雙質子酸

**酸**（英語：acid，有時用「HA」表示）。阿瑞尼斯酸的定義是當溶解在水中時，溶液中氫離子的濃度大於純水中氫離子濃度的化合物。換句話說，酸性溶液的 pH 值小於水的 pH 值（25℃時為水的 pH 值是 7）。酸一般呈酸味，但是品嘗酸（尤其是高濃度的酸）是非常非常危險的。酸可以和鹼發生中和作用，生成水和鹽。酸可分為無機酸和有機酸兩種。與酸相對的一種物質是鹼。

* 氫氯酸（鹽酸）、硫酸和硝酸都被稱為礦酸，因為它們從前都是透過礦物製得的。
* 濃酸具腐蝕性，而稀酸則具刺激性（稀氫氟酸也具有腐蝕玻璃的能力）。

## 酸的定義

酸在化學中主要有以下三種定義：

1. 阿瑞尼斯酸。指的是溶解於水時釋放出的陽離子全部是氫離子（H+）的化合物。
2. 布侖斯惕 - 勞里（Brønsted-Lowry）酸。這種定義認為能提供質子的粒子是酸。參看酸鹼質子論。它比阿瑞尼斯的定義要廣泛，因為這種定義下的酸包含了不溶於水的物質。
3. 路易斯酸。酸被定義為電子的接受者，這是範圍最廣泛的定義，因為路易斯酸鹼不需要氫或氧的存在。參看酸鹼電子論。

## 酸的性質

* 帶有酸味
* 酸性溶液（包含酸溶液）能使通用酸鹼指示劑變成偏暖色。主要是因為酸能釋放出氫離子（H+）。

　
: 其他指示劑：
* 藍色石蕊試紙：酸能令藍色石蕊試紙（一種能顯示酸性的紙張）變成紅色。
* 甲基橙：當 pH 值是 0 至 3.1，酸能令甲基橙由黃色變成紅色；當 pH 值是 3.1 至 4.4，酸能令甲基橙由黃色變成橙色。
* 酸基本上對酚酞不會起顏色變化，維持無色，但當 pH 值小於 0 時，酚酞的顏色會轉變成橙紅色；在 pH 為 0 至 8.2 時為無色透明；在 pH 為 8.2 至 12 時為粉紅色；在 pH 為 12 以上為無色。

* 所有酸的水溶液都能夠導電，這是由於氫離子及酸根離子的存在，它們可以在電極之間作電荷交換，從而導電。因此酸也是一種電解質。
* 和活潑金屬單質反應：

　
: 稀酸能與活潑金屬單質（如鈣、鎂、鐵、鋅等）產生反應，生成鹽和氫氣。

　
: 稀酸 + 金屬→氫氣 + 鹽

　
: H2SO4 + Ca → H2↑ + CaSO4

　
: H2SO4 + Mg → H2↑ + MgSO4

　
: H2SO4 + Fe → H2↑ + FeSO4

　
: H2SO4 + Zn → H2↑ + ZnSO4

　
: 2HCl + Ca → H2↑ + CaCl2

　
: 2HCl + Mg → H2↑ + MgCl2

　
: 2HCl + Fe → H2↑ + FeCl2

　
: 2HCl + Zn → H2↑ + ZnCl2

　
: * 稀酸不會和銅、汞、銀、鉑、金等金屬反應。稀硝酸和金屬的反應比較特別，它會和金屬產生氧化還原反應，生成一氧化氮 NO（無色氣體）而不會產生氫氣 (極稀的硝酸會和金屬緩慢反應產生少量的氫氣這點至今仍未被證實)。因此在工業中很少用硝酸直接與金屬接觸製備硝酸鹽，多利用置換反應製造。
* 要注意的是金屬單質鉛 Pb 和稀酸（特別是硫酸 H2SO4 和鹽酸 HCl）的反應中，基於鉛的活性較低，起初反應速度十分緩慢，而這反應還會在很短時間內停止。因為氯化鉛 PbCl2 和硫酸鉛 PbSO4 也是不水溶性的固體，它會覆蓋在金屬鉛表面形成保護膜阻止了金屬鉛與酸反應，而令該反應逐漸停止。
* 鉀 K 和鈉 Na 由於太過活躍，會和水產生危險的爆炸性反應，因此工業上不會利用此方法製備鉀鹽和鈉鹽。
* 鋁雖然也是十分活躍，但它一暴露在空氣中就會與空氣中的氧氣生成緻密氧化物保護膜，也會阻止了之後酸和金屬鋁的接觸反應，所以金屬鋁不在此列。鋁能夠與稀的強酸（如稀鹽酸，稀硫酸等）進行反應，生成氫氣和相應的鋁鹽。在常溫下，鋁在濃硝酸和濃硫酸中被鈍化，不與它們反應，所以濃硝酸是用鋁罐（可維持約 180 小時）運輸的。

