淺談酸堿理論的發展及其意義

于曉洋，羅亞楠，楊艷艷，金 華，任 紅

(吉林化工學院，吉林 吉林 132022)

酸和堿是無機化學中最重要的基本概念之一，在人們的日常生活及工農業生產中都占有重要的地位和意義。人們在認識酸和堿的過程中，逐步發展和創立了多種學說理論[1]。

1 早期的酸堿概念

人們最初對酸堿的認識是從反應現象、特征入手的。當時發現有一類物質在水溶液中表現出強烈的"酸味"，人們稱之為酸。而把另外一類在水溶液中具有肥皂一樣滑膩的物質稱為"堿"。當把酸堿物質混合時，它們能相互作用生成既沒有酸的特征也沒有堿的特征的，并具有鹽味的產物。

17世紀末，英國的化學家波義耳(R. Boyle)根據大量實驗現象第一次總結提出了樸素的酸堿定義：“凡物質的水溶液能溶解某些金屬，與堿接觸會失去原有特性，而且能使石蕊試液變紅的物質叫酸；凡物質的水溶液有苦澀味，能腐蝕皮膚，與酸接觸會失去原有特性，而且能使石蕊試液變藍的物質叫堿”。

18世紀末，法國化學家拉瓦錫(A. L. Lavoisier)根據他的"燃素"的觀點提出"酸素"的說法，所有的酸都含有酸素即氧。

1789年，化學的化學家貝托雷確定了氫氰酸的成分，發現氫氰酸并不含有氧，但是其水溶液卻有微弱的酸性，據此說明了酸并不一定含有氧。

1815年，英國化學家戴維(H. Davy)注意到構成酸的關鍵元素是氫，他認為：“判斷一種物質是不是酸，要看它是否含有氫”。

1838年，德國化學家李比希(J. Liebig)認為："所有的酸都是氫的化合物，但其中的氫必須是能夠很容易的被金屬所置換的"。這個概念彌補了戴維的不足，也可算作第一個比較滿意的酸的定義，而且這個定義一直沿用了50多年，直到現在看起來也基本符合酸的特征，但是卻無法解釋酸的強弱問題。

到19世紀80年代瑞典化學家阿累尼烏斯(S. A. Arrhenius)提出電離理論，在此基礎上，人們才從化學觀點認識到酸堿的特征，建立了近代酸堿理論的概念。

2 近代酸堿理論

2.1 酸堿電離理論

1887年，瑞典化學家阿累尼烏斯提出酸堿的電離理論：凡是在水溶液中產生H+的物質叫做酸，在水溶液中產生OH-的物質叫做堿。酸堿中和反應實質就是H+和OH-結合生成中性水分子的過程。該理論是建立在電離理論基礎之上的。它從定量的角度描寫了酸堿的性質和它們在化學反應中的行為，并由此引出了酸堿強度，電離度，pH等一系列的化學概念，對生產實際和科學研究都有著廣泛的應用，在酸堿理論發展史上具有里程碑的意義，使人們對酸堿的認識步入了科學的軌道。

但是該理論的缺陷：只承認提供水溶性OH-的物質是堿，而不承認像Ac-、F-、以及NH3那樣的物質也是堿，不能說明HCl和NH3之間的酸堿反應。在解釋氨水的堿性時，錯誤的認為氨水中存在著弱電解質“氫氧化銨”。也不能解釋非水質子溶劑和非質子溶劑中的酸堿反應，更不能闡明根本不存在溶劑的酸堿反應體系。比如固態的BaO和液態或者氣態的SO3反應生成BaSO4。另外，我們現在也知道，酸在水溶液中也不能產生游離的H+。因為H+是一個半徑極小，電荷密度很大的裸核，在水中不可能穩定的存在，以H3O+離子形式存在。

2.2 酸堿溶劑體系理論

1905年，英國化學家富蘭克林(E. C. Franklin)提出了酸堿的溶劑理論。該理論認為：凡是能產生該溶劑的特征陽離子的物質是酸，產生該溶劑的特征陰離子的物質是堿。酸堿反應的實質是溶劑的特征陽離子和特征陰離子結合生成溶劑分子。

