文档文本内容
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酸碱理论
学习目标
1. 掌握Arrhenius、Bronsted-Lowry 和
Lewis 酸碱理论
2. 了解极化效应和化学键的变形情况
3. 能够根据不同的情形，应用某一酸碱理
论解释化学现象
课程大纲
1. Arrhenius 酸碱理论
2. Bronsterd-Lowry 酸碱理论
3. Lewis 酸碱理论
4. 软硬酸碱理论
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高一/ 化学/ 实验A 班
1. Arrhenius 酸碱理论
1.1 理论简介
Arrhenius 酸碱理论是瑞典化学家Svante Arrhenius 于1884 年提出，其主要的观点是根据化合物在水中电离
出的离子来将其分为酸与碱。
1.1.1 Arrhenius 酸
在水中电离出的阳离子全部为H+ 的化合物被称为Arrhenius 酸。如HCl 在水中电离得到H+ 和Cl−，所以
HCl 为Arrhenius 酸。
HCl(aq) →H+(aq)+Cl−(aq)
事实上，在水中的H+ 并不是单独存在的，它会和H2O 结合生成诸如H3O+ 之类的水和氢离子。
1.1.2 Arrhenius 碱
在水中电离出的阴离子全部为OH−的化合物被称为Arrhenius 碱。如NaOH 在水中电离得到Na+ 和OH−，
所以NaOH 为Arrhenius 碱。
NaOH(aq) →Na+(aq)+OH−(aq)
需要注意的是，有些文献中是根据化合物在水中能否生成OH−来判断其是否为Arrhenius 碱，按照这样的定
义甲胺也是Arrhenius 碱。
CH3NH2(aq)+H2O(l) ⇌CH3NH+
3 (aq)+OH−(aq)
1.2 酸碱反应
Arrhenius 酸和Arrhenius 碱反应得到盐和水。
HF(aq)+LiOH(aq) →H2O(l)+LiF(aq)
1.3 总结
Arrhenius 酸碱理论根据化合物在水溶液中是否产生H+ 和OH−来将化合物分为酸和碱，酸碱反应得到盐
和水。虽然Arrhenius 酸碱理论成功的解释了一些现象，但是也存在明显的局限性：其应用范围仅仅在水溶液体系
中。随着化学的不断发展，化学家开始关注在非水体系中进行的反应，甚至在气相中进行的反应，此时就不能再应
用Arrhenius 酸碱理论了。
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第3 讲
酸碱理论
2. Bronsterd-Lowry 酸碱理论
2.1 理论简介
Bronsted−Lowry 酸碱理论于1923 年被丹麦化学家Johannes Nicolaus Brnsted 和英国化学家Thomas Martin Lowry
各自独立提出，其主要的观点是根据物质能否给出和接受H+ 即质子来将其分为酸与碱。Bronsted−Lowry 酸碱理
论将酸碱的范围扩大，酸和碱可以是带电的微粒，而不必是化合物。
2.1.1 Bronsted−Lowry 酸
能够给出质子的物质被称为Bronsted−Lowry 酸。Bronsted−Lowry 酸包含了Arrhenius 酸。另外，像NH+
4 这
类离子也能给出质子，故也属于Bronsted−Lowry 酸。
2.1.2 Bronsted−Lowry 碱
能够接受质子的物质被称为Bronsted−Lowry 碱。Bronsted−Lowry 碱同样也包含了Arrhenius 碱。同样的，像
OH−离子可以接受质子，属于Bronsted−Lowry 碱。
例 题
1
根据质子理论指出下列物种哪些是酸？哪些是碱？哪些是两性物质？
H2S，HCl，H2PO−
4 ，NH3，CO2−
3 ，NO−
2 ，SO2−
4 ，OH−，OAC−
2.2 酸碱反应
通常的Arrhenius 酸碱反应也是Bronsted−Lowry 酸碱反应，同时由于Bronsted−Lowry 酸碱理论只考虑质子
的得失，因此使得酸碱反应的范围也相应的变大，比如，HCl 气体溶于水中，HCl 分子将质子转移到H2O 分子上，
这也是一个酸碱反应。
H2O+HCl →H3O+ +Cl−
另外，此时酸碱反应也不再局限在溶液中。气相中发生的反应，如HCl 气体和NH3 的反应生成NH4Cl，也是
酸碱反应，因为发生了质子的转移。