* 和氫氧化物（鹼）發生中和反應放出鹽和水

　
: 酸 + 鹼→鹽 + 水。主要是因為酸中的氫離子（H+）和鹼中的氫氧根離子 OH−結合成水（H2O），是複分解反應。

　
: HCl + NaOH → H2O + NaCl

　
: H+ + OH− → H2O

* 和金屬氧化物發生反應，生成鹽和水

　
: 酸 ＋ 金屬氧化物→水 ＋ 鹽

　
: 2H+ + O2− → H2O

　
: 2HCl + CuO → CuCl2 + H2O

　
: H2SO4 + CuO → CuSO4 + H2O

* 和鹽反應（產生複分解反應）

　
: 酸 + 鹽→新鹽 + 新酸（強酸→ 弱酸）

　
: 2HCl + Na2CO3 → 2NaCl + H2O + CO2↑

　
: H2SO4 + Ba(ClO3)2 → BaSO4 + 2HClO3

* 和碳酸鹽反應生成鹽、二氧化碳和水

　
: 碳酸鹽 + 稀酸→鹽 + 二氧化碳 + 水

　
: Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 ↑+ H2O

　
: Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + CO2↑ + H2O

　
: CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O

　
: CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + CO2↑ + H2O

* 和碳酸氫鹽反應生成鹽、二氧化碳和水

　
: 碳酸氫鹽 + 稀酸→鹽 + 二氧化碳 + 水

　
: NaHCO3 + HCl → NaCl + CO2↑ + H2O

　
: 2NaHCO3 + H2SO4 → Na2SO4 + 2CO2↑+ 2H2O

　
: Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2CO2↑ + 2H2O

　
: Ca(HCO3)2 + H2SO4 → CaSO4 + 2CO2↑ + 2H2O

## 酸的分類

### 按酸分子是否含氧分類

* 含氧酸
* 無氧酸

### 依電離氫離子數目分類

鹽基度是一種酸的每個分子最多能電離出的氫離子的數目。

* 鹽基度 = 1：一元酸 —— 如氫氯酸、硝酸、亞硝酸、乙酸

　
: HCl → H+ + Cl −

　
: HNO3 → H+ + NO3−

　
: HNO2 → H+ + NO2−

* 鹽基度 = 2：二元酸 —— 如硫酸、亞硫酸、碳酸

　
: H2SO4 → 2H+ + SO42−

　
: H2SO3 → 2H+ + SO32−

　
: H2CO3 → 2H+ + CO32−

* 鹽基度 = 3：三元酸 —— 如磷酸、檸檬酸

　
: H3PO4 → 3H+ + PO43−

　
: H8C6O7 → 3H+ + H5C6O73−

除一元酸以外的酸都稱為二元酸或多元酸。

 

## 酸性與氫離子的關係

所有酸在水溶液中，在特定條件下，可以產生可供化學反應的（水合）氫離子 H3O+，從而表達出酸性。這包括兩類情形：

* 常見的易溶酸如 H3PO4，在溶液中電離產生 H3O+：

　
: H3PO4 + H2O → H3O+ + H2PO4−

難溶酸如 H4SiO4，其溶於水的分子亦可電離產生 H3O+：

　
: H4SiO4 + H2O → H3O+ + H3SiO4−

電離產生的 H3O+ 可與鹼發生化學反應。當酸充分強時，電離產生的 H3O+ 濃度大，可與活潑金屬反應產生氫氣，或與特定的鹽發生複分解反應。

* 某些酸如 H3BO3，Al(OH)3，溶於水的分子本身不能電離產生 H+。它們作為路易斯酸體現酸性，即，與水電離產生的 OH-結合，釋放水電離產生的 H3O+ 參與反應，從而表達出酸性：

