酸鹼理論指闡述酸、鹼及酸鹼反應本質的各種理論。在歷史上曾有多種酸鹼理論，其中重要的包括： 阿倫尼烏斯酸鹼理論 酸鹼電離理論 布侖斯惕 勞裡酸鹼理論 酸鹼質子理論 路易士酸鹼理論 酸鹼電子理論 酸鹼溶劑理論 軟硬酸鹼理論 酸和鹼的定義 歷史性的突破 酸鹼反應的概念最早由紀堯姆 弗朗索瓦魯埃勒於 1754 年提出，他將 鹼 一詞引入化學中，表示與酸反應生成固體形式（作為鹽）的物質。 鹼本質上大多是苦的。 拉瓦錫的定義（酸中需含有氧元素） 酸和鹼的第一個科學概念是由拉瓦錫在 1776 年左右提出的。 拉瓦錫認為氧是酸中不可或缺的組分，將氧定義為酸生成者（οξυς γεινομαι），並且認為當時還未研究清楚成分的氫鹵酸中也含有氧元素。 這是因為拉瓦錫對強酸的知識僅限於含氧酸，例如硝酸（HNO3）和硫酸（H2SO4），這些酸有一箇中心原子，中心原子具有高氧化態，且被氧原子包圍。並且當時的科學界也不清楚氫鹵酸（HF、HCl、HBr 和 HI）的準確組成。 拉瓦錫的定義持續了 30 多年，直到漢弗萊戴維於 1810 年發表文章和隨後的講座，證明硫化氫 H2S、碲化氫 H2Te 和氫鹵酸中不含氧。 然而，戴維未能發展出新的理論，他得出的結論是 酸度並不取決於任何特定的元素，而是取決於不同元素的特殊排列。 永斯貝採利烏斯對拉瓦錫的氧理論進行了一項值得注意的修改，他指出酸是非金屬的氧化物，而鹼是金屬的氧化物。 李比希的定義（酸中需含有氫元素） 1838 年，尤斯圖斯馮李比希提出酸是一種含氫化合物，酸中的氫元素可被金屬取代。這一重新定義基於他對有機酸化學成分的廣泛研究，完成了戴維發起的從氧基酸到氫基酸的學說轉變。 李比希的定義雖然完全是經驗性的，但在阿倫尼烏斯定義被採用之前一直沿用了近 50 年。 阿倫尼烏斯的定義 該理論以阿倫尼烏斯與威廉奧斯特瓦爾德在 1884 年左右的研究為基礎，相比其他酸鹼理論更加簡明易懂。阿倫尼烏斯本人也因此獲得 1903 年的諾貝爾化學獎。 至於該理論中的酸鹼定義，可用以下句子來描述： 也就是說，阿倫尼烏斯酸被加入水後，必須直接或間接引起： 水合氫離子濃度增加，或 氫氧根離子濃度降低 而阿倫尼烏斯鹼被加入水後，必須直接或間接引起： 水合氫離子濃度降低，或 氫氧根離子濃度增加 酸鹼反應的本質是氫離子與氫氧根離子反應生成水。 2 H2O OH H3O 水合氫離子 H3O 簡寫作 H：2 H2O H3O OH H2O H OH 因此在該理論下，酸鹼反應生成鹽和水的過程也被稱作中和反應。 酸 鹼 鹽 水 鹼中的陽離子可與酸中的陰離子成鹽。比如，兩摩爾的氫氧化鈉（NaOH）與一摩爾的硫酸（H2SO4）反應，產物是兩摩爾水和一摩爾硫酸鈉： 2NaOH H2SO4 2 H2O Na2SO4 布侖斯惕（Brønsted）及勞裡（Lowry）酸鹼學說 丹麥化學家約翰內斯尼古勞斯布侖斯惕和英國化學家托馬斯馬丁勞裡於 1923 年分別提出酸鹼質子理論，也稱為布朗斯特 勞瑞酸鹼理論。該理論認為，凡是能給出質子（H）的物質都是酸，凡能接受質子的物質都是鹼，而既能給出質子，也能接受質子的物質稱為兩性物質。Clayden J Warren S et al 2000 p182184Miessler L M Tar D A 1991 p167169 According to this page the original definition was that acids have a tendency to lose a proton 酸和鹼不是孤立的，它們透過質子互相聯絡，用通式可以表示為： 酸 鹼 質子 這樣的一對酸鹼稱為共軛酸鹼對，其中的酸和鹼分別稱為相應物質的共軛酸及共軛鹼。 與阿倫尼烏斯酸鹼理論不同的是，布侖斯惕酸鹼不僅限於電中性的分子，也包括帶電的陰陽離子。而該理論之下的酸鹼反應則是兩對共軛酸鹼對之間傳遞質子的反應，不一定生成鹽和水： 酸 1 鹼 2 鹼 1 酸 2 AH B A BH 水是兩性的 也就是說，它既可以作為酸也可以作為鹼。布侖斯惕酸鹼模型解釋了這一點，顯示了水分解成低濃度的水合氫離子和氫氧根離子： H2O H2O H3O OH 以下是水分別作為酸和鹼參與反應的例子： HCl aq H2O H3O aq Cl aq C5H5N H2O C5H5NH OH 布侖斯惕酸鹼在形式上獨立於任何溶劑，例如，考慮當乙酸 CH3COOH 溶解在液氨中時會發生什麼： CH3COOH NH3 NH4 CH3COO 路易斯的定義 路易斯酸鹼理論由吉爾伯特牛頓路易斯在 1923 年提出，Miessler L M Tar D A 1991 p166 Table of discoveries attributes the date of publicationrelease for the Lewis theory as 1923 結合了布朗斯特 勞裡和酸鹼溶劑理論的特點，在水溶液和非水溶劑中都有很廣的應用。Miessler L M Tar D A 1991 p170172 該理論著重探討電子的給予與獲得，路易斯酸被定義為電子接受體，而路易斯鹼則是電子給予體。 