1.4.4 酸碱反应 Acid-Base Reaction

酸和碱是是化学中的两类重要物质。对酸和碱的研究是化学中最古老的课题之一，随着化学的发展，对酸和碱的定义也在不断拓展。目前有3种常用的定义：阿伦尼乌斯酸碱理论（Arrhenius Acid-Base Theory），布伦斯惕和洛里酸碱理论（Brønsted-Lowry Acid-Base Theory），路易斯酸碱理论（Lewis Acid-Base Theory）。其中，最常用的酸碱理论是布伦斯惕酸碱理论。

酸和碱的反应称作酸碱反应（Acid-Base Reaction）。

阿伦尼乌斯酸碱理论认为：阿伦尼乌斯酸是在水中电离形成氢离子（hydrogen ions，H⁺）。而阿伦尼乌斯碱在水中电离形成氢氧根离子（hydroxide ion，OH^-）。[1]这也是中学时代对酸碱的定义。

常见的阿伦尼乌斯酸包括HCl（氯化氢，水溶液称作盐酸），HNO₃（硝酸），H₂SO₄（硫酸），CH₃COOH（乙酸，醋酸，醋的酸性来源）等。

常见的阿伦尼乌斯碱包括NaOH（氢氧化钠，烧碱），KOH（氢氧化钾），Ca(OH)₂（氢氧化钙，熟石灰，水浊液称作石灰水）等。

注：“阿伦尼乌斯酸”指阿伦尼乌斯酸碱理论定义的酸。下同。

纯水呈中性，即，H⁺和OH^-的浓度相等。酸的水溶液呈酸性，即，在酸溶液中H⁺离子的浓度高于OH^-离子的浓度。碱的水溶液呈碱性，即，在碱溶液中OH^-离子的浓度高于H⁺离子的浓度。

化学中，常用pH值来描述水溶液中的酸碱度，溶液的pH值=-log₁₀(a_H⁺) ≈ -log₁₀(c_H⁺)

其中，a_H⁺为溶液中H⁺的活度，c_H⁺为溶液中H⁺的浓度。

25°C时，纯水的pH=7，酸的pH<7，而碱的pH>7。pH值越小，溶液的酸性越强，H⁺的浓度越高。pH值越大，溶液的碱性越强，OH^-的浓度越高。由于H⁺与OH^-之间会发生可逆反应，所以，增加OH^-的浓度会降低H⁺的浓度，反之亦然。

后续章节将对活度和可逆反应做进一步讨论。

阿伦尼乌斯酸和阿伦尼乌斯碱的酸碱反应称作中和反应（Neutralization Reaction）。阿伦尼乌斯酸和阿伦尼乌斯碱在水中反应，生成水和盐。常见的中和反应包括：

HCl和NaOH反应：HCl(aq) + NaOH(aq) → H₂O(l) + NaCl(aq)

HNO₃和Ca(OH)₂反应：HN₃(aq) + Ca(OH)₂(aq) → H₂O(l) + Ca(NO₃)₂(aq)

中和反应属于复分解反应，其实质是阿伦尼乌斯酸的氢离子和阿伦尼乌斯碱的氢氧根离子结合生成水，所有的中和反应的离子方程式都可以写成：

H⁺(aq) + OH^-(aq) → H₂O(l)

思考1：请写出H₃PO₄和Mg(OH)₂的反应的化学方程式和离子方程式，注意配平。相信读者可以感受到离子方程式的简洁性。

阿伦尼乌斯酸碱理论是最简单的酸碱理论。但其只考虑了水溶液的情况，对于非水溶液中发生的酸碱反应（比如HCl和NH₃的气体反应）则缺乏定义。此外，Na₂CO₃等盐类不直接电离出OH^-，但由于水解效应，其水溶液呈碱性，且可以与酸发生反应。

由于阿伦尼乌斯酸碱理论的局限性，布伦斯惕和洛里的酸碱理论（Brønsted-Lowry Acid-Base Theory）给出了更广泛的酸碱定义：布伦斯惕酸是一个能够给出质子的物质，而布伦斯惕碱是一个能够接受质子的物质。[1]

为了强调布伦斯惕酸是可以直接给出质子的酸，为了与下文中的路易斯酸区分，往往又称布伦斯惕酸为质子酸（Protonic Acid）。

注：在水环境中交换的质子往往是水合质子，即水合氢离子H₃O⁺。

布伦斯惕酸碱反应的实质是从酸中除去质子并将其添加到碱中。所有的酸碱反应都可以写成：

HA + B → A + HB

其中HA代表酸，B代表碱， HB代表B的共轭酸（conjugate acid），A代表A的共轭碱（conjugate base）。此方程省略了各物质可能的电荷。

布伦斯惕的定义拓展了酸碱反应。比如，HCl在水中电离，且将质子给出至水分子的反应也是布伦斯惕酸碱反应。其中，HCl是布伦斯惕酸，H₂O是布伦斯惕碱，H₃O⁺是H₂O的共轭酸，Cl^-是HCl的共轭碱。

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^-

思考2：请指出下列反应中的布伦斯惕酸和布伦斯惕碱。

NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH^-

H2O + H2O → H3O⁺ + OH^-

由于布伦斯惕酸碱反应中，酸和碱的量严格相等，所以可以利用此来定量测量布伦斯惕酸或布伦斯惕碱的浓度。由此衍生出的酸碱滴定法（Acid-Base Titration）是化学实验中最常用的定量分析方法之一。

后续章节将对酸碱滴定作进一步讨论。

布伦斯惕酸碱理论是最常用的酸碱理论，但其也有局限性，比如其不能描述不涉及质子的酸碱反应（比如NH₃和BF₃的反应）。路易斯酸碱理论给出了进一步广泛的酸碱定义：路易斯酸是一个能够接受电子对的物质，而路易斯碱是一个能够给出电子对的物质。[1]路易斯酸碱反应的实质是电子对的转移。

比如，NH₃是路易斯碱，BF₃是路易斯酸，因为NH₃的氮原子上有一个孤对电子，BF₃的硼原子上有一个空轨道，可以填充一对电子。在NH₃与BF₃的反应中，NH₃的孤对电子可以提供给BF₃的空轨道，形成配位键。

NH₃ + BF₃ → BF₃-NH₃

后续章节将对配位键和配合物作进一步讨论。

注：虽然理论上来说，“路易斯酸”应为所有能接受电子对的物质，但在文章中，当提到“路易斯酸”一词时，往往暗指其是非布伦斯惕酸，即不能给出质子的酸。与之相对，能给出质子的酸则为“布伦斯惕酸”，或“质子酸”。

思考1答案：

2H₃PO₄(aq) + 3Mg(OH)₂(aq) → 6H₂O(l) + Mg₃(PO₄)₂(aq)

H⁺(aq) + OH^-(aq) → H₂O(l)

思考2答案：

NH₃是布伦斯惕碱，H₂O是布伦斯惕酸。

H₂O既是布伦斯惕酸，也是布伦斯惕碱。

对本节内容有贡献的科学家包括：

阿伦尼乌斯，布伦斯惕，洛里，路易斯：提出酸碱理论，定义酸碱。

索伦森：引入“pH值”概念