryant Conant)於1927年提出。喬治·安德魯·歐拉因其在碳正離子和超強酸方面的研究獲得1994年諾貝爾化學獎。
常見的超強酸(從最強到最弱):
- 氟銻酸 HFSbF5 (1990) (pKa值= -28)
- 魔酸 FSO3HSbF5 (1974) (pKa值= -25)
- 碳硼烷酸 H(CHB11Cl11) (1969) (pKa值= -18.0)
- 氟磺酸 FSO3H (1944) (pKa值= -15.6)
- 三氟甲磺酸 CF3SO3H (1940) (pKa值= -14.6)
- 固體超強酸 SbF5-SiO2-Al2O3,SbF5-TiO2-SiO2 (pKa值= -13.75 ~ -14.52)
- 高氯酸 (pKa值= -13)
- 純硫酸 (pKa值= -11.93)
酸的製備
[編輯]- 酸和鹽的複分解反應,生成新酸和新鹽
- 酸性氧化物和水的化合反應
- 非金屬單質和氫的化合反應
常見的無機酸
[編輯]食物中的酸
[編輯]所有存在於天然食物中的有機酸都是弱酸。
參考
[編輯]- ^ Christopher A. Reed. Carborane acids. New "strong yet gentle" acids for organic and inorganic chemistry (PDF). Chem. Commun.: 1669–1677. [2008-05-03]. doi:10.1039/b415425h. (原始內容 (Full article (reprint))存檔於2020-05-11).
- ^ Strachan, John. A deadly rinse: The dangers of hydrofluoric acid. Professional Carwashing & Detailing. January 1999 [2008-04-30]. (原始內容存檔於2008-04-09).
- ^ Why Not Replace pH and pOH by Just One Real Acidity Grade, AG? (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) - Journal of Chemical Education July 1999 Vol. 76 No. 7 p. 892
參看
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