酸堿理論的發(fā)展

酸堿理論的發(fā)展摘要：酸堿理論是闡明何為酸堿，以及什么是酸堿反應(yīng)的理論。人類對于酸堿的認(rèn)識經(jīng)歷了漫長的時間。最初人們將有酸味的物質(zhì)叫做酸，有澀味的物質(zhì)叫做堿。到了18世紀(jì)末期,拉瓦西提出氧元素是酸的必要成分。酸堿理論的發(fā)展大致經(jīng)歷如下過程:早期酸堿認(rèn)識→阿侖尼烏斯電離理論→酸堿溶劑理論→酸堿質(zhì)子理論→路易斯廣義酸堿理論→皮爾遜軟硬酸堿理論。酸堿的概念的形成前后經(jīng)歷了三百年的時間，最終使得化學(xué)界對于酸堿的概念有了普遍的更加深刻的認(rèn)識。這里僅就酸堿理論發(fā)展的概況給予扼要的介紹。關(guān)鍵詞：酸堿理論酸堿電離理論酸堿溶劑理論酸堿質(zhì)子理論酸堿電子理論軟硬酸堿理論酸堿對于無機化學(xué)來說是一個非常重要的部分，日常生活中，人們接觸過很多酸堿鹽之類的物質(zhì)，例如食醋，它就是一種酸；日常用的熟石灰是一種堿。人們最初是根據(jù)物質(zhì)的物理性質(zhì)來分辨酸堿的。有酸味的物質(zhì)就歸為酸一類；而接觸有滑膩感的物質(zhì)，有苦澀味的物質(zhì)就歸為堿一類；類似于食鹽一類的物質(zhì)就歸為鹽一類。直到17世紀(jì)末期，英國化學(xué)家波義耳才跟據(jù)實驗的理論提出了樸素的酸堿理論：酸：凡是該物質(zhì)水溶液能溶解一些金屬，能與堿反應(yīng)失去原先特性，能使石蕊水溶液變紅的物質(zhì)。堿：凡是該物質(zhì)水溶液有苦澀味，能與酸反應(yīng)是失去原先特性，能使石蕊水溶液變藍色的物質(zhì)。從我們現(xiàn)在的眼光來看，這個理論明顯有很多漏洞，如碳酸氫鈉，他符合堿的設(shè)定，但是它是一種鹽。這個理論主要跟很多鹽相混淆。隨著科學(xué)的發(fā)展，人們又提出了更加科學(xué)的解釋，使得酸堿理論愈發(fā)成熟。一、酸堿電離理論瑞典科學(xué)家阿倫尼烏斯(Arrhenius)總結(jié)大量事實，于1987年提出了關(guān)于酸堿本質(zhì)的觀點——酸堿電離理論（Arrhenius酸堿理論）。在酸堿電離理論中，酸堿的定義是：凡在水溶液中電離生成的陰離子全都是H+的物質(zhì)叫做酸；在水溶液中電離生成的陽離子全都是OH—的物質(zhì)叫做堿；酸堿中和反應(yīng)的實質(zhì)是H+和OH—結(jié)合生成H2O。Arrhenius的電離學(xué)說，使人們對酸堿的認(rèn)識發(fā)生了一個飛躍。HA=H++A-電離出的正離子全部是H+,MOH=M++OH-電離出的負離子全部是OH-。進一步從平衡角度找到了比較酸堿強弱的標(biāo)準(zhǔn)，即Ka,Kb。Arrhenius理論在水溶液中是成功的，由于水溶液中H+和OH-的濃度是可以測量的，所以這一理論第一次從定量的角度來描寫酸堿的性質(zhì)和它們在化學(xué)反應(yīng)中的行為，酸堿電離理論適用于pH計算、電離度計算、緩沖溶液計算、溶解度計算等，而且計算的精確度相對較高，所以至今仍然是一個非常實用的理論；阿倫尼烏斯還指出，多元酸和多元堿在水溶液中分步離解，能電離出多個氫離子的酸是多元酸，能電離出多個氫氧根離子的堿是多元堿，它們在電離時都是分幾步進行的。但其在非水體系中的適用性，卻受到了挑戰(zhàn)。試比較下列兩組反應(yīng)：2H2O=OH-+H3O+NaOH+(H3O)Cl=NaCl+2H2O2NH3=NH2-+NH4+NaNH2+NH4Cl=NaCl+2NH3溶劑自身的電離和液氨中進行的中和反應(yīng)，無法用Arrhenius的理論去討論，因為它把堿限制為氫氧化物，而對氨水呈堿性的事實也無法說明，這曾使人們長期誤認(rèn)為氨水是NH4OH，但實際上從未分離出這種物質(zhì)。還有，解離理論認(rèn)為酸和堿是兩種絕對不同的物質(zhì)，忽視了酸堿在對立中的相互聯(lián)系和統(tǒng)一。不過Arrhenius的電離學(xué)說是一個較為實用的觀點，它是根據(jù)物質(zhì)在水溶液中所產(chǎn)生的離子來定義的，雖然這種理解在某種程度上忽視了溶劑在酸堿體系中的作用，也犧牲了對酸堿關(guān)系的某些相當(dāng)有用的見解二、酸堿溶劑理論富蘭克林(Franklin)于1905年提出酸堿溶劑理論(簡稱溶劑論)，溶劑論的基礎(chǔ)仍是阿氏的電離理論，只不過它從溶劑的電離為基準(zhǔn)來論證物質(zhì)的酸堿性。