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2021-07-16 12:27:31
堿化學
  • 酸度係數
  • 酸堿萃取
  • 酸堿理論
  • 酸堿中和滴定
  • 解離常數
  • 緩衝溶液
  • pH
  • 質子親和力
  • 兩性物質
  • 水的自偶電離
  • 酸堿質子理論

(英語:acid有時用“HA”表示)。阿倫尼烏斯酸的定義是當溶解在水中時,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)。酸壹般呈酸味,但是品嘗酸(尤其是高濃度的酸)是非常危險的。酸可以和堿發生中和作用,生成水和鹽。酸可分為無機酸和有機酸兩種。

  • 氫氯酸、硫酸硝酸都被稱為礦酸,因為它們從前都是透過礦物制得的。
  • 濃酸具腐蝕性,而稀酸則具刺激性(稀氫氟酸也具有腐蝕玻璃的能力)。

酸的定義

酸在化學中主要有以下叁種定義:

  1. 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。
  2. 布侖斯惕-勞裏(Brønsted-Lowry)酸。這種定義認為能提供質子的粒子是酸,能接受質子的粒子是。參看酸堿質子論。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。
  3. 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,因為路易斯酸堿不需要氫或氧的存在。參看酸堿電子論。

酸的性質

資料專題:酸酸的性質

食物中的酸

所有存在於天然食物中的有機酸都是弱酸。

  • 抗壞血酸(維生素C) - 可在水果中找到
  • 乙酸(醋酸) - 可在醋中找到
  • 單寧酸 - 可在茶中找到
  • 酒石酸- 可在葡萄中找到
  • 檸檬酸 - 可在橙和檸檬等水果中找到
  • 苯甲酸- 可在蠔油找到

酸性與氫離子的關係

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可與堿發生化學反應。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,或與特定的鹽發生復分解反應。

  • 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)4Al(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壹造成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。

依電離氫離子數目分類

鹽基度是壹種酸的每個分子最多能電離出的氫離子的數目。

  • 鹽基度 = 1:壹元酸——如氫氯酸、硝酸、亞硝酸、乙酸
HCl → H + ClHNO3 → H + NO3HNO2 → H + NO2H2SO4 → 2H + SO4H2SO3 → 2H + SO3H2CO3 → 2H + CO3H3PO4 → 3H + PO4H8C6O7 → 3H + H5C6O7

除壹元酸以外的酸都稱為二元酸或多元酸

濃酸的危險性

  • 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。

處理濃酸要註意的地方

  • 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衝洗傷口至少10至15分鐘,再用小蘇打(NaHCO3)溶液衝洗,嚴重則要立即送醫治理。

常見的無機酸

強酸

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),或以酸度係數的概念理解,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;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。

強酸在水溶液中完全離解的化學方程式如下所示:

HA(aq)+ H2O(l)→ H3O(aq)+ A(aq)

壹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。用酸度係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

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:

  1. 電負性:在同壹元素周期下其共軛堿的負電性愈高,它的酸度就愈高。
  2. 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)。
  3. 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

酸度,壹種新的酸堿度定義,可以取代過去壹直沿用的pH表示酸堿度。此壹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。

定義

AG=log⁡[H+][OH−]=pOH−pH{\displaystyle AG=\log{[{\mbox{H}}^{+}] \over [{\mbox{OH}}^{-}]}\,\!=pOH-pH}

式中[H+]{\displaystyle [{\mbox{H}}^{+}]\,\!}[OH−]{\displaystyle [{\mbox{OH}}^{-}]\,\!}分別代表氫離子和氫氧根離子的物質的量濃度。

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R,而傳統上pH的值域是0~14。

常見強酸

(從強到弱)

  • 高氯酸HClO4
  • 氫碘酸HI
  • 氫溴酸HBr
  • 氫氯酸HCl
  • 硫酸H2SO4(Ka1/只限於第壹酸度係數)
  • 硝酸HNO3
  • 水合氫離子H3O或H。為方便起見,通常會以H取代H3O。但要註意的是,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壹對孤偶電子對結合。這使在水合氫離子中的氧的形式電荷為+1。
  • 壹些化學家將氯酸(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

超強酸通常指酸性比純硫酸更強的酸。簡單的超強酸包括叁氟甲磺酸(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,超強酸不是單壹純凈物而是幾種化合物的混合物。

超強酸這壹術語由詹姆斯·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)
  • 叁氟甲磺酸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)

;註:pKa值,哈米特酸度函數

參考

  1. 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).
  2. 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).
  3. Why Not Replace pH and pOH by Just One Real Acidity Grade, AG?- Journal of Chemical Education July 1999 Vol. 76 No. 7 p. 892

參看

  • 、鹽基
  • PH指示劑
  • ph試紙
  • pH值
規範控制