NH3(g)+HCl(g) →NH+
4 (s)+Cl−(s)
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例 题
1
指出下列物质在液氨中的酸碱行为（写出反应方程式）
CH3CO2H，H2NCONH2，CH3CH2OH，NaH
2
指出下列物质在100% H2SO4 中的酸碱行为（写出反应方程式）
HNO3，CH3CO2H，HClO4，C2H5OH，H2NCONH2，SO3
3
写出下列各反应的方程式
（1）在液氨中，氨基钾与苯胺作用。
（2）往浓H2SO4 −HNO3 体系中通入HCl 气体生成NO2Cl。
（3）硼酸溶解于硫酸中。
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第3 讲
酸碱理论
2.3 共轭酸碱对
我们首先来考虑酸在水中的电离的反应：
HA+H2O ⇌H3O+ +A−
对于正反应而言，HA 是酸，H2O 是碱，因为质子从HA 转移到了H2O 上，对于逆反应而言，H3O+ 是酸，A−
是碱，质子从H3O+ 上转移到了A−上。这样对于一个可逆反应来说，就存在两个酸和两个碱，并且酸和碱是可以
相互转换的：酸HA 失去质子变为碱A−，而碱A−也可以得到质子变为酸HA，对于H3O+ 和H2O 来说也是同样
如此。因此我们把这样的一对酸碱称为共轭酸碱对。A−是HA 的共轭碱，HA 是A−的共轭酸。
H2O 分子既能接受质子变为H3O+，也能够给出质子生成OH−，因此按照Bronsted-Lowry 酸碱理论，其既有
酸性又有碱性，属于两性分子。H2O 是H3O+ 的共轭碱，也是OH−的共轭酸。
这种既是酸又是碱的情况在多元酸中更加常见，如H3PO4 体系。
HPO2−
4 (aq)+H+(aq) →H2PO−
4 (aq)
HPO2−
4 (aq)+H2O(l) ⇌H2PO−
4 (aq)+OH−(aq)
例 题
1
指出下列各物种的共轭碱或共轭酸
NH3，NH−
2 ，NH2−，H2O，HI
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2.4 酸碱性强度
根据给出质子能力的不同，可以将酸分为强酸和弱酸，衡量给质子能力的标准就是Ka，Ka 越大酸性越强。
[H+] 代表质子化的溶剂的浓度，因而在不同的溶剂中代表的含义不同，在水中是指H3O+ 的浓度，在液氨中指
NH+
4 的浓度。
HA ⇌A−+H+
Ka = [A−][H+]
[HA]
对于碱来说，衡量接受质子能力的标准就是Kb，Kb 越大碱性越强。HS 是溶剂。
B+HS ⇌HB+ +S−
Kb = [HB+][S−]
[B][HS]
下图是根据在水溶液中解离常数的大小的酸碱性排序。
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第3 讲
酸碱理论
2.4.1 拉平效应
我们注意到在上图中到HBr、HCl、H2SO4、HNO3、H3O+ 等酸都被标为强酸，这是因为这些酸在水溶液中均能
完全电离，因而Ka 接近无穷大，无法对它们进行区分，也就是说H2O 并不能分辨这些酸给出质子的能力，将这些
酸对给质子能力拉平了，这被称为拉平效应，H2O 被称为这些强酸的拉平试剂。
2.4.2 区分效应
在水溶液中无法区分HI、HBr、HCl 的酸性强弱，但是在甲醇和醋酸中这三种酸的电离常数显示出不同：
HI > HBr > HCl。溶剂使得强酸的强度显示出差别的效应称为区分效应，这种溶剂也被称为区分溶剂。
例 题
1
排出下列各酸在醋酸中的酸强度次序
CH3COOH，H2SO4 ，HNO3 ，HCIO4 ，HCl ，HF
2.4.3 共轭酸碱对的酸碱性强度
一对共轭酸碱，其Ka 和Kb 之积只与溶剂有关，在水溶液中这个数值是水的离子积常数Kw，在一定的温度和
压力下是定值。因而酸的酸性越强，其共轭碱的碱性就越弱。
例 题
1
液氨的自电离常数为1.0×10−33，求液氨中铵根离子的浓度
2.5 总结
Bronsted-Lowry 酸碱理论根据物质能否给出或接受质子来将物质分为酸和碱，酸碱反应本质上是质子的转
移。有质子的给予体，就必然有质子的接受体，因此在该理论下，酸和碱是同时存在的，酸失去质子后就变为碱，这
就是共轭酸碱对的概念。Bronsted-Lowry 酸碱理论成功地将酸碱反应的范围推广到了非水体系中，在不同的溶剂
中我们可以比较原先在水溶液中无法分辨的酸的酸性强弱。