其內(nèi)容是：凡是在溶劑中產(chǎn)生該溶劑的特征陽離子的溶質(zhì)叫酸，產(chǎn)生該溶劑的特征陰離子的溶質(zhì)叫堿。例如：液氨中存在如下平衡：2NH3=NH4++NH2-因此在液氨中電離出NH4+的是酸，例如NH4Cl，電離出NH2-的是堿，例如NaNH2。液態(tài)N2O4中存在如下平衡：N2O4=NO++NO3-因此在液態(tài)N2O4中電離出NO+的是酸，例如NOCl，電離出NO3-的是堿，例如AgNO3。酸堿溶劑理論中，酸和堿并不是絕對的，在一種溶劑中的酸，在另一種溶劑中可能是一種堿。富蘭克林把以水為溶劑的個別現(xiàn)象，推廣到適用更多溶劑的一般情況，因此大大擴展了酸和堿的范圍。但溶劑論對于一些不電離的溶劑以及無溶劑的酸堿體系，則無法說明。例如，苯不電離，NH3和HCl在苯中也不電離，但NH3和HCl在苯中同樣可以反應(yīng)生成NH4Cl。又如，NH3和HCl能在氣相進行反應(yīng)，同樣也是溶劑論無法解釋的。三、酸堿質(zhì)子理論酸堿電離理論無法解釋非電離的溶劑中的酸堿性質(zhì)。針對這一點，1923年，丹麥化學(xué)家布朗斯特(J.N.Br?nsted)與英國化學(xué)家勞萊(T.M.Lorry)分別獨立的提出了酸堿質(zhì)子理論。他們認(rèn)為，酸是能夠給出質(zhì)子（H+）的物質(zhì)，堿是能夠接收質(zhì)子（H+）的物質(zhì)。可見,酸給出質(zhì)子后生成相應(yīng)的堿,而堿結(jié)合質(zhì)子后又生成相應(yīng)的酸。酸堿之間的這種依賴關(guān)系稱為共軛關(guān)系。相應(yīng)的一對酸堿被稱為共酸堿對。酸堿反應(yīng)的實質(zhì)是兩個共酸堿對的結(jié)合,質(zhì)子從一種酸轉(zhuǎn)移到另一種堿的過程。上式中酸堿稱為共軛酸堿對酸堿質(zhì)子理論很好的說明了NH3就是堿,因它可接受質(zhì)子生成HN4+。同時也解釋了非水溶劑中的酸堿反應(yīng)。與酸堿的電離理論和溶劑理論相比，布朗斯特的質(zhì)子理論較前人的酸堿理論已有了很大的進步，他不僅包括了水——電離理論的所有酸，還擴大了水——電離理論中堿的范圍。他還可以解釋溶劑論中不能解釋的不電離溶劑，甚至是無溶劑體系。它把酸堿反應(yīng)中的反應(yīng)物和生成物有機地結(jié)合起來，通過內(nèi)因和外因的聯(lián)系闡明了物質(zhì)的特征。由于質(zhì)子理論的論述方法比溶劑論直截了當(dāng)，明確易懂，實用價值大，因此被廣泛的用于化學(xué)教學(xué)和研究中。但是,質(zhì)子理論也有局限性,它只限于質(zhì)子的給予和接受,對于無質(zhì)子參與的酸堿反應(yīng)就無能為力了。四、酸堿電子理論任何理論都有它的局限性，不管是電離理論還是質(zhì)子理論,都把酸的分類局限于含H的物質(zhì)上。有些物質(zhì)如:SO3、BCl3,根據(jù)上述理論都不是酸,因為既無法在水溶液中電離出H+,也不具備給出質(zhì)子的能力,但它們確實能發(fā)生酸堿反應(yīng)如:SO3+Na2O=Na2SO4BCl3+NH3=BCl3·NH3這里BCl3，SO3雖然不含H但是也起著酸的作用。1923年美國化學(xué)家路易斯(G.N.Lewies)不受電力學(xué)說的束縛，結(jié)合酸堿的電子結(jié)構(gòu)，從電子對的配給和接受出發(fā)，提出了酸堿的電子理論。他是共價鍵理論的創(chuàng)建者，所以他更愿意用結(jié)構(gòu)上的性質(zhì)來區(qū)別酸堿。電子理論的焦點是電子對的配給和接受，他認(rèn)為：堿是具有孤對電子的物質(zhì),這對電子可以用來使別的原子形成穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)。酸則是能接受電子對的物質(zhì),它利用堿所具有的孤對電子使其本身的原子達到穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)。