　
: H3BO3 + 2H2O → H3O+ + B(OH)4−

　
: Al(OH)3 + 2H2O → H3O+ + Al(OH)4−

純水電離產生的 H3O+ 與 OH-濃度相同。酸性物質溶於水的分子將以上述兩類方式之一造成 H3O+ 濃度上升，超過 OH-濃度。酸溶液的 H3O+ 離子濃度愈高，其酸度就愈高。

## 濃酸的危險性

* 濃酸常有強烈腐蝕性，有些還伴有其他特性，如具有強氧化性和脫水能力的濃硫酸，能對人體造成嚴重的化學燒傷。
* 濃酸的特性：

　
: * 濃氫氯酸含 35% 氯化氫分子，濃度約為 11M，是無色液體，具高度揮發性和腐蝕性。

　
: * 濃硝酸含 70% HNO3 分子，濃度約為 16M，是無色液體（但很多時候因有分解反應令濃硝酸溶有紅棕色的二氧化氮），具高度揮發性，易分解出有毒的二氧化氮氣體，硝酸有極強氧化性，因此造成極強腐蝕性。自我分解反應如下：4 HNO3 → 2 H2O + 4 NO2 + O2

　
: * 濃硫酸含 98% 硫酸分子，濃度約為 18M，是無色油狀液體，不具揮發性，但具極強的腐蝕性、氧化性和脫水性。

### 濃酸處理注意事項

* 濃酸應安放在通風櫃中。
* 人手處理濃酸時要戴防護手套和安全眼鏡。
* 稀釋濃酸時，是要慢慢地把濃酸加入攪動中大量水中而不能相反，否則可引致沸騰（突沸），水連同強酸濺出可引致極大的危險。
* 若被強酸濺到人體，應立即用大量流動的清水沖洗傷口至少 10 至 15 分鐘，再用小蘇打（NaHCO3）溶液沖洗，嚴重則要立即送醫治理。

 

## 強酸

強酸是指在水溶液中完全電離的酸（硫酸這類多元酸不在此限），或以酸度系數的概念理解，則指 p_K_a 值 < −1.74 的酸。這個值可以理解為在標準狀況下，氫離子的濃度等同於加入強酸後的溶液濃度。

大部分強酸均是腐蝕性的，但當中亦有例外。例如超強酸當中的碳硼烷酸（H (CHB11Cl11)），其酸性比硫酸高百萬倍，但卻完全不帶有腐蝕性；相反，弱酸當中的氫氟酸（HF）卻帶有高度腐蝕性。它能夠溶解極大部分的金屬氧化物，諸如玻璃及除了銥以外的所有金屬。

強酸在水溶液中完全離解的化學方程式如下所示：

　
: : : HA(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + A−(aq)

一般酸不會在水中完全離解，因此多以化學平衡而不是完全反應的形式表示，弱酸就是指不完全離解的酸。用酸度系數作為區別強酸與弱酸的作用並不明顯（因為數值差距較難理解及不明顯），因此用方程式去區別兩者更為合理。

由於強酸在水溶液中完全離解，因此氫離子在水中的濃度等同於將該酸帶到其他的溶液當中：

　
: : : [HA] = [H+] = [A−]；pH = −log[H+]

## 酸性強度的判別

除了透過計算 pH 值來衡量不同酸的強度外，透過觀察以下的性質也可以判別出不同類別的酸的強度：

1. 電負性：在同一元素周期下其共軛鹼的負電性愈高，它的酸度就愈高。
2. 原子半徑：原子半徑增加，其酸度也會增加。以氫氯酸及氫碘酸為例，兩者均是強酸，在水中均會電離出 100% 的相應離子。但是氫碘酸的酸度比氫氯酸要強，這是因為碘的原子半徑遠大於氯的原子半徑。帶有負電荷的碘陰離子擁有較離散的電子雲，因此與質子（H+）的吸力較弱，因此，氫碘酸電離（去質子化）的速度更快（二者酸性的差別可在酸性更強的溶劑，如乙酸中測出，因為在乙酸中二者均只能部分電離而可體現出差別）。
3. 電荷：電離後的物質愈帶有正電荷，就愈高酸度。因此中性離子較陰離子容易放出質子，陽離子也比起其他分子均具有更高酸度。

