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强酸、超强酸和世界上最强的酸

酸是比许多人意识到的更常见的物质。它们存在于我们吃的食物、我们喝的液体、为我们的设备供电的电池等各种地方。除了无处不在之外,酸的特性也千差万别,其中最重要的恰恰是酸度。在接下来的部分中,我们将从不同的角度回顾酸的概念,我们将定义什么是强酸,我们还将看到科学界已知的最强酸的例子。

什么是酸?

酸和碱有几种不同的概念。根据 Arrhenius、Bromsted 和 Lowry 的说法,酸是能够在溶液中释放质子(H +离子)的任何化学物质。虽然这个概念适用于我们认为是酸的绝大多数化合物,但它不适用于其他行为类似于酸并产生酸性 pH 值溶液的物质,尽管如此,它们甚至没有氢阳离子在他们里面,它的结构。

鉴于上述情况,酸的最广泛和最广为接受的概念是路易斯酸,根据该酸,酸是任何缺乏电子的化学物质(通常具有不完整的八位位组)能够接受每部分的一对电子base,从而形成配位或配位共价键。这个概念比其他概念更普遍,因为它允许我们将酸和碱的概念扩展到我们习惯的水溶液之外。

酸度如何测量?

如果我们要谈论强酸和弱酸,我们必须有一种方法来衡量酸的相对强度,即我们必须能够测量它们的酸度,以便进行比较。在水溶液中,酸度是根据溶液中产生水合氢离子的能力来衡量的,通过直接向水分子提供质子:

强酸、超强酸和世界上最强的酸

或通过协调水分子产生质子损失给第二个水分子:

强酸、超强酸和世界上最强的酸

在这两种情况下,这些都是与称为酸解离常数或酸度常数( K a ) 的离子平衡常数相关的可逆反应。该常数的值或其负对数称为pK a,通常用作酸度酸度的量度。从这个意义上说,酸度常数值越高(或 pK a值越低),酸越强,反之亦然。

另一种类似但更直接的测量酸度的方法是通过实验测量不同酸溶液的 pH 值,但具有相同的摩尔浓度。pH值越低,物质越酸性。

超强酸的酸度

尽管上述测量酸度的方法适用于水溶液中的酸,但它们不适用于酸溶解在其他溶剂(特别是非质子溶剂或非氢溶剂)中的情况,或者纯酸除外。此外,水和其他溶剂具有所谓的酸均化效应,这会导致所有酸在一定程度的酸度后在溶液中表现相同。

为了克服这个困难,即水溶液中的所有强酸都具有相同的酸度,人们设计了其他测量酸度的方法。这些统称为酸度函数,最常见的是Hammett 或 H 0酸度函数。此功能在概念上与 pH 值类似,表示 Bromsted 酸质子化非常弱的通用碱(例如 2,4,6-三硝基苯胺)的能力,并由下式给出:

哈米特酸度函数

在这种情况下,pK HB+是弱碱的共轭酸溶于纯酸时酸度常数的负对数,[B] 是未质子化碱的摩尔浓度,[HB + ] 是浓度它的共轭酸。H 0越低,酸度越高。作为参考,硫酸的哈米特函数值为 -12。

强酸和弱酸

强酸被认为是所有在水溶液中完全离解的酸。换句话说,它们是那些在水中解离是不可逆过程的物质。另一方面,弱酸是那些在水中不完全解离的酸,因为它们的解离是可逆的,并且与它们相关的酸度常数相对较低。

超强酸

除了强酸,还有超强酸。这些都是那些比纯硫酸还强的酸。这些酸是如此之强,以至于它们甚至能够质子化我们通常认为是中性的物质,它们甚至可以使其他强酸质子化。

常见强酸列表

最常见的强酸是:

  • 硫酸(H 2 SO 4,只有第一次离解)
  • 硝酸 (HNO 3 )
  • 高氯酸 (HClO 4 )
  • 盐酸 (HCl)
  • 氢碘酸 (HI)
  • 氢溴酸 (HBr)
  • 三氟乙酸 (CF 3 COOH)

还有一些强酸的例子,但大多数酸都是弱酸。

氟锑酸:世界上最强的酸

已知最强的酸是一种称为氟锑酸的超强酸,分子式为 HSbF 6。由五氟化锑(SbF 5)与氟化氢(HF)反应制得。

氟锑酸,世界上最强的酸。

该反应生成六配位离子 [SbF 6 – ],由于多重共振结构将负电荷分布并稳定在元素周期表中电负性最强的元素 6 个氟原子上,因此该离子极其稳定。

在酸度方面,这种酸的哈米特酸度函数值介于 –21 和 –24 之间,这意味着这种酸的酸度是纯硫酸的 10 9到 10 12倍(记住哈米特酸度函数是对数函数,所以一个单位的每个变化都意味着一个数量级的变化)。

其他超强酸列表

  • 三氟甲磺酸或三氟甲磺酸 (CF 3 SO 3 H)
  • 氟磺酸 (FSO 3 H)
  • 魔酸(SbF5)-FSO 3 H

参考

Brønsted-Lowry 超强酸和 Hammett 酸度函数。(2021 年 10 月 4 日)。https://chem.libretexts.org/@go/page/154234

张 R. (2021)。化学(第 11版)。麦格劳希尔教育。

Farrell, I.(2021 年,10 月 21 日)。世界上最强的酸是什么?企业社会责任教育。https://edu.rsc.org/everyday-chemistry/whats-the-strongest-acid-in-the-world/4014526.article

D. Ganninger(2020 年,10 月 26 日)。世界上最强的酸——知识炖汤。中等的。https://medium.com/knowledge-stew/the-strongest-acid-in-the-world-eb7700770b78#:%7E:text=Fluoroantimonic%20acid%20is%20the%20strongest,a%20host%20of%20other% 20种物质

科学秀。(2016 年,12 月 19 日)。世界上最强的酸[视频]。YouTube。https://www.youtube.com/watch?v=cbN37yRV-ZY

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