共軛酸

共軛酸

酸鹼質子理論(Brønsted–Lowry acid–base theory,布朗斯特-勞里酸鹼理論)是丹麥化學家布朗斯特(J.N.Brønsted)和英國化學家湯馬士·馬丁·勞里(T.M.Lowry)於1923年各自獨立提出的一種酸鹼理論。

酸放出質子後形成的鹼,叫做該酸的共軛鹼;鹼接受質子後形成的酸,叫做該鹼的共軛酸。我們把相差一個質子的對應酸鹼,叫做共軛酸鹼對

基本介紹

  • 中文名:共軛酸
  • 英文名:Conjugate acid
  • 套用共軛酸鹼對
  • 特點:共軛結構
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共軛酸名稱

中文拼音:gòng è suān
英文名稱:Conjugate acid

共軛酸定義

共軛酸鹼對是一對以質子得失關係聯繫起來的酸和鹼。根據酸鹼質子理論,酸和鹼總是對應存在,酸給出質子變成其共軛鹼,而鹼得到質子變成其相應的共軛酸,這種關係叫共軛關係。如醋酸(HAc)和醋酸根(Ac)、氨 (NH3)和銨離子(NH4+)等均為共軛酸鹼對。在分析化學中,這種共軛體系常被作為酸鹼緩衝體系,即保持分析溶液為一定的pH值,不受外界少量的酸或鹼的加入以及溶液稀釋的影響。

酸鹼強弱

根據酸鹼的質子理論,容易放出質子的物質是強酸,而該物質放出質子後就不容易形成鹼,同質子結合能力弱,因而是弱的鹼。換言之,酸越強,它的共軛鹼就越弱;反之,鹼越強,它的共軛酸就越弱。
根據酸鹼質子理論,酸鹼在溶液中所表現出來的強度,不僅與酸鹼的本性有關,也與溶劑的本性有關。我們所能測定的是酸鹼在一定溶劑中表現出來的相對強度。同一種酸或鹼,如果溶於不同的溶劑,它們所表現的相對強度就不同。例如HAc在水中表現為弱酸,但在液氨中表現為強酸,這是因為液氨奪取質子的能力(即鹼性)比水要強得多。這種現象進一步說明了酸鹼強度的相對性。

酸鹼質子理論

根據布朗斯特德和勞萊的酸鹼質子理論,認為酸是能給出質子的物質,鹼是能接受質子的物質。酸失去質子,變成該酸的共扼鹼鹼得到質子後變成該鹼的共扼酸,有這種關係的酸鹼稱共扼酸鹼對。根據酸鹼的質子理論,酸或鹼可以是中性分子,也可以是陽離子或陰離子。既有酸的性質又有鹼的性質的物質稱為兩性物質,同理,具有酸的性質又有鹼的性質的溶劑為兩性溶劑。酸或鹼的失去質子或得到質子總是在某種溶劑中進行的,而兩性溶劑分子之間本身就能發生質子的轉移反應,即質子自遞作用。

套用

與電離理論最大的不同在於,質子理論裡面只有酸鹼的概念,而沒有鹽的概念。因此,在緩衝溶液中,緩衝對即為一對共軛酸鹼對。實際上套用共軛酸鹼對的概念,緩衝溶液可以只分成兩類,即弱酸及其共軛鹼和弱鹼及其共軛酸兩類。此外,在高濃度的強酸強鹼溶液中,由於H+或OH-的濃度本來就很高,外加少量酸或鹼不會對溶液的酸度產生太大的影響,在這種情況下,強酸強鹼也是緩衝溶液,它們主要是高酸度(pH<2)和高鹼度(pH>12)時的緩衝溶液。

共軛酸鹼對在緩衝原理中的套用

以HB—B-緩衝溶液體系為例,HB和B-的起始濃度很大,體系中存在共軛酸HB和它的共軛鹼。根據酸鹼反應的原則,不難知道,如果向此溶液中加入少量強酸時,溶液中的共軛鹼可以接受H+,生成HB,從而抵抗H+對pH的影響。如果向此溶液中加入少量強鹼時,溶液中的共軛酸HB可以接受羥基,生成B-,從而抵抗OH-對pH的影響。因為共軛酸鹼對的存在,所以可以抵抗少量外加酸鹼,從而保持緩衝溶液的pH值基本不變。