### 酸度

酸度，一種新的酸鹼度定義，可以取代過去一直沿用的 pH 表示酸鹼度。此一定義首先由荷蘭化學家亨克・凡・魯貝克（Henk van Lubeck）在美國《化學教育雜誌》上提出。

**定義**

$$
AG=\log {[{\mbox{H}}^{+}] \over [{\mbox{OH}}^{-}]}\,\!=pOH-pH
$$

式中 $[{\mbox{H}}^{+}]\,\!$ 和 $[{\mbox{OH}}^{-}]\,\!$ 分別代表氫離子和氫氧根離子的物質的量濃度。

**優勢**

與 pH 相比，它有如下 3 個明顯的優勢：

* 酸度的數值越大說明溶液酸性越強，符合物理定義的語言習慣。
* 取對數的是無量綱的比值，對數函數返回值同樣無量綱，這符合對數函數的特點。
* 不管在任何溫度下，中性的溶液 AG 永遠是 0。與此不同的是，習慣上認定 25 攝氏度的中性溶液 pH=7，其他溫度下中性溶液的 pH 都不是 7。

此外，AG 的值域是 R，而傳統上 pH 的值域是 0~14。

### 常見強酸

（從強到弱）

* 過氯酸 HClO4
* 氫碘酸 HI
* 氫溴酸 HBr
* 鹽酸 HCl
* 硫酸 H2SO4（_K_a1/ 只限於第一酸度係數）
* 硝酸 HNO3
* 水合氫離子 H3O+ 或 H+。為方便起見，通常會以 H+ 取代 H3O+。但要注意的是，單獨而孤立的質子在帶有極性的水中不可能存在，而是常與水分子的其中一對孤偶電子對結合。這使在水合氫離子中的氧的形式電荷為 + 1。
* 一些化學家將氯酸（HClO3），溴酸（HBrO3），高溴酸（HBrO4），碘酸（HIO3），和高碘酸（HIO4）也列為強酸，但是沒有被公認。

 

### 超強酸

超強酸通常指酸性比純硫酸更強的酸。簡單的超強酸包括三氟甲磺酸（CF3SO3H）和氟磺酸（FSO3H），它們的酸性都是硫酸的上千倍。在更多的情況下，超強酸不是單一純淨物而是幾種化合物的混合物。

超強酸這一術語由詹姆斯・布萊恩特・科南特（James Bryant Conant）於 1927 年提出。喬治・安德魯・歐拉因其在碳正離子和超強酸方面的研究獲得 1994 年諾貝爾化學獎。

常見的超強酸（從最強到最弱）：

* 氟銻酸 HFSbF5 (1990) (pKa 值 = -28)
* 魔酸 FSO3HSbF5 (1974) (pKa 值 = -25)
* 碳硼烷酸 H (CHB11Cl11) (1969) (pKa 值 = -18.0)
* 氟磺酸 FSO3H (1944) (pKa 值 =-15.6)
* 三氟甲磺酸 CF3SO3H (1940) (pKa 值 =-14.6)
* 固體超強酸 SbF5-SiO2-Al2O3，SbF5-TiO2-SiO2 (pKa 值 = = -13.75 ~ -14.52)
* 過氯酸 (pKa 值 =-13)
* 純硫酸 (pKa 值 =-11.93)

；註:pKa 值，哈米特酸度函數

## 酸的製備

1. 酸和鹽的複分解反應，生成新酸和新鹽
2. 酸性氧化物和水的化合反應
3. 非金屬單質和氫的化合反應

## 常見的無機酸

## 食物中的酸

所有存在於天然食物中的有機酸都是弱酸。

* 抗壞血酸（維生素 C） - 可在水果中找到
* 乙酸（醋酸） - 可在醋中找到
* 單寧酸 - 可在茶中找到
* 酒石酸 - 可在葡萄中找到
* 檸檬酸 - 可在橙和檸檬等水果中找到
* 苯甲酸 - 可在蠔油找到

## 參考

## 參看

* 鹼、鹽基
* PH 指示劑
* ph 試紙
* pH 值