酸堿反應(yīng)的實質(zhì)是堿的未共用電子對通過配位鍵躍遷到酸的空軌道中,生成酸堿配合物的反應(yīng)。這一理論很好的解釋了一些不能釋放H的物質(zhì)本質(zhì)上也是算，一些不能接受質(zhì)子的物質(zhì)本質(zhì)上也是堿。同時也使酸堿理論脫離了氫元素的束縛。將酸堿理論的范圍更加的擴大。這就像以前人們一直把氧化反應(yīng)只局限在必須有氧原子參加一樣，沒有意識到一些并沒有氧參加的反應(yīng)本質(zhì)上也是氧化反應(yīng)。這使得化學(xué)的知識結(jié)構(gòu)更加的具有系統(tǒng)性。Lewis酸堿理論較電離理論、溶劑論、質(zhì)子論有了更大的擴展和完善，在現(xiàn)代化學(xué)中的應(yīng)用比較廣泛。在lewis酸堿理論的基礎(chǔ)上，人們發(fā)現(xiàn)了更為重要的軟硬酸堿理論，而軟硬酸堿與人們的生活密切相關(guān)，是人類必須深入研究的，這樣才能更好地服務(wù)于人類。五、軟硬酸堿理論1963年美國化學(xué)家皮爾松(R.G.Pearson)以lewis酸堿為基礎(chǔ)，把lewis酸堿軟、硬兩大類。把首電子原子體積小、正電荷高、極化力差的，也就是外層電子控制的緊的稱為硬酸；而收電子體積大、正電荷低或等于零、極化性高的，也就是外層電子控制的松的稱為軟酸。介于軟硬酸堿之間的稱為交界酸堿。上述對于軟硬酸堿的分類并不算絕對的，就像化學(xué)鍵一樣，離子鍵和共價鍵沒有絕對的界限，有的化合物即顯示一定的離子鍵所具有的性質(zhì)又能顯示共價鍵具有的性質(zhì)。因此軟硬酸堿之間存在一個過渡階段。例如，氨和水都屬于硬堿的范圍之內(nèi)，但相比較來說，氨比水較軟一些，只是目前我們還沒有足夠的實驗數(shù)據(jù)可以用來細致的進行軟硬酸堿的分類。因此，暫時也只能較粗略地進行分類，即所謂軟、交界、硬三類。雖然軟硬酸堿不能準(zhǔn)確的進行分類，但它們之間在結(jié)構(gòu)上存在著比較明顯的差異。在軟硬酸堿反應(yīng)的過程中，有一個很重要的經(jīng)驗性規(guī)律或原則，級所謂“軟硬酸堿原則”，這個原則的內(nèi)容可以經(jīng)驗的總結(jié)為“軟親軟，硬親硬，軟硬交界就不管”。所謂親就是容易和生成的物質(zhì)比較穩(wěn)定，如：硬酸Na+和硬堿Cl-等，但是軟與硬也不是絕對不反應(yīng)，只是產(chǎn)物不穩(wěn)等而已。幾乎所用的離子，分子和原子團都能歸納到軟硬酸堿中，這就大大擴展了酸堿的范圍，使酸堿理論更深，更明確。軟硬酸堿規(guī)則是一個經(jīng)驗性的總結(jié)，對解釋酸堿的反應(yīng)，酸堿加合物的穩(wěn)定性，起到了一定的預(yù)測和指導(dǎo)意義。但是它僅限于定性反應(yīng)應(yīng)用，并有一定的局限性和許多例外情況，目前還沒有定量和半定量的標(biāo)準(zhǔn)，有待進一步的研究和發(fā)展。至此人類對酸和堿的研究有了一套比較完整的理論體系，但人們從未停止過對酸堿的探討與深究，酸堿理論的研究伴隨著化學(xué)的成長也在不斷的成長著。探究酸堿的概念發(fā)展的長遠的歷史我們可以發(fā)現(xiàn)，人類的理論并不是一出來就是正確的，很多理論都是經(jīng)過一代又一代科學(xué)家加以改進，創(chuàng)新而得以進步的。就像18世紀(jì)非常流行的燃素理論一樣，燃素理論確實能夠解釋很多很多的事情，但是它其實還是錯的，那個理論是人們未了解事物的本質(zhì)的時候提出的。當(dāng)人們了解到氧氣的存在的時候，才發(fā)現(xiàn)燃素理論是徹底錯誤的。總之，我們要通過科學(xué)的探索解釋更多未知的同時，也要不斷的改進我們現(xiàn)有的理論，使之更加完善。這樣，科學(xué)才會不斷快速的向前發(fā)展。參考文獻：[1]《近代化學(xué)基礎(chǔ)》四川大學(xué)工科基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)中心編高等教育出版社出版[2]：《化學(xué)原理》<美>W.L.MASTERTONE.J.SLOWINSKI著北京大學(xué)出版社[3]《有機化學(xué)》<美>L.G.Wade.JR.著萬有志等譯[4] 李彬;酸堿理論的由