共轭酸碱

化合物

根据现代无机化学的定义:凡是能给出质子的物质都是酸,凡是能与质子结合的物质都是碱,酸与碱之间的这种关系称为酸碱共轭关系,相对应的酸碱称为共轭酸碱。

概念
布朗斯特(Brönsted)和劳莱(Lowry)在1923年提出的质子理论认为,凡是给出质子的任何物质(分子或离子)都是酸;凡是接受质子的任何物质都是碱。简单地说,酸是质子的给予体,而碱是质子的接受体。酸和碱之间的关系表示如下:
酸 =质子+ 碱
按照酸碱质子理论,属于酸的有:HCl、HAc、、HPO42-等。属于碱的有:NH3、[Al(H2O)5OH]2+、Cl-、Ac-、HPO42-、PO43-等。
同时还可以看出,酸和碱是统一在对质子的关系上:酸放出质子后变成了碱,而碱接受质子后就变成了酸。为了表示它们之间的联系,常把酸碱之间的这种关系叫做共轭酸碱。酸放出质子后形成的碱,叫做该酸的共轭碱;碱接受质子后形成的酸,叫做该碱的共轭酸。我们把相差一个质子的对应酸碱,叫做共轭酸碱。根据酸碱的质子理论,酸或碱可以是中性分子,也可以是阳离子或阴离子。既有酸的性质又有碱的性质的物质称为两性物质,同理,具有酸的性质又有碱的性质的溶剂为两性溶剂。酸或碱的失去质子或得到质子总是在某种溶剂中进行的,而两性溶剂分子之间本身就能发生质子的转移反应,即质子自递作用。
举例
酸碱质子论,酸和碱并不是彼此孤立的,而统一在对质子的关系上,这种关系可以表示为:
酸=碱 + 质子
即,酸给出质子后就成为碱,碱接受质子后就变成酸。满足上述关系的一对酸和碱称为共轭酸碱(conjugate acid-base pair)。
例如HCN-CN-就构成了一个共轭酸碱对。HCN是CN-的共轭酸(conjugate acid),反过来,CN-是HCN的共轭碱(conjugate base)。
又如:HClH++ HCl
HCOH+ HCO-
NHH++ NH
HPOH+ HPO-
[Al(HO)]H2++ [Al(HO)OH]+
从上面几对共轭酸碱可看出,质子酸可以是分子,如HCl,可以是阳离子,如NH4+,也可以是阴离子,如HPO42-;质子碱可以是分子,如NH,可以是阳离子,如[Al(HO)OH]+,也可以是阴离子,如HPO-等。
酸碱强弱
根据酸碱的质子理论,容易放出质子的物质是强酸,而该物质放出质子后就不容易形成碱,同质子结合能力弱,因而是弱的碱。换言之,酸越强,它的共轭碱就越弱;反之,碱越强,它的共轭酸就越弱。
根据酸碱质子理论,酸碱在溶液中所表现出来的强度,不仅与酸碱的本性有关,也与溶剂的本性有关。我们所能测定的是酸碱在一定溶剂中表现出来的相对强度。同一种酸或碱,如果溶于不同的溶剂,它们所表现的相对强度就不同。例如HAc在水中表现为弱酸,但在液氨中表现为强酸,这是因为液氨夺取质子的能力(即碱性)比水要强得多。这种现象进一步说明了酸碱强度的相对性。
意义和局限性
酸碱质子理论扩大了酸碱的含义及酸碱反应的范围,摆脱了酸碱必须发生在水中的局限性,解决了非水溶液或气体间的酸碱反应,并把在水溶液中进行的解离、中和、水解等类反应概况为一类反应,即质子传递式的酸碱反应。但是,质子理论只限于质子的放出和接受,所以必须含有氢,不能解释不含氢的一类化合物的反应。它包含了所有碱性的物质,是仍限制在含氢基础上。
应用
与电离理论最大的不同在于,质子理论里面只有酸碱的概念,而没有盐的概念。因此,在缓冲溶液中,缓冲对即为一对共轭酸碱对。实际上应用共轭酸碱对的概念,缓冲溶液可以只分成两类,即弱酸及其共轭碱和弱碱及其共轭酸两类。此外,在高浓度的强酸强碱溶液中,由于H+或OH-的浓度本来就很高,外加少量酸或碱不会对溶液的酸度产生太大的影响,在这种情况下,强酸强碱也是缓冲溶液,它们主要是高酸度(pH<2)和高碱度(pH>12)时的缓冲溶液。
共轭酸碱在缓冲原理中的应用
以HB—B-缓冲溶液体系为例,HB和B-的起始浓度很大,体系中存在共轭酸HB和它的共轭碱。根据酸碱反应的原则,不难知道,如果向此溶液中加入少量强酸时,溶液中的共轭碱可以接受H+,生成HB,从而抵抗H+对pH的影响。如果向此溶液中加入少量强碱时,溶液中的共轭酸HB可以接受羟基,生成B,从而抵抗OH对pH的影响。因为共轭酸碱对的存在,所以可以抵抗少量外加酸碱,从而保持缓冲溶液的pH值基本不变。
共轭酸碱在缓冲对选择中的应用
实际工作中需要制备某一pH值的缓冲溶液时,可按下列步骤进行:
按照电离理论,选择一种缓冲对,使其中弱酸(或弱碱)的pKa(或pKb)与所需要的pH(或pOH)相等或相近,如pKa或(pKb)与所需要的pH(或pOH)值不完全相等时,则按所要求的pH(或pOH)值,利用缓冲方程式,计算出所需的弱酸(或弱碱)和盐的浓度比。按照质子理论,仅仅将“盐”换成“共轭碱”(或“共轭酸”)而已。
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