首先要明確一個問題,真正的氫離子(H+)實際上就是質子,在溶液中通常是不能單獨存在的,它必然與溶劑結合生成溶劑化質子,水溶液中的溶劑化質子就是水合氫離子H3O+(甚至更復雜結構的水合氫離子),因此說水溶液中H+的濃度,應該說H3O+的濃度更為準確(更嚴格地說,H3O+的活度更準確一些)。
例如常說“水溶液中酸電離出H+”,鹽酸(HCl)在水溶液中的電離化學方程式可以寫成:
HCl = H+ + Cl-
實際上水溶液中並不存在H+,只存在H3O+,因此上述電離化學方程式,較嚴格地說,應該寫成:
HCl + H2O = Cl- + H3O+
這個電離反應的實質是,HCl給出了一個質子(H+)給水,水生成H3O+,而HCl變成了Cl-,因此這個反應的實質是質子轉移反應。實際上,酸(不管是強酸還是弱酸)在水溶液中的電離反應,本質就是質子轉移反應,如果以HA表示一種酸,則可以寫成一個通式:
HA + H2O ⇌ A- + H3O+
如果HA是強酸,例如HCl,則認為上述平衡可以基本向右進行到底:
如果HA是弱酸,例如醋酸(以HAc表示),則認為上述平衡偏向左邊:
HAc + H2O ⇌ Ac- + H3O+
根據酸鹼質子理論,水分子H2O如果看作一種鹼,則H3O+就是H2O的共軛酸,因此H3O+本身就是一種酸。那麼,水溶液中強酸和弱酸的區別相當於,強酸就是酸性遠比H3O+強的酸,弱酸就是酸性比H3O+弱的酸。各種強酸在水溶液中,特別是在稀的水溶液中,都能完全給出質子給水,完全生成較弱的酸H3O+,因此水溶液中強酸的電離,就相當於一個“強酸制弱酸”反應。而弱酸給出質子的能力比H3O+還要低,電離平衡就偏向左邊了。
以HCl、HNO3和HClO4三種一元強酸為例,三種強酸在稀水溶液中,它們都完全給出質子給水,以下電離反應可以認為都進行到底:
HNO3 + H2O = NO3- + H3O+
HClO4 + H2O = ClO4- + H3O+
只要三種強酸的稀水溶液物質的量濃度相同,則H3O+濃度相同,pH值也就相同,因此無法在水溶液中比較這三種強酸的酸性強弱,這叫做水溶劑的“拉平效應”。
但如果換一種在水溶液中本身就是酸的溶劑,例如冰醋酸溶劑,醋酸的酸性肯定比水強,那麼醋酸的鹼性就比水弱,當醋酸分子CH3COOH作為鹼與H+結合,生成冰醋酸溶劑中的溶劑化氫離子CH3C(OH)2+——共軛酸之後,CH3C(OH)2+的酸性肯定比H3O+更強,那麼,在冰醋酸溶劑中,即使是HClO4,質子轉移反應也無法進行到底了:
HClO4 + CH3COOH ⇌ ClO4- + CH3C(OH)2+
這樣一來,同為水溶液中的強酸,在冰醋酸溶液中,電離反應,也就是質子轉移反應的平衡常數就有了差異,冰醋酸溶劑中的溶劑化氫離子CH3C(OH)2+濃度也有了差異,這樣就可以比較強酸的酸性強弱了。比較超強酸的酸性強弱,例如HClO4、HSbF6等的酸性強弱,只能在非水溶劑中進行,就是這個道理。
總結來說,對於質子酸,決定酸性的是給出質子的能力,如果酸給出質子的能力都很強,在水溶液中都完全給出質子給水,以至於不能比較酸性,那麼可以換一種相對水更不容易接受質子(質子化)的溶劑,例如本身就是酸的溶劑,就有可能比較出酸給出質子的真正能力,也就可能可以比較酸性了。
用畢業會考級的試卷是無法比較出學霸真實水平的,只能用競賽級的試卷才能比較出學霸的真實水平,大概也就是這個道理吧。
