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主要内容

阿伦尼乌斯(Arrhenius)酸和碱

阿伦尼乌斯酸和碱的定义, 以及阿伦尼乌斯酸碱反应 

要点

  • 一种 阿伦尼乌斯酸(Arrhenius acid)是在水溶液中增加H+浓度的任何试剂。
  • 一种阿伦尼乌斯碱(Arrhenius base)是在水溶液中增加OH+浓度的任何试剂。
  • 在水溶液中,H+离子立即与水分子反应形成水合氢离子H3O+
  • 酸碱中和反应中,阿伦尼乌斯酸和碱通常反应形成水和盐。

介绍

从厨房柜子里的醋到淋浴间的肥皂, 酸和碱随处可见!但是, 说某种东西是酸性的还是碱性的, 是什么意思呢?为了回答这个问题, 我们需要一些描述酸和碱的概念。在本文中, 我们将重点讨论阿伦尼乌斯理论。

阿伦尼乌斯酸(Arrhenius acid)

阿伦尼乌斯酸和碱的理论最初由瑞典化学家斯凡特·阿伦尼乌斯(Svante Arrhenius)于1884年提出。他建议根据化合物加入水中时形成的离子种类将某些化合物分类为
柑橘类水果--如葡萄柚--含有大量的柠檬酸, 一种常见的有机酸。 Image credit: Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.5
一种阿伦尼乌斯酸是在水溶液中增加H+离子或质子浓度的任何试剂。例如,让我们考虑水中盐酸的解离反应,HCl
HCl(aq)H+(aq)+Cl(aq)
当我们制作氯化氢水溶液时,HCl分解成H+离子和Cl。因此这导致溶液中H+ 离子浓度增加,因此氯化氢是阿伦尼乌斯酸。

氢还是氢离子?

假设我们制备了2M氢溴酸水溶液,HBr,这是一种阿伦尼乌斯酸。 这是否意味着我们的溶液中有2MH+
实际上,没有。实际上,带正电的质子与周围的水分子反应形成水合氢离子H3O+。 该反应可以写成如下:
H+(aq)+H2O(l)H3O+(aq)
即使我们经常写出酸解离反应为H+(aq)的形成,但在水溶液中没有漂浮的H+离子。相反,当酸在水中解离时,会立即形成大量的H3O+离子。 下图使用分子模型说明了从水和氢离子形成的水合氢离子:
当酸在水中解离形成H+ 离子,质子时,H+离子立即与水反应形成H3O+。因此,化学家可以互换地谈论氢离子和水合氢离子的浓度。Image credit: UC Davis Chemwiki, CC BY-NC-SA 3.0 US
事实上,大多数化学家都会互相讨论H+的浓度和H3O+的浓度。 当我们想要更准确 - 更不偷懒!——我们可以写出氢溴酸的解离,以明确地显示氢离子而不是质子的形成:
HBr(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+Br(aq)        更精确vs.HBr(aq)H+(aq)+Br(aq)    简短并且更方便书写!
通常,这两种描述都可用于显示阿伦尼乌斯酸的解离

阿伦尼乌斯碱(Arrhenius bases)

阿伦尼乌斯碱被定义为在水溶液中增加氢氧根OH离子浓度的任何试剂。 阿伦尼乌斯碱的一个例子是可溶度高的氢氧化钠,NaOH。 氢氧化钠在水中解离如下:
NaOH(aq)Na+(aq)+OH(aq)
在水中,氢氧化钠完全解离形成OHNa+ 离子,导致氢氧根离子浓度增加。因此,NaOH是阿伦尼乌斯碱。常见的阿伦尼乌斯碱包括第1组和第2组的氢氧化物,例如LiOHBa(OH)2
氢氧化钠水溶液,一种阿伦尼乌斯碱,含有解离的钠和氢氧根离子。
请注意根据你的班级或教科书或教师,不含氢氧化物的碱可能或可能不会被归类为阿伦尼乌斯碱。 一些教科书更狭义地定义了阿伦尼乌斯碱:一种可以增加水溶液中OH的浓度,并且还含有至少一个OH单位的化学式的物质。虽然这不会改变第1组和第2组氢氧化物的分类,但它可能会与甲胺等化合物有点混淆,CH3NH2
当甲醇添加到水中时,发生了下列反应:
CH3NH2(aq)+H2O(l)CH3NH3+(aq)+OH(aq)
根据我们的第一个定义,甲胺是阿伦尼乌斯碱,因为溶液中OH离子浓度增加。然而,根据第二个定义,由于化学式不包括氢氧化物,因此它不会算作阿伦尼乌斯碱。

酸碱反应:阿伦尼乌斯酸 + 阿伦尼乌斯碱= 水 + 盐

当阿伦尼乌斯酸与阿伦尼乌斯碱反应时,产物通常是水加盐。 这些反应有时也被称为中和反应。 例如,当我们将氢氟酸的水溶液,HF,和氢氧化锂,LiOH,混合在一起会发生什么?
如果我们分别考虑酸溶液和碱溶液,我们知道:
  • 阿伦尼乌斯酸增加了H+(aq)的浓度:
HF(aq)H+(aq)+F(aq)
  • 阿伦尼乌斯碱增加了OH(aq)的浓度:
LiOH(aq)Li+(aq)+OH(aq)
当酸和碱在溶液中反应时,H2O由氢离子和氢氧根离子之间的反应而产生,而其他离子形成盐LiF(aq)
H+(aq)+OH(aq)H2O(l)             水的形成
Li+(aq)+F(aq)LiF(aq)                盐的形成
如果我们把形成水和形成盐的反应加和起来,我们就能够得出在氢氟酸和氢氧化物之间完整的中和反应:
HF(aq)+LiOH(aq)H2O(l)+LiF(aq)

阿伦尼乌斯理论的限制

阿伦尼乌斯理论的局限性在于它只能描述水溶液中的酸碱化学。然而,类似的反应也可以在非水溶剂中以及气体状态中的分子之间发生。因此,现代化学家通常更喜欢布仑斯惕-劳里(Brønsted-Lowry)酸碱质子理论,该理论可用于更广泛的化学反应。 布仑斯惕-劳里酸碱质子理论中酸和碱理论将在另一篇文章中讨论!

总结

  • 阿伦尼乌斯酸**是在水溶液中增加H+浓度的任何试剂。
  • 阿伦尼乌斯碱**是在水溶液中增加OH+浓度的任何试剂。
  • 在水溶液中,H+离子立即与水分子反应形成水合氢离子,H3O+
  • 在酸碱或中和反应中,阿伦尼乌斯酸和碱通常反应形成水和盐。

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