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3. Lewis 酸碱理论
3.1 理论简介
Lewis 酸碱理论于1923 年被美国化学家Gilbert N. Lewis 提出，其主要的观点是根据物质能否给出或接受孤
对电子，将其分为酸和碱。这种酸碱的定义使得酸碱的概念和物质的微观结构产生了联系。因为Lewis 酸碱理论
关注的对象是电子对的给予和接受，也被称为酸碱电子理论。
3.1.1 配位化合物简介
（1）配位键
配位键是一种特殊的共价键。当共价键中共用的电子对是由其中一原子独自提供时，就称配位键。配位键形
成后，与一般共价键无异。
（2）配位化合物定义
由提供孤电子对（NH3、H2O、X−）或π 电子（H2C=CH2、
、
）的物种与提供适当空轨道的物种
（金属原子或金属离子）组成的化合物称为配位化合物，简称为配合物。例如：
[Ag(NH3)2]+，[PtCl4]2−，
，
3.1.2 Lewis 酸
能够接受孤对电子的物质被称为Lewis 酸。如BF3，硼原子采用sp2 杂化，与三个氟原子成键后，仍然空余一
个p 轨道可以接受孤对电子。
3.1.3 Lewis 碱
能够给出孤对电子的物质被称为Lewis 碱。如NH3，氮原子上有一对孤对电子，可以给出孤对电子。
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第3 讲
酸碱理论
例 题
1
判断下列物质中哪些是路易斯酸？哪些是路易斯碱？
①HAc，②NO−
2 ，③HNO2，④NH−
2 ，⑤Br2，⑥NO+
2 ，⑦SiCl4，⑧BF3，⑨AlCl3
3.2 酸碱反应
在Lewis 酸碱理论中，酸碱反应的实质就是形成配位键生成酸碱配合物的过程，如BF3 接受F−离子的一对
孤对电子生成BF−
4 离子，质子的水合过程等。
例 题
1
下列化合物谁是更强的路易斯酸？说明理由
(CH3)3B，Cl3B，F3B
3.3 总结
Lewis 酸碱理论根据物质能否给出或接受孤对电子来将物质分为酸和碱，酸碱反应本质上配位键的形成。
Lewis 酸碱理论扩大了酸的范围，因为能接受电子对作为Lewis 酸的物质不仅是质子，也可以是金属离子或缺电
子的分子等。Lewis 酸碱理论将酸碱反应的范围拓展到有机化学和配位化学中。
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4. 软硬酸碱理论
4.1 理论简介
1963 年，美国化学家RalphPearson 在Lewis 酸碱理论的基础上提出了软硬酸碱理论，根据Lewis 酸碱得失电
子对的难易程度，将酸分为软、硬酸，碱分为软、硬碱，以体现各种酸碱的特性。
在软硬酸碱理论中，酸、碱被分别归为“硬”、
“软”两种。
“硬”是指那些具有较高电荷密度、较小半径的粒子（离
子、原子、分子），即电荷密度与粒子半径的比值较大。
“软”是指那些具有较低电荷密度和较大半径的粒子。
4.1.1 化学键与极化
（1）离子键
电离能较小的金属原子（如碱金属与碱土金属）和电子亲和能较大的非金属原子（如卤素及氧族原子）靠
近时，前者易失去电子变成正离子，后者易获得电子变成负离子，这样正、负离子便都具有类似稀有气体原子的稳
定结构。它们之间靠库仑静电引力结合在一起而生成离子化合物。这种正负离子间的静电吸引力叫作离子键。
（2）共价键
原子之间可以通过共享电子对而使每一个原子具有稳定的稀有气体电子结构，这样构成的分子称为共价分
子，原子通过共用电子对而形成的化学键称为共价键。
（3）离子极化
离子键的理想情况是离子的电子云分布呈球形对称。实际上，离子在周围异电荷离子电场的作用下被诱导极
化，或多或少也会发生电子云变形而偏离原来的球形分布，这一现象称为离子的极化。离子极化后，电子云较多地
分布在正、负离子之间，增加了键的共价性成分。随着离子极化程度增大，离子键也逐渐向共价键过渡。在严重极
化情况下，离子键实际上已经转化为共价键了。
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第3 讲
酸碱理论
（4）离子变形性
离子变形性是指离子在外电场作用下电子云变形的能力，主要决定于离子的核电荷对外层电子吸引的紧密
程度和外层电子数目。一般说来，离子半径越大，变形性也越大；负离子价数越高，变形性越大；正离子价数越高，
