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课程: 化学 > 单元 9

课程 1: 酸，碱和 pH

Brønsted-Lowry布朗斯特-劳里酸碱理论

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Brønsted-Lowry酸碱、强弱酸碱的定义, 以及如何识别共轭酸碱对

要点

凡是可以释放质子 $H^{+}$ ‍ 的任何物质都是 布朗斯特酸。
凡是可以接收质子的，并因此有孤电子对来与 $H^{+}$ ‍ 结合的任何物质是 布朗斯特碱 。
水是 两性物质，意为它既可以是布朗斯特酸也可以是布朗斯特碱。
强酸和强碱在水溶液中完全电离，而弱酸和弱碱则不完全电离。
布朗斯特酸在释放出质子后形成了其 共轭碱 。布朗斯特碱在接收质子后形成了其 共轭酸 。
共轭酸碱对里的两种物质由相同的分子式，除了酸比共轭碱多了一个 $H^{+}$ ‍。

介绍

在之前的酸碱电离理论（阿伦尼乌斯酸碱理论）的文章，我们学到了任何一个增加水溶液中的

H^{+}

的浓度的种类是一个阿伦乌尼斯酸，以及任何一个增加水溶液中

{OH}^{-}

的浓度的种类是一个阿伦乌尼斯碱。酸碱电离理论的一个主要局限是它只能描述酸和碱在水中的行为。在这篇文章中，我们将学习酸碱质子理论（布朗斯特-劳里酸碱理论），这个理论适用于更广泛的化学反应。

酸碱质子理论

酸碱质子理论通过化学物种之间的质子转移来描述酸碱反应。凡是可以释放质子

H^{+}

的任何无知是布朗斯特酸，凡是可以接收质子的是布朗特碱。从化学结构上来说，这表示任何布朗斯特酸都必须含有氢来分离出

H^{+}

。布朗斯特碱必须有一个孤电子对来和质子形成新的化学键。

根据酸碱质子理论的定义，任何包括质子从酸转移到碱的反应是一个酸碱反应。我们可以使用该定义来讨论在任何溶剂里，甚至是在气态的酸碱反应。例如，氨气

{NH}_{3} (g)

和盐酸气体

{NH}_{3} (g)

反应形成了固体的氯化铵

{NH}_{4} Cl (s)

。

${NH}_{3} (g) + H Cl (g) \to N H_{4} Cl (s)$ ‍

这个反应也可以用反应物和生成物的路易斯结构式来表示，如下：

在该反应中，

H Cl

释放其质子给了

{NH}_{3}

，以蓝色表示。因此，

HCl

是一个布朗斯特酸。由于

{NH}_{3}

有一个孤电子对来接受了一个质子，所以

{NH}_{3}

是一个布朗斯特碱。

注意到若按照酸碱离子理论，上述反应则不是一个酸碱反应，因为没有任何物质在水中形成了

H^{+}

或者

{OH}^{-}

。但是，所发生的化学反应

包含了质子从

HCl

转移至

{NH}_{3}

来形成

{NH}_{4} Cl

，这与在水中所发生的反应很相像。

我们来看看更多例子来加深对这些定义的了解。

识别布朗斯特酸和碱

在硝酸和水的反应中，硝酸

{HNO}_{3}

释放了一个质子（以蓝色表示）给水，因此它是一个布朗斯特酸。

$H {NO}_{3} (a q) + H_{2} O (l) \to H_{3} O^{+} (a q) + {NO}_{3}^{-} (a q)$ ‍

因为水接收了来自硝酸的质子形成了

H_{3} O^{+}

，所以水是一个布朗斯特碱。该反应非常利于生成物，所以反应箭头仅指向右边。

现在来看看氨在水中的反应：

${NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ N H_{4}^{+} (a q) + {OH}^{-} (a q)$ ‍

在该反应中，水释放了一个质子给氨。在失去一个质子后，水形成了氢氧根离子

{OH}^{-}

。由于水在该反应中释放了质子，所以它是一个布朗斯特酸。氨接收了来自水的质子来形成了铵根离子。因此，氨是一个布朗斯特碱。

在前面两个反应中，我们发现水既在和硝酸的反应中表现为布朗斯特碱，也在和氨的反应中表现为布朗斯特酸。由于这种可以接收和释放质子的能力，水被称为两性物质，，表示它既可以是一个布朗斯特酸也可以是一个布朗斯特碱。

