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(有時用「HA」表示)的傳統定義是當溶解在中時,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)是非常危險的。酸可以和鹼發生中和作用,生成。酸可分為無機酸有機酸兩種。

酸的定義[編輯]

酸在化學中主要有以下三種定義:

  1. 阿倫尼烏斯(S. Arrhenius)酸。指的是溶解於時釋放出的陽離子全部氫離子(H+化合物
  2. 布朗斯特-勞里(Brønsted-Lowry)酸。這種定義認為能提供質子粒子是酸,能接受質子的粒子是。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。
  3. 路易斯(Lewis)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的存在。參看酸鹼電子論

酸的性質[編輯]

  • 帶有酸味
  • 酸性溶液(包含酸溶液)能使通用酸鹼指示劑變成偏暖色。主要是因為酸能釋放出氫離子(H+)。
其他指示劑:
  • 藍色石蕊試紙:酸能令藍色石蕊試紙(一種能顯示酸性的紙張)變成紅色。
  • 甲基橙:當pH值是0至3.1,酸能令甲基橙由黃色變成紅色;當pH值是3.1至4.4,酸能令甲基橙由黃色變成橙色。
  • 酸基本上對酚酞不會起顏色變化,維持無色,但當pH值小於0時,酚酞的顏色會轉變成橙紅色;在pH為0至8.2時為無色透明;在pH為8.2至12時為粉紅色;在pH為12以上為無色。
  • 所有酸的水溶液都能夠導電,這是由於氫離子及酸根離子的存在,它們可以在電極之間作電荷交換,從而導電。因此酸也是一種電解質
  • 和活潑金屬單質反應:
稀酸能與活潑金屬單質(如等)產生反應,生成氫氣
稀酸 +金屬→氫氣 +鹽
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,只有極稀的硝酸才會和金屬緩慢反應產生少量的氫氣。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。
  • K和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。
  • 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。
酸 +鹼→鹽 +水。主要是因為酸中的氫離子(H+)和中的氫氧根離子OH結合成水(H2O),是複分解反應
HCl + NaOH → H2O + NaCl
H+ + OH → H2O
酸 + 金屬氧化物→水 + 鹽
2H+ + O2− → H2O
2HCl + CuOCuCl2 + H2O
H2SO4 + CuO → CuSO4 + H2O
碳酸鹽 +稀酸→鹽 +二氧化碳 +水
Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 + H2O
Na2CO3 + H2SO4Na2SO4 + CO2 + H2O
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
CaCO3 + H2SO4CaSO4 + CO2 + H2O
碳酸氫鹽 +稀酸→鹽 +二氧化碳 +水
NaHCO3 + HCl → NaCl + CO2↑ + H2O
2NaHCO3 + H2SO4Na2SO4 + 2CO2↑+ 2H2O
Ca(HCO32 + 2HCl → CaCl2 + 2CO2↑ + 2H2O
Ca(HCO3)2 + H2SO4 → CaSO4 + 2CO2↑ + 2H2O
酸 +鹽→新鹽 +新酸(強酸弱酸
2HCl + Na2CO3 → 2NaCl + H2O + CO2
H2SO4 + Ba(ClO3)2BaSO4 + 2HClO3

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。

酸性與氫離子的關係[編輯]

  • 所有酸都能溶在水中產生水溶液且能導電,這證明了所有酸都可以在水中離解出離子。
  • 當酸和金屬反應會產生氫氣,該氫氣是源自酸的氫離子。
  • 所有酸的水溶液都是含有H3O+,只有這樣才能顯出酸的特性。
  • 純淨無水的酸都是含氫的共價分子結構化合物,它們溶於水中時會脫出其氫原子。
  • 酸溶液的氫離子濃度愈高,其酸度就愈高。

依電離氫離子數目分類[編輯]

鹽基度是一種酸的每個分子最多能電離出的氫離子的數目。

HCl → H+ + Cl
HNO3 → H+ + NO3
HNO2 → H+ + NO2
H2SO4 → 2H+ + SO42−
H2SO3 → 2H+ + SO32−
H2CO3 → 2H+ + CO32−
H3PO4 → 3H+ + PO43−
H8C6O7 → 3H+ + H5C6O73−

一元酸以外的酸都稱為二元酸多元酸

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

處理濃酸要注意的地方[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,先用干布拭去,再用大量清水沖洗傷口,再用小蘇打溶液沖洗,嚴重則要立即送醫治理。

常見的無機酸[編輯]

強酸[編輯]

常見的強酸──硫酸的立體模型

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,諸如玻璃及除了以外的所有金屬[2]

強酸在水溶液中完全離解化學方程式如下所示:

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[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:

  1. 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。
  2. 原子半徑:原子半徑增加,其酸度也會增加。以氫氯酸氫碘酸為例,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。
  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。

Acidity Grade[編輯]

Acidity Grade,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


AG= \log {[\mbox{H}^+] \over [\mbox{OH}^-]}\,\!

式中[\mbox{H}^+]\,\![\mbox{OH}^-]\,\!分別代表氫離子氫氧根離子物質的量濃度

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[編輯]

(從最強到最弱)

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):

參考[編輯]

  1. ^ Christopher A. Reed. Carborane acids. New "strong yet gentle" acids for organic and inorganic chemistry (Full article (reprint)). Chem. Commun.: 1669–1677. doi:10.1039/b415425h. 
  2. ^ Strachan, John. A deadly rinse: The dangers of hydrofluoric acid. Professional Carwashing & Detailing. January, 1999 [2008-04-30]. 
  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[編輯]