共軛酸鹼對在緩衝對選擇中的套用

實際工作中需要製備某一pH值的緩衝溶液時,可按下列步驟進行:
按照電離理論,選擇一種緩衝對,使其中弱酸(或弱鹼)的pKa(或pKb)與所需要的pH(或pOH)相等或相近,如pKa或(pKb)與所需要的pH(或pOH)值不完全相等時,則按所要求的pH(或pOH)值,利用緩衝方程式,計算出所需的弱酸(或弱鹼)和鹽的濃度比。按照質子理論,僅僅將“鹽”換成“共軛鹼”(或“共軛酸”)而已。

共軛酸鹼對緩衝能力大小影響因素

通過電位滴定,對總濃度相同的3 種緩衝體系在不同緩衝比時的抗酸鹼能力做了對比,得出結論:總濃度一定時,緩衝容量β 隨著緩衝比的改變而改變,但是緩衝比為1 的緩衝溶液的緩衝容量β 不是最大的。要正確比較緩衝容量大小,必須說明是抗酸能力還是抗鹼能力,抗酸能力的大小取決於共軛鹼的濃度大小,抗鹼能力的大小取決於共軛酸的濃度大小。並對緩衝容量β-V 圖的變化趨勢作了解讀。
滴定過程
一般情況下,緩衝溶液的總濃度控制在0.05 ~ 0.20mol /L 之間,因此本文選擇共軛酸鹼的濃度均為0.1mol /L,按照表1 配製成緩衝溶液。考慮到稀釋效應的影響,分別用0.5mol /L NaOH 溶液和0.5mol /L HCl 溶液滴定,記錄pH 和滴定液的體積V,由β = n /( V︱ΔpH︱) ( n 為外加的一元強酸或強鹼的物質的量,V 為緩衝溶液的體積,ΔpH 為緩衝溶液pH 的變化量) 計算出緩衝容量β,做出β-V 圖。
結果與討論
1 同一緩衝體系不同緩衝比的抗酸抗鹼能力對比
由圖1 ~ 6 可知,對同一個緩衝體系進行比較,緩衝比為3 時,緩衝溶液的抗酸能力是最強的,抗鹼能力是最弱的;緩衝比為1 /3 時,緩衝溶液的抗酸能力是最弱的,抗鹼能力是最強的;緩衝比為1 的體系,抗酸能力和抗鹼能力都不是最強的,而是居於中等。因此在描述緩衝容量時,必須說明是抗酸能力還是抗鹼能力,而不是籠統地說緩衝容量。每個滴定實驗重複了3 次,實驗的重現性良好。為什麼實驗結果是這樣的呢? 原因在於:抗酸能力的大小取決於抗酸成分即共軛鹼的濃度大小,抗鹼能力的大小取決於抗鹼成分即共軛酸的濃度大小。緩衝比為3,緩衝溶液的抗酸成分即共軛鹼的濃度是最大的,抗鹼成分即共軛酸的濃度是最小的; 緩衝比為1 /3,則剛好相反;緩衝比為1 時,它的共軛鹼和共軛酸濃度都不是最大的,因此它的抗酸能力和抗鹼能力都居於中等。
2 3 個緩衝體系緩衝比為1 的抗酸抗鹼能力對比
儘管緩衝比為1 的緩衝溶液的抗酸和抗鹼能力都不是最大的,但是它們的抗酸和抗鹼能力卻都是比較大的。所以在選擇緩衝溶液時可以選擇合適的pKa的緩衝對,然後選擇緩衝比接近1 的緩衝溶液。下面比較不同緩衝體系緩衝比為1 時的抗酸抗鹼能力。每個滴定實驗重複3 次,實驗的重現性良好。總的來說,同一緩衝體系,當緩衝比為1 時,鹼性溶液、中性溶液、酸性溶液的抗鹼能力與抗酸能力沒有明顯規律。並不像文獻所說,“酸性緩衝溶液和鹼性緩衝溶液的抗酸能力不同,一般來說,酸性緩衝溶液的抗酸能力較強”。
3 β-V 圖變化趨勢的解讀
當外加的強酸或強鹼比較少時,所有緩衝體系中的抗酸成分和抗鹼成分的濃度都比較大,β 先有一個比較大的值,但隨著外加的強酸或強鹼的量增加時,β 都會經過一個急劇下降的過程,因為緩衝溶液的緩衝能力到了最大值後,就要下降。選擇緩衝溶液時,應該選擇β 比較大的範圍。

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