[两性在英文中为“amphoteric”或“amphiprotic”，其中前缀“amphi”表示“两”。]

强酸和弱酸：解离还是不解离？

在水溶液中分解出其成分离子的酸为强酸。硝酸是一个强酸的例子，它在水中完全分解成水合氢离子

H_{3} O^{+}

和硝酸根离子

{NO}_{3}^{-}

。在反应发生后，溶液中没有未分解的

{HNO}_{3}

分子。

相比之下，不在水中完全分解成其成分离子的是弱酸。一个弱酸的例子为醋酸

{CH}_{3} COOH

，也就是在醋里面的酸。醋酸在水中部分分解成了水合氢离子和醋酸根离子

{CH}_{3} {COO}^{-}

：

${CH}_{3} COOH (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + {CH}_{3} {COO}^{-} (a q)$ ‍

注意该反应的箭头指向两边：

⇋

，这表明醋酸的分解是一个动态平衡。在动态平衡时，以中性分子（

{CH}_{3} COOH

）和以分离的离子（

H^{+}

和

{CH}_{3} {COO}^{-}

）形式存在的的醋酸的浓度都很显著。

一个常见的问题便是：“我们如何知道这是一个强酸还是弱酸呢？”这个问题问得好！简单来说，强酸的数量屈指可数，其它的都算是弱酸。只要我们熟悉了常见的强酸，我们便可以轻松地在化学问题中识别出强酸和弱酸。

下表列出了一些常见强酸的例子。

常见的强酸

名称	化学式
盐酸	$HCl$ ‍
氢溴酸	$HBr$ ‍
氢碘酸	$HI$ ‍
硫酸	$H_{2} {SO}_{4}$ ‍
硝酸	${HNO}_{3}$ ‍
次氯酸	${HClO}_{4}$ ‍

强碱和弱碱

强碱在水溶液中完全电离。氢氧化钠

NaOH

就是一个强碱的例子。在水中，氢氧化钠完全分解出钠离子和氢氧根离子。

$NaOH (a q) \to {Na}^{+} (a q) + {OH}^{-} (a q)$ ‍

因此，如果我们做一个氢氧化钠的水溶液，最终溶液里只有

{Na}^{+}

和

{OH}^{-}

离子出现，不会有任何未分解的

NaOH

。

我们来看在水中的氨

{NH}_{3}

。氨是一个弱碱，所以在水中有部分电离：

${NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ {NH}_{4}^{+} (a q) + {OH}^{-} (a q)$ ‍

一些氨分子接收了来自水的质子来形成铵离子和氢氧根离子。这形成了一个动态平衡：氨分子持续和水交换质子，然后铵离子持续向氢氧根离子释放质子。溶液中的主要成分为没有电离的氨

{NH}_{3}

，因为氨只能移除水中的一小部分质子。

常见的强碱包括第一族和第二族的氢氧化物。

[为什么不可溶的化合物可以是强碱？]

常见的弱碱包括包含氮的中性化合物，例如氨，三甲胺和吡啶。

示例1：写磷酸氢根的酸碱反应

磷酸氢根

{HPO}_{4}^{2 -}

在水溶液中可以是弱碱或者弱酸。

磷酸氢根在水中以弱碱反应的配平化学方程式是什么？

因为磷酸氢根是作为布朗斯特碱，那么水必须是作为布朗斯特酸。因此水会释放出一个质子来生成氢氧根离子。磷酸氢根增加了一个质子后形成了

H_{2} {PO}_{4}^{-}

：

${HPO}_{4}^{2 -} (a q) + H^{+} (a q) \to H_{2} {PO}_{4}^{-} (a q)$ ‍

因为磷酸氢根在这个例子中是弱碱，所以我们要在化学式中使用平衡箭头

⇌

来表明反应是可逆的。下面是磷酸氢根离子在水中作为弱碱的配平化学方程式：

${HPO}_{4}^{2 -} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{2} {PO}_{4}^{-} (a q) + {OH}^{-} (a q)$ ‍

