酸
酸(有时用“HA”表示)的传统定义是当溶解在水中时,溶液中氢离子的浓度大于纯水中氢离子浓度的化合物。换句话说,酸性溶液的pH值小于7。 酸一般呈酸味,但是品尝酸(尤其是高浓度的酸)是非常危险的。酸可以和碱发生中和作用,生成水和盐。酸可分为无机酸和有机酸两种。
- 氢氯酸,硫酸和硝酸都被称为矿酸,因为它们从前都是透过矿物制得的。
- 浓酸具腐蚀性,而稀酸则具刺激性(注意:稀氢氟酸也具有腐蚀玻璃的能力)。
[编辑] 酸的定义
酸在化学中主要有以下三种定义:
- 阿伦尼乌斯(S. Arrhenius)酸。指的是溶解于水时释放出的阳离子全部是氢离子的化合物。
- 布朗斯特.劳里(Brønsted-Lowry)酸。这种定义认为能提供质子的粒子是酸,能接受质子的粒子是碱。参看酸碱质子论。它比阿伦尼乌斯的定义要广泛,因为这种定义下的酸包含了不溶于水的物质。
- 路易斯(Lewis)酸。酸被定义为电子的接受者,这是范围最广泛的定义,因为路易斯酸碱不需要氢或氧的存在。参看酸碱电子论。
[编辑] 酸的性质
- 酸性溶液(包含酸溶液)能使通用酸碱指示剂变成偏暖色。主要是因为酸能释放出氢离子(H+)。
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- 其他指示剂:
- 蓝色石蕊试纸:酸能令蓝色石蕊试纸(一种能显示酸性的纸张)变成红色。
- 甲基橙:当pH值是0至3.1,酸能令甲基橙由黄色变成红色;当pH值是3.1至4.4,酸能令甲基橙由黄色变成橙色。
- 酸基本上对酚酞不会起颜色变化,维持无色,但当pH值小于0时,酚酞的颜色会转变成橙红色;在pH为0至8.2时为无色透明;在pH为8.2至12时为粉红色;在pH为12以上为无色。
- 所有酸的水溶液都能够导电,这是由于氢离子及酸根离子的存在,它们可以在电极之间作电荷交换,从而导电。因此酸也是一种电解质。
稀酸能与部分金属单质(多是活性高于铜Cu的金属,如钙Ca、镁Mg、铁Fe、锌Zn等)产生反应,生成盐和氢气。
金属活性序(由高至低):钾K、钠Na、钙Ca、镁Mg、铝Al、锌Zn、铁Fe、锡Sn、铅Pb、铜Cu、汞Hg、银Ag、铂Pt、金Au)
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- 稀酸 + 金属 → 氢气 + 盐
- 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
- 稀酸不会和铜、汞、银、铂、金等金属反应。稀硝酸和金属的反应比较特别,它会和金属产生氧化还原反应,生成一氧化氮NO(无色气体)而不会产生氢气,只有极稀的硝酸才会和金属缓慢反应产生少量的氢气。因此在工业中很少用硝酸直接与金属接触制备硝酸盐,多利用置换反应制造。
- 要注意的是金属单质铅Pb和稀酸(特别是硫酸H2SO4和盐酸HCl)的反应中,基于铅的活性什低,起初反应速度十分缓慢,而这反应还会在很短时间内停止。因为氯化铅PbCl2和硫酸铅PbSO4也是不水溶性的固体,它会覆盖在金属铅表面形成保护膜阻止了金属铅与酸反应,而令该反应逐渐停止。
- 钾K和钠Na由于太过活跃,会和稀酸产生危险的爆炸性反应,因此工业上不会利用此方法制备钾盐和钠盐。
- 铝虽然也是十分活跃,但它一暴露在空气中就会与空气中的氧气生成致密氧化物保护膜,也会阻止了之后酸和金属铝的接触反应,所以金属铝不在此列。铝 能够与稀的强酸(如稀盐酸,稀硫酸等)进行反应,生成氢气和相应的铝盐。在常温下,铝在浓硝酸和浓硫酸中被钝化,不与它们反应,所以浓硝酸是用铝罐(可维 持约180小时)运输的。
- 酸 + 碱 → 盐 + 水。主要是因为酸中的氢离子(H+)和碱中的氢氧根离子OH-结合成水(H2O),是复分解反应。
- HCl + NaOH → H2O + NaCl
- H+ + OH- → H2O
- 酸 + 金属氧化物 → 水 + 盐
- 2H+ + O2- → H2O
- 2HCl + CuO → CuCl2 + H2O
- H2SO4 + CuO → CuSO4 + H2O
- 碳酸盐 + 稀酸 → 盐 + 二氧化碳 + 水
- Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 + H2O
- Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + CO2 + H2O
- CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
- CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + CO2 + H2O
- 碳酸氢盐 + 稀酸 → 盐 + 二氧化碳 + 水
- NaHCO3 + HCl → NaCl + CO2 + H2O
- 2NaHCO3 + H2SO4 → Na2SO4 + 2CO2 + 2H2O
- Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2CO2 + 2H2O
- Ca(HCO3)2 + H2SO4 → CaSO4 + 2CO2 + 2H2O
- 酸 + 盐 → 新盐 + 新酸(强酸 → 弱酸)
- 2HCl + Na2CO3 → 2NaCl + H2O + CO2↑
- H2SO4 + Ba(ClO3)2 → BaSO4 + 2HClO3
[编辑] 食物中的酸
所有存在于天然食物中的有机酸都是弱酸。
[编辑] 酸性与氢离子的关系
- 所有酸都能溶在水中产生水溶液且能导电,这证明了所有酸都可以在水中离解出离子。
- 当酸和金属反应会产生氢气,该氢气是原自酸的氢离子。
- 所有酸的水溶液都是含有氢离子,只有这样才能显出酸的特性。
- 纯净无水的酸都是含氢的共价分子结构化合物,它们溶于水中时会脱出其氢原子。
- 酸溶液的氢离子浓度愈高,其酸度就愈高。