Ag 酸 2 NH3 鹼 H3NAgNH3 酸鹼加合物 路易斯酸與路易斯鹼反應時，路易斯鹼含有孤對電子的最高佔有軌道（HOMO）向路易斯酸缺電子的最低未佔軌道（LUMO）貢獻電子生成配位鍵，產物稱作酸鹼加合物。 在強極性分子如三氟化硼中，電負性強的元素吸引電子，帶有部分負電荷，電負性弱的元素則帶有部分正電荷，孤對 成鍵電子（LpBp）之間作用力超過成鍵 成鍵電子（BpBp）之間的作用力。 金屬離子的加合物被稱為配位化合物。 路易斯酸鹼的定義與布侖斯惕酸鹼具有一致性，比如下面的反應在兩種理論中都是酸鹼反應： H OH H2O 溶劑理論 該理論與阿倫尼烏斯對所有自偶解離溶劑的定義有關。在這些溶劑中，存在中性溶劑分子與解離出的陽離子和陰離子之間的平衡： 2H2O H3O 水合氫離子 OH 氫氧根 2NH3 NH4 銨 NH2 氨基負離子 非質子溶劑： N2O4 NO 亞硝基正離子 NO3 硝酸根 2SbCl3 SbCl2 SbCl4 酸導致溶劑陽離子濃度上升，陰離子濃度下降；而鹼則導致陽離子濃度下降，陰離子濃度上升。例如在液氨中，KNH2 提供 NH2離子，是強鹼，而 NH4NO3 提供 NH4 離子，是強酸。在液態二氧化硫（SO2）中，亞硫醯基化合物是酸，提供 SO2 離子；而亞硫酸鹽提供 SO32離子，可看作鹼。 該理論下，液氨中的酸鹼反應包括： 2NaNH2 鹼 Zn NH2 2 兩性 Na2 Zn NH2 4 2NH4I 酸 Zn NH2 2 兩性 Zn NH3 4 I2 硝酸在純硫酸中是鹼： HNO3 鹼 2H2SO4 NO2 H3O 2HSO4 液態四氧化二氮中： AgNO3 鹼 NOCl 酸 N2O4 AgCl 酸鹼溶劑理論中，同一化合物在不同溶劑中可以改變其酸鹼性質，比如 HClO4 在水中是強酸，在乙酸中是弱酸，而在氟磺酸中則是弱鹼。 其他酸鹼理論 Usanovich 的定義 關於酸鹼最基本的定義來自於俄羅斯化學家 Mikhail Usanovich。根據該定義，只要是可以接受負電荷或放出正電荷，就是酸；反之則是鹼。由於在該定義下氧化還原反應是酸鹼反應的特殊情況，化學家並不是很傾向於使用這個定義。這是因為氧化還原主要集中討論物理上的電子轉移過程，而並非是鍵的形成與斷裂過程，要將兩者完全區分是不可能的。 Usanovich 定義的例子如下： 鹼 酸 2 交換的物種： 陰離子 3 鹼 酸 6 2 交換的物種：3 陰離子 2Na 鹼 酸 2 2 交換的物種：2 電子 LuxFlood 的定義 這個定義由德國化學家 Franz H 1966 p4 在 1939 年時所提出，其後約在 1947 年作進一步的修正， 現在主要用於現代熔鹽的地球化學和電化學研究中。在該定義中，酸被定義為一個氧離子受體，而鹼則是一個氧離子供體。例如： MgO 鹼 CO2 酸 MgCO3 CaO 鹼 SiO2 酸 CaSiO3 NO3 鹼 S2O72 酸 NO2 2SO42 皮爾遜的定義 1963 年， 拉斐爾皮爾遜提出了一個高階的定性概念 軟硬酸鹼理論。1984 年，在 Robert Parr 的協助下，該理論發展成為一個定量的理論。硬 對應的是小的、高氧化態的粒子，這些粒子都很難被極化。相反，軟 是指大的，低氧化態的粒子，很容易被極化。軟 軟和硬 硬之間的酸鹼反應最為穩定。這個理論在有機化學和無機化學均有應用。 參見 電子排布 路易斯結構 共振結構 質子化，去質子化 親核取代反應 氧化還原反應 酸鹼滴定 註釋 參考資料 Miessler L M Tar D A 1991 Inorganic Chemistry 2nd ed Pearson PrenticeHall Clayden J Warren S et al 2000 Organic Chemistry Oxford University Press Meyers R 2003 The Basics of Chemistry Greenwood Press H L Finston and A C Rychtman A New View of Current AcidBase Theories John Wiley Sons New York 1982 pp 140146 International Union of Pure and Applied Chemistry 2006 IUPAC Compendium of Chemical Terminology Electronic version Retrieved from International Union of Pure and Applied Chemistry on 9 May 2007 on URL httpgoldbookiupacorgO04379html Murray K K Boyd R K et al 2006 Standard definition of terms relating to mass spectrometry recommendations International Union of Pure and Applied Chemistry 外部連結 酸鹼化學 酸鹼生理學講義 酸和鹼 拉瓦錫、戴維和李比希提出的酸鹼理論 Category 酸鹼化學 Category 化學理論 Category 平衡化學