要怎样知道像磷酸氢根这样的物质会作为酸还是碱来反应呢？简单地说，在几种不同的反应都可能的情况下，不同的平衡反应也会有不同的平衡常数。一些因素例如溶液的pH值和溶液中的其它物质会决定哪一个平衡反应更有利于发生。我们会在学习缓冲和滴定的时候更深入的讨论这个问题！

概念检查：假如磷酸氢根在水中以弱酸进行反应，那么配平的化学方程式是怎样的？

[显示答案]

共轭酸碱对

现在我们对布朗斯特酸和碱有了一定的了解，我们可以开始讨论这篇文章的最后一个知识点：共轭酸碱对。在一个布朗斯特酸碱反应中，碱在接收了一个质子后形成的物质是共轭酸。同样地，一个酸在释放了其质子后形成了共轭碱。在一个共轭酸碱对中的两种物质有相同的分子式，除了酸比共轭碱有一个额外的

H^{+}

。

示例2：强酸的解离

我们来看强酸

HCl

与水的反应：

$HCl (a q) + H_{2} O (l) \to H_{3} O^{+} (a q) + {Cl}^{-} (a q)$ ‍

酸 碱 酸 碱

在这个例子中，

HCl

向水释放了一个质子，因此，

HCl

是一个布朗斯特酸。

HCl

释放它的质子之后形成了

{Cl}^{-}

离子。因此，

{Cl}^{-}

是

HCl

的共轭碱。

$共轭对1 = HCl 和 {Cl}^{-}$ ‍

因为水接收了来自

HCl

的质子，所以水是布朗斯特碱。水接收了一个质子后形成了

H_{3} O^{+}

。因此

H_{3} O^{+}

是

H_{2} O

的共轭酸。

$共轭对2 = H_{2} O 和 H_{3} O^{+}$ ‍

该反应中的每一个共轭酸碱对包含了一个布朗斯特酸和一个布朗斯特碱；其中酸和碱只相差了一个质子。通常一个布朗斯特酸和碱的反应会两个共轭酸碱对。

示例3：弱碱的电离

我们来看看弱碱氨在水中的反应：

${NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ {NH}_{4}^{+} (a q) + {OH}^{-} (a q)$ ‍

碱 酸 酸 碱

在该反应中，氨接收了一个来自水的质子，因此它是一个布朗斯特碱。在接收来自水的质子之后，氨形成了

{NH}_{4}^{+}

。所以，

{NH}_{4}^{+}

是氨的共轭酸。

$共轭对1 = {NH}_{3} 和 {NH}_{4}^{+}$ ‍

通过释放一个质子给氨之后，水成为一个布朗斯特酸。水在释放质子之后形成了

{OH}^{-}

。因此，

{OH}^{-}

是水的共轭碱。

$共轭对2 = H_{2} O 和 {OH}^{-}$ ‍

由于氨是弱碱，铵离子可以向氢氧根离子释放回一个质子来形成氨和水，因此形成了一个动态平衡。所有的弱酸和弱碱的反应都是如此。

总结

凡是可以释放质子 $H^{+}$ ‍ 的任何物质是布朗斯特酸。
凡是可以接收质子的，并因此有一个孤电子对来与 $H^{+}$ ‍ 结合的任何物质是布朗斯特碱。
水是两性物质，意为它既可以是布朗斯特酸也可以是布朗斯特碱。
强酸和强碱在水溶液中完全电离，而弱酸和弱碱则不完全电离。
一个布朗斯特酸在释放出一个质子后形成了其共轭酸。一个布朗斯特碱在接收一个质子后形成了其共轭酸。
共轭酸碱对里的两种物质由相同的分子式，除了酸比共轭碱多了一个 $H^{+}$ ‍。

[来源和参考文献]

练习1：识别酸碱反应

根据酸碱质子理论，下面哪项是酸碱反应？

[提示 1]

[提示 2]

[提示3]

练习2：找出共轭酸碱对

氢氟酸

HF

是在水中做如下分解的弱酸：

$HF (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + F^{-} (a q)$ ‍

$HF$ ‍ 在该反应中的共轭碱是什么？

[提示 1]

[提示 2]

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