[编辑] 依电离氢离子数目分类
盐基度是一种酸的每个分子最多能电离出的氢离子的数目。
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- HCl --> H+ + Cl -
- HNO3 --> H+ + NO3-
- HNO2 --> H+ + NO2-
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- H2SO4 --> 2H+ + SO42-
- H2SO3 --> 2H+ + SO32-
- H2CO3 --> 2H+ + CO32-
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- H3PO4 --> 3H+ + PO43-
除一元酸以外的酸都称为二元酸或多元酸。
[编辑] 浓酸的危险性
- 浓酸都大多有强烈腐蚀性,如浓硫酸,它们都能对人体造成严重的化学烧伤。
- 浓酸的特性:
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- 浓氢氯酸含35%氯化氢分子,浓度约为11M,是无色液体,具高度挥发性和腐蚀性。
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- 浓硝酸含70%HNO3分子,浓度约为16M,是无色液体(但很多时候因有分解反应令浓硝酸溶有红棕色的二氧化氮),具高度挥发性,易分解出有毒的二氧化氮气体,硝酸有极强氧化性,因此造成极强腐蚀性。自我分解反应如下:4 HNO3 → 2 H2O + 4 NO2 + O2
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- 浓硫酸含98%硫酸分子,浓度约为18M,是无色油状液体,不具挥发性,导电性能极低,但具极强的腐蚀性、氧化性和脱水性。
[编辑] 处理浓酸要注意的地方
- 浓酸应安放在烟橱中。
- 人手处理浓酸时要戴防护手套和安全眼镜。
- 稀释浓酸时,是要慢慢地把浓酸加入搅动中大量水中而不能相反,否则可引致沸腾,水连同强酸溅出可引致极大的危险。
- 若被强酸溅到人体,先用干布拭去,再用大量清水冲洗伤口,再用小苏打溶液冲洗,严重则要立即送医治理。
[编辑] 常见的无机酸
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[编辑] 强酸
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强酸,是指在水溶液中完全电离的酸(硫酸这类多元酸不在此限),或以酸度系数的概念理解,则指pKa值 < −1.74的酸。这个值可以理解为在标准状况下,氢离子的浓度等同于加入强酸后的溶液浓度。
大部分强酸均是腐蚀性的,但当中亦有例外。例如超强酸当中的碳硼烷酸(H(CHB11Cl11),其酸性比硫酸高百万倍,但却完全不带有腐蚀性[1];相反,弱酸当中的氢氟酸(HF)却带有高度腐蚀性。它能够溶解极大部分的金属氧化物,诸如玻璃及除了铱以外的所有金属[2]。
强酸在水溶液中完全离解的化学方程式如下所示:
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- HA(aq) → H+(aq) + A−(aq)
一般酸不会在水中完全离解,因此多以化学平衡而不是完全反应的形式表示,弱酸就是指不完全离解的酸。用酸度系数作为区别强酸与弱酸的作用并不明显(因为数值差距较难理解及不明显),因此用方程式去区别两者更为合理。
由于强酸在水溶液中完全离解,因此氢离子在水中的浓度等同于将该酸带到其他的溶液当中:
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- [HA] = [H+] = [A−];pH = −log[H+]
[编辑] 酸性强度的判别
除了透过计算pH值来衡量不同酸的强度外,透过观察以下的性质也可以判别出不同类别的酸的强度:
- 电负性:在同一元素周期下其共轭碱的负电性愈高,它的酸度就愈高。
- 原子半径:原子半径增加,其酸度也会增加。以氢氯酸及氢碘酸为例,两者均是强酸,在水中均会电离出100%的相应离子。但是氢碘酸的酸度比氢氯酸要强,这是因为碘的原子半径远大于氯的原子半径。带有负电荷的碘阴离子拥有较离散的电子云,因此与质子(H+)的吸力较弱,因此,氢碘酸电离(去质子化)的速度更快。
- 电荷:电离后的物质愈带有正电荷,就愈高酸度。因此中性离子较阴离子容易放出质子,阳离子也比起其他分子均具有更高酸度。
[编辑] 常见强酸
(从最强到最弱)
- 高氯酸 HClO4
- 氢碘酸 HI
- 氢溴酸 HBr
- 氢氯酸 HCl
- 硫酸 H2SO4 (Ka1/只限于第一酸度系数)
- 硝酸 HNO3
- 水合氢离子 H3O+ 或 H+。为方便起见,通常会以 H+取代H3O+。但要注意的是,单独而孤立的质子在带有极性的水中不可能存在,而是常与水分子的其中一对孤偶电子对结合。这使在水合氢离子中的氧的形式电荷为+1。
- 一些化学家将氯酸(HClO3),溴酸(HBrO3),高溴酸 (HBrO4),碘酸 (HIO3),和高碘酸 (HIO4)也列为强酸,但是没有被公认。
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超强酸通常指酸性比纯硫酸更强的酸。简单的超强酸包括三氟甲磺酸(CF3SO3H)和氟磺酸(FSO3H),它们的酸性都是硫酸的上千倍。在更多的情况下,超强酸不是单一纯净物而是几种化合物的混合物。
超强酸这一术语由詹姆斯·布莱恩特·科南特(James Bryant Conant)于1927年提出。乔治·安德鲁·欧拉因其在碳正离子和超强酸方面的研究获得1994年诺贝尔化学奖。
常见的超强酸(从最强到最弱):
[编辑] 参考