基于酸堿質子理論的酸堿反應及其溶液pH的探討

申揚帆

【摘要】本文以酸堿質子理論為基礎，闡述了酸堿的強度、酸堿反應的類型及方向，并詳細地探討了各種類型酸堿反應后溶液pH的計算方法。

【關鍵詞】 質子理論 酸堿反應 pH

【中圖分類號】O61 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）03-0189-01

無機化學反應多數是在水溶液中進行的，參與這些反應的物質主要是酸、堿、鹽。酸堿反應是無機化學最常見且非常重要的一大類型反應。隨著科學的發展，酸堿的范圍越來越廣泛，越來越多的化學物質被列入酸堿的范圍之內，因此大量的化學變化也歸納于酸堿反應的范疇之中。本文以酸堿質子理論為基礎，就酸堿強度、酸堿反應及反應后溶液的pH等問題，做如下探討。

1.酸堿質子理論的基本要點

根據Bronsted-Lowry酸堿質子理論的觀點：凡能給出質子（H+）的物質稱為酸；凡能接受質子（H+）的物質稱為堿。如：HCl、HAc、NH■■、HCO■■、HSO■■等都是酸；Cl-、Ac-、NH3、CO■■、SO■■等都是堿。所以質子理論中的酸和堿既可是中性分子也可是陰、陽離子，且沒有鹽的概念。并把僅相差一個質子的對應酸、堿稱為共軛酸堿對。即：

酸？葑堿+質子

酸堿質子理論認為：每一個共軛酸堿對都是構成酸堿反應的半反應，共軛酸堿對的半反應是不能單獨存在的。因為酸不能自動放出質子，堿也不能自動接受質子，只有酸、堿同時存在時，酸堿的性質才能通過質子轉移而體現出來。可見，質子理論中的酸堿反應，其實質就是兩個共軛酸堿對之間的質子傳遞反應。

2.酸堿的強度

酸堿的強弱不僅取決于酸堿本身釋放質子和接受質子的能力，同時也取決于溶劑接受和釋放質子的能力。因此要比較各種酸、堿的強度，必須固定溶劑。一般以水作為溶劑，測定各種弱酸弱堿的電離常數，根據電離常數數值的大小，即可比較酸堿的強弱。相同條件下，酸的酸性越強，其共軛堿的堿性越弱；反之，亦然。

3.酸堿反應的類型

根據參加反應的酸堿的強弱，酸堿反應主要可以分為以下三種類型：

3.1強酸和強堿的反應

強酸和強堿在水溶液中完全離解出H+和OH-，OH-有強烈接受質子（H+）傾向，所以強酸強堿的反應實質上就是強酸的質子（H+）傳遞給強堿的OH-生成H2O的反應，即：

H+ （aq） + OH- （aq） =H2O（l）

其平衡常數K=■=■=1.0×1014。由于其K值很大，所以反應進行得很徹底。

3.2強酸和弱堿的反應

強酸和弱堿的反應，其實就是該弱堿之共軛酸的電離平衡的逆反應或Arrhenius酸堿電離理論中的強酸弱堿鹽的水解反應的逆反應。反應平衡常數是共軛弱酸電離常數的倒數或該水解平衡常數的倒數。例如，HCl和NaAc發生下列反應：

H++Ac-？葑HAc

k=■=■=■=5.68×104

因此，強酸與弱堿的反應，弱堿的堿性越強（Kb 越大），或其共軛酸酸性越弱（Ka 越小），則反應進行得越徹底。這也是強酸置換弱酸的反應。

3.3 強堿與弱酸的反應

強堿與弱酸的反應，實際上是Arrhenius酸堿電離理論中的強堿弱酸鹽的水解反應的逆反應，反應平衡常數就是該水解平衡常數的倒數。例如：

OH-+HAc？葑Ac-+H2O

k=■=■=■=■=1.76×109

3.4弱酸與弱堿的反應

弱酸與弱堿的反應實際上是較強的弱酸置換較弱的弱酸或較強的弱堿置換較弱的弱堿的反應。例如：

HAc+CN-？葑HCN+Ac-

其中K =■=■=3.57×104反應平衡常數很大，能向右進行。

較強的弱酸的酸性越強（Ka 越大）、置換出的較弱的弱酸酸性越弱（Ka 越小），反應的平衡常數越大，反應進行得越徹底。這實際也是較強酸置換較弱酸的反應。

綜上所述：酸堿反應總是由較強的酸和較強的堿向生成較弱的酸和較弱的堿的方向進行。且其酸性或堿性越強，這種置換反應進行得越徹底。

4.酸堿反應后溶液的pH

不少酸堿反應的平衡常數都較大，因此常利用酸堿反應（主要是強酸與強堿的反應、強酸與弱堿的反應、強堿與弱酸的反應）來進行酸或堿的定量分析和制備化合物。這就涉及到酸堿反應后溶液的pH的計算問題，主要有以下兩種情況：

4.1酸與堿按酸堿反應方程式前的系數比反應

4.1.1強酸與強堿完全反應而無剩余時，溶液呈中性，pH=7。

4.1.2強酸與弱堿完全反應而無剩余時，產物中有弱酸，這時溶液呈酸性，溶液的pH可按弱酸的電離平衡來計算。

4.2酸堿反應后酸或堿過量

4.2.1強酸與強堿反應，強酸或強堿過量：由于反應生成的產物是中性的，則溶液的pH是由剩余的強酸或強堿的濃度來決定。

4.2.2強酸與弱堿或強堿與弱酸的反應，強酸或強堿過量：則過量的強酸或強堿將抑制由反應產生的弱酸或弱堿的電離（或水解）。因此，溶液的pH主要由剩余的強酸或強堿的濃度來決定。如剩余的強酸或強堿的濃度極稀時，則應考慮水的電離。

酸堿質子理論不僅擴大了酸堿的范圍，揭示了酸和堿的對立統一關系，而且還擴展了酸堿反應的范圍，統一了水溶液中的一些反應。如：水溶液中的電離反應、中和反應、鹽的水解反應以及酸堿參與的復分解反應都可看成是質子傳遞的酸堿反應。此外，質子理論也能像電離理論一樣，應用平衡常數來定量地衡量在某溶劑中酸和堿的強度，這是質子理論得到廣泛應用的原因。

在生產和科學研究中，控制和測定溶液的pH非常重要。如在藥物分析和藥物制劑中，經常需要控制溶液的pH。所以溶液pH的計算是《無機化學》中有關計算部分的重點內容，而各類酸堿反應后溶液pH的計算又是其中的難點，本文的探討解決了這個難點。

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