CsSO3和SOCl2在液態SO2中分別按下式解離：

因此CsSO3是堿，而SOCl2是酸，二者可以進行酸堿中和反應和滴定：

該理論的最大缺陷是只能適用于那些可以發生自電離的溶劑體系中。對于發生在烴類和醚類等溶劑中的酸堿反應，溶劑體系理論無法解釋，這就可以借助于更具有普遍意義的路易斯酸堿電子理論來說明。

2.3 酸堿質子理論

通過比較酸堿的電離理論，溶劑體系理論和酸堿質子理論可以看出，電離理論只是水作為溶劑時的溶劑體系理論的特例。而質子理論可看做是質子溶劑的溶劑體系理論。而溶劑體系理論可看成是電離理論在其他溶劑中的擴展。溶劑體系理論可以把酸堿概念擴展到完全不涉及質子的溶劑體系中。

2.4 酸堿電子理論

與酸堿電離理論，溶劑體系理論和質子理論相比較，酸堿電子理論有了更大的完善，酸堿擺脫了某種元素的限制，不受溶劑的限制，從結構角度出發，以電子對的授受關系來說明酸堿反應，更能體現物質的本質屬性，具有重要的化學價值。然而，由于電子理論定義的酸堿范圍過于寬泛，除了氧化還原反應以外，幾乎所有的化學反應都能歸屬到酸堿反應范圍內，造成酸堿的特征過于籠統而不易掌握，而且酸堿的強弱沒有一個統一的標準，導致純粹的酸堿電子理論的實際應用反而不方便。

一般說來，軟酸和軟堿之間的相互作用可以理解為形成共價鍵。離子的極化能力和變形性越強，形成的共價鍵越強，化合物越穩定。硬酸和硬堿之間的相互作用可以理解為是形成離子鍵。由于正負離子之間的靜電能與離子間的距離成反比，因此，正負離子的體積越小，硬酸硬堿的相互作用越大，化合物越穩定。而對于軟酸和硬堿(或者硬酸和軟堿)結合，因為酸和堿各自的鍵和傾向性不同，不相互匹配，所以作用力弱，化合物的穩定性就小。

2.5 正負離子理論

1938年，前蘇聯的化學家烏茲洛維奇提出了正負離子理論：任何能中和堿形成鹽并放出陽離子或結合陰離子(電子)的物質為酸，任何能中和酸放出陰離子(電子)或結合陽離子的物質為堿。如：

Cl2得到電子，所以是堿，而Na給出電子，所以是酸。

該理論的優點是包含設計任意數目的電子轉移反應，不必局限于一對電子的接受反應。它也可包括涉及單電子，三電子轉移的氧化還原反應反應。

2.6 氧負離子理論

根據Lux的定義，酸是氧負離子的接受體，堿是氧負離子的給予體，酸堿中和反應為氧負離子的傳遞過程。

如：

CaO給出O2-，所以是堿，而SO3接受O2-，所以是酸。

Lux的氧負離子理論的定義特別適用于高溫下氧化物之間的反應，它在冶金、玻璃陶瓷和硅酸鹽領域中有著重要應用。而在其他方面并無用處。

2.7 酸堿理論的共同點

從以上酸堿理論對酸堿的定義中我們可以看出(表1)，酸是某種指定的正電荷物種的給予者，或者是某種指定的負電荷物種的接受者；堿是某種指定的負電荷物種的給予者，或者是某種正電荷物種的接受者。

表1 酸堿理論的共同點

3 總結

長期的生產生活實踐和科學研究中，隨著人們對物質結構的認識不斷的深入，人們對酸堿的認識也不斷的發展完善，酸堿的定義范圍也不斷的變化。然而，并非對酸堿所下的定義越廣就越有用。每種酸堿理論都有其長處，但也都存在著缺陷。在實際工作中往往必須用不同的酸堿理論來處理不同的問題。人們對于科學的探索是永不止步的，隨著科學的不斷進步，在酸堿的領域內也必將會產生新的問題和新的理論。

[1] 胡慶蓮.酸堿理論的發展[J].山西廣播電視大學學報，2006 , 11 (4) :41-42.

[2] 黃一珂，邱曉航.軟硬酸堿理論的發展和應用[J].大學化學，2016，31(11)，45-50.

[3] 宋天佑，程 鵬，王杏喬，等.無機化學[M]. 北京：高等教育出版社，2014.