首先要明確一個問題,真正的氫離子(H+)實際上就是質子,在溶液中通常是不能單獨存在的,它必然與溶劑結合生成溶劑化質子,水溶液中的溶劑化質子就是水合氫離子H3O+(甚至更復雜結構的水合氫離子),因此說水溶液中H+的濃度,應該說H3O+的濃度更為準確(更嚴格地說,H3O+的活度更準確一些)。
例如常說“水溶液中酸電離出H+”,鹽酸(HCl)在水溶液中的電離化學方程式可以寫成:
HCl = H+ + Cl-
實際上水溶液中並不存在H+,只存在H3O+,因此上述電離化學方程式,較嚴格地說,應該寫成:
HCl + H2O = Cl- + H3O+
這個電離反應的實質是,HCl給出了一個質子(H+)給水,水生成H3O+,而HCl變成了Cl-,因此這個反應的實質是質子轉移反應。實際上,酸(不管是強酸還是弱酸)在水溶液中的電離反應,本質就是質子轉移反應,如果以HA表示一種酸,則可以寫成一個通式:
HA + H2O ⇌ A- + H3O+
如果HA是強酸,例如HCl,則認為上述平衡可以基本向右進行到底:
HCl + H2O = Cl- + H3O+
如果HA是弱酸,例如醋酸(以HAc表示),則認為上述平衡偏向左邊:
HAc + H2O ⇌ Ac- + H3O+
根據酸鹼質子理論,水分子H2O如果看作一種鹼,則H3O+就是H2O的共軛酸,因此H3O+本身就是一種酸。那麼,水溶液中強酸和弱酸的區別相當於,強酸就是酸性遠比H3O+強的酸,弱酸就是酸性比H3O+弱的酸。各種強酸在水溶液中,特別是在稀的水溶液中,都能完全給出質子給水,完全生成較弱的酸H3O+,因此水溶液中強酸的電離,就相當於一個“強酸制弱酸”反應。而弱酸給出質子的能力比H3O+還要低,電離平衡就偏向左邊了。
以HCl、HNO3和HClO4三種一元強酸為例,三種強酸在稀水溶液中,它們都完全給出質子給水,以下電離反應可以認為都進行到底:
HCl + H2O = Cl- + H3O+
HNO3 + H2O = NO3- + H3O+
HClO4 + H2O = ClO4- + H3O+
只要三種強酸的稀水溶液物質的量濃度相同,則H3O+濃度相同,pH值也就相同,因此無法在水溶液中比較這三種強酸的酸性強弱,這叫做水溶劑的“拉平效應”。
但如果換一種在水溶液中本身就是酸的溶劑,例如冰醋酸溶劑,醋酸的酸性肯定比水強,那麼醋酸的鹼性就比水弱,當醋酸分子CH3COOH作為鹼與H+結合,生成冰醋酸溶劑中的溶劑化氫離子CH3C(OH)2+——共軛酸之後,CH3C(OH)2+的酸性肯定比H3O+更強,那麼,在冰醋酸溶劑中,即使是HClO4,質子轉移反應也無法進行到底了:
HClO4 + CH3COOH ⇌ ClO4- + CH3C(OH)2+
這樣一來,同為水溶液中的強酸,在冰醋酸溶液中,電離反應,也就是質子轉移反應的平衡常數就有了差異,冰醋酸溶劑中的溶劑化氫離子CH3C(OH)2+濃度也有了差異,這樣就可以比較強酸的酸性強弱了。比較超強酸的酸性強弱,例如HClO4、HSbF6等的酸性強弱,只能在非水溶劑中進行,就是這個道理。
總結來說,對於質子酸,決定酸性的是給出質子的能力,如果酸給出質子的能力都很強,在水溶液中都完全給出質子給水,以至於不能比較酸性,那麼可以換一種相對水更不容易接受質子(質子化)的溶劑,例如本身就是酸的溶劑,就有可能比較出酸給出質子的真正能力,也就可能可以比較酸性了。
用畢業會考級的試卷是無法比較出學霸真實水平的,只能用競賽級的試卷才能比較出學霸的真實水平,大概也就是這個道理吧。