酸鹼質子理論
酸鹼質子理論,又稱布侖斯惕-洛瑞酸鹼理論,也稱布-洛酸鹼學說(英語:Brønsted–Lowry acid–base theory),是丹麥化學家約翰內斯·尼古勞斯·布侖斯惕和英國化學家托馬斯·馬丁·勞里於1923年各自獨立提出的一種酸鹼理論[1][2]。該理論認為:凡是可以釋放質子(氫離子,H+)的分子或離子為酸(布侖斯惕酸,B酸),凡是能接受氫離子的分子或離子則為鹼(布侖斯惕鹼,B鹼)。
當一個分子或離子釋放氫離子,同時一定有另一個分子或離子接受氫離子,因此酸和鹼會成對出現。酸鹼質子理論可以用以下反應式說明:
- 酸 + 鹼 ⇌ 共軛鹼 + 共軛酸
酸在失去一個氫離子後,變成共軛鹼;而鹼得到一個氫離子後,變成共軛酸。以上反應可能以正反應或逆反應的方式來進行,不過不論是正反應或逆反應,均維持以下的原則:酸將一個氫離子轉移給鹼。
在上式中,酸和其對應的共軛鹼為一組共軛酸鹼對。而鹼和其對應的共軛酸也是一組共軛酸鹼對。
內容
編輯水是兩性物質,因此依反應物的不同,水可能是酸(釋放質子),也可能是鹼(接受質子)。例如在水和乙酸的反應中,水扮演鹼的角色:
- CH3COOH + H2O ⇌ CH3COO− + H3O+
生成物之一的乙酸根離子 CH3COO− 是乙酸的共軛鹼,而水合氫離子 H3O+ 則是水的共軛酸。
而在水和氨的反應中,水扮演酸的角色,其反應式如下:
- H2O + NH3 ⇌ OH− + NH4+
水提供一個氫離子給氨,而氫氧根離子則是水的共軛鹼。
強酸(如鹽酸)會完全解離,而弱酸(如乙酸)只會部份解離。酸度係數 pKa 是酸解離程度的指標,也可用來判斷酸的強弱。
許多的化合物均可以依酸鹼質子理論的方式,依其和水反應的情形,分類為酸或鹼:如無機酸以及其衍生物(如磺酸、磷酸)、羧酸、胺、碳負離子、 1,3-二酮(如乙醯丙酮、乙醯乙酸乙酯、米氏酸)...等。
和酸鹼電子理論的關係
編輯路易士鹼可以提供電子對,若此電子對可以和氫離子鍵結,則此路易士鹼也是布侖斯惕鹼。因此酸鹼質子理論也可以適用在非水溶液的情形。一個給電子溶劑 S 可以用以下的方式接受氫離子:
- AH + S: ⇌ A− + SH+
在酸鹼化學中典型的給電子溶劑,如二甲基亞碸或液氨,都有一個有孤對電子的氧原子或氮原子,可以和氫離子鍵結。
有些路易士酸除了可以接收電子對外,也是布侖斯惕酸。如鋁離子 Al3+ 可以從水分子接受電子對,如以下的反應式
- Al3+ + 6H2O → Al(H2O)63+
反應所生成的水合鋁離子為弱的布侖斯惕酸:
- Al(H2O)63+ + H2O ⇌ Al(H2O)5OH2+ + H3O+ .....Ka = 1.7 x 10-5
全反應可以視為鋁離子的水解。
不過並非所有的路易士酸都會產生對應的布侖斯惕酸,如鎂離子也是路易士酸,可和六個水分子結合為水合鎂離子
- Mg2+ + 6H2O → Mg(H2O)62+
但此例中沒有氫離子的轉移,因為水合鎂離子的Ka很小(Ka ~ 10−11),所釋放的氫離子很少,可以忽略不計。
硼酸可以用來說明一個在水中不會解離的布侖斯惕酸,仍然可以提供氫離子給水(在此為一種布侖斯惕鹼)。其反應為
- B(OH)3 + 2H2O ⇌ B(OH)4− + H3O+
硼酸在反應中為路易士酸,從一個水分子接收電子對,再提供一個氫離子給另一個水分子,因此也是布侖斯惕酸。