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酸碱理论&Ka、Kb、pKa、pKb

 当以读书通世事 2023-07-12 发布于甘肃

酸碱质子理论

由Brønsted和Lowry提出,理论指出酸贡献质子,碱接受质子。每种酸都有与其对应的的共轭碱,每种碱也都有与其对应的共轭酸。HA是一种酸,则A是其共轭碱;B是一种碱,则BH+是其共轭酸。

pH以对数的形式H+浓度进行描述,pH=-lg[H+]纯水25°CpH 7.00,此时[H+] = [OH] = 10−7 mol dm−3,两者的乘积被称为水的电离常数Kw,其值为 10−14mol2 dm6

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酸的解离常数

酸的解离常数Ka=[A-][H+]/[HA],由于Ka数值经常为10n次方,运用时不方便,就诞生了pKapKa=-lgKa酸的pKa定义为酸电离50%时的pH,此时酸与其共轭碱浓度相同,即[HA]=[A-],则解离常数Ka=[A-][H+]/[HA]=[H+],因此pKa=-lgKa=-lg[H+]=pH

1mol的水具有18 g的质量,并占据18 cm3。因此,在1 dm3内,有1000/18 =55.56 mol,因此水的浓度是55.56 mol dm−3。那么水的Ka[H+][OH]/[H2O] = 10−14/55.5,则pKa = – lg[10−14/55.5] = 15.7,也就是说在pH=15.7[H2O][OH]浓度相同。

下图画出了HA(绿色曲线)和其共轭碱A(红色曲线)的浓度在pH变化时占总浓度的比例pH高于酸的pKa的溶液中,酸较多地以其共轭碱(A)存在,在pH低于酸的pKa的溶液中,酸较多地以HA存在。在pKa下,HAA的浓度相同。

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一般认为pKa小于1的酸为强酸,pKa大于4的酸为弱酸。酸越强,则Ka越大,pKa越小。越强的酸对应的共轭碱则越弱,这也意味着它的共轭碱更稳定。

响酸pKa的因素

  • 共轭碱A的稳定性。共轭碱的稳定性可以通过负电荷带在负电性原子上,或负电荷被离域到几个原子、基团上而提升。共轭碱越稳定,酸性就越强。

  • H-A键的强度。化学键越容易断裂,酸就越强。

  • 溶剂。溶剂对共轭碱阴离子的稳定化作用越好,电离也就越容易。

碱的解离常数

通常用Kb表示碱的解离常数,Kb=[BH+][OH-]/[B]Kb越大,pKb越小,碱性越强。对于一对共轭酸碱对而言,通过公式推导可知pKa+pKb=pKw=14(25℃)。例如当NH3做碱时pKb4.75,生成共轭酸NH4+NH4+pKa9.25,两者之和为14

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但人们有时依然习惯用pKa表示碱性的强弱,此处的pKa并不代表碱的pKa,而是指其共轭酸的pKa,共轭酸的pKa越大,则碱的pKb越小,碱的碱性越强。当然对于有些分子即可做酸,也可做碱,例如苯胺做酸时会电离产生H+,其pKa=28,此时的pKa指其作为酸的pKa。当苯胺做碱时,其pKa=4.6,此时的Pka实际指的是其共轭酸的pKa

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酸碱电子理论

Brønsted-Lowry酸碱理论存在一定的局限性,其只适用于有质子、存在溶剂的情况。而Lewis提出的酸碱电子理论则更具有普遍性,其指出凡是能够接受电子的为Lewis酸,凡是能够贡献电子的为Lewis

Lewis酸有以下几种类型:分子,如BF3AlCl3FeCl3等;金属离子,如Ag+Cu2+等;正离子,如R+R-C+=OH+等。Lewis碱有以下几种类型:具有孤电子对的化合物,如NH3、ROH、ROR等;负离子,如OH-RO-R-等;烯或芳香化合物等。

BF3是一种简单的Lewis 酸。硼与氟形成三根化学键,并具有空p轨道,外层只有六个电子因而是不稳定的,醚会将其孤对电子贡献给BF3的空p轨道,从而形成配合物。在这个过程中,醚贡献了电子(LewisBF3接受了电子(Lewis )。

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软硬酸碱理论

简称HSABHard-Soft Acid and Base)理论,由Pearson提出,其将酸、碱分为硬、软两种。硬酸是指那些体积小、正电荷高、束缚外层电子更为牢固的粒子,反之为软酸。软碱是指那些体积大、电负性低、外层电子更为松散的粒子,反之为硬碱。

同等条件下,软酸易与软碱反应,而硬酸易与硬碱反应。即“软亲软,硬亲硬”。常见的软酸如Cu+Ag+Br2等,硬酸如H+Fe3+BF3等,软碱如H-I-CN-等,硬碱如OH-NO3-ROH等,此外还有一些交界酸碱,如Fe2+Br-等。软硬酸碱理论在判断化学反应方向及速度、解释物质稳定性及溶解性等方面应用较多。然而由于其是一个定性的经验规则,没有软硬的定量标度,难以确定软硬程度,应用受到一定限制。

参考资料:

[1] Hernan D.Biava, Principles of Chemistry II

[2] Jonathan Clayden etal., Organic Chemistry

[3] 邢其毅,基础有机化学

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