变形性越小；通常负离子变形性比正离子大得多。离子的变形性可用极化率衡量，极化率越大，变形性越大。
（5）离子极化能力
离子极化能力是指离子对周围离子电子云所施加的电场强度。一般对外围电子构型相同的离子而言，半径越
小，正电荷越高，极化能力越强。离子极化能力与Z/r 成正比。其中Z 代表离子的电荷数，r 是离子半径，Z/r 常称
为离子势。通常负离子的变形性高于正离子，而正离子的极化能力高于负离子。因此考虑离子极化时，主要是考
虑正离子对负离子的极化。
4.1.2 软酸与硬酸
软酸包括Ag+、Pt2+、Hg2+ 等金属离子，硬酸包括Al3+、Ti4+ 等金属离子。从离子极化的角度来看，软酸的极
化能力较弱，而硬酸的极化能力较强。
4.1.3 软碱与硬碱
软碱包括S2−、I−等离子，硬碱包括F−、Cl−、H2O 等。从离子变形性的角度来看，软碱的变形性较大，而硬碱
的变形性较小。
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高一/ 化学/ 实验A 班
除了“硬”、
“软”两种之外，还有介于两者之间的交界酸碱，交界酸如Cu2+、Fe2+，交界碱如NO−
2 、SO2−
3
等。下
图给出了软硬酸碱在元素周期表中的分布，左侧为软硬酸、右侧为软硬碱。
4.2 酸碱反应
在软硬酸碱理论中，酸碱结合倾向的规律是：
“硬酸优先和硬碱结合，软酸优先和软碱结合”，即反应倾向于生
成硬-硬、软-软化合物。结合离子极化理论，可以认为硬-硬化合物中主要是离子键，而软-软化合物中主要是共
价键。
例 题
1
卤化银的溶解度AgF > AgCl > AgBr > AgI，请用软硬酸碱理论解释之。
4.3 总结
在Lewis 酸碱理论的基础上建立的软硬酸碱理论给出了根据电子对给予或接受体的性质将其分为软和硬两
种属性，并具有“硬亲硬、软亲软”的反应特点。软硬酸碱理论其实包含了离子极化的概念，并将酸碱的概念在无机
化学和配位化学中做了延伸。
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第3 讲
酸碱理论
本讲总结
本章主要介绍了三种酸碱理论：Arrhenius、Bronsted-Lowry 和Lewis 酸碱理论，逐渐将酸碱的范围扩大，从水
溶液体系到非水体系，从质子的得失到电子对的得失。Arrhenius 酸碱理论和Bronsted-Lowry 理论可以应用于水溶
液体系，解释水溶液中的酸碱性，在非水体系中就需要用到Bronsted-Lowry 理论。Lewis 酸碱理论可以用来解释有
机化学和配位化学中的现象，软硬酸碱理论则是主要用于研究无机化合物和配位化合物的性质。
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高一/ 化学/ 实验A 班
科学小故事
吉尔伯特·牛顿·路易斯（Gilbert Newton Lewis，1875—1946 年），美国化学家，美国加州大学伯克利分校教授、
前伯克利化学院院长，曾41 次获得诺贝尔化学奖提名，而他从未获奖也成为诺贝尔奖历史上的巨大争议之一。路
易斯是化学热力学创始人之一，提出了电子对共价键理论、酸碱电子理论等，化学中的“路易斯结构式”即是以其
名字命名，他还在同位素分离、光化学领域做出了贡献，并于1926 年命名了“光子（photon）”。
吉尔伯特·路易斯1875 年10 月25 日生于马萨诸塞州的韦茅斯。1891 年起，他先后在内布拉斯加大学和哈
佛大学学习，1899 年获得哈佛化学博士学位。后去德国莱比锡大学和哥廷根大学进修，曾在物理化学家奥斯特瓦
尔德以及能斯特的指导下从事研究工作。1901 年返回哈佛大学任教，1905-1912 年在麻省理工学院任教并致力于
物理化学研究，1911 年成为正教授。1912 年后至加利福尼亚大学伯克利分校任教，直至去世。
在伯克利任教期间，路易斯担任该校理学院院长兼化学系主任，一直干到70 岁才退休。在担任化学系主任期
间他教学和研究工作都做得十分出色，那里一时群英荟萃，人才济济。路易斯十分重视基础教育，他要求化学系的
所有教师都要参加普通化学课程的教学和建设，要求低年级学生必须打好基础，为此他选派一流的教师给低年级
学生上课。由于路易斯指导有方，教学得法，伯克利分校化学系培养出大量优秀人才。虽然路易斯曾获得41 次诺
贝尔奖提名，但自己没有得过诺贝尔奖。而在他领导和指导的研究生中有5 名获得过诺贝尔奖：
哈罗德·克莱顿·尤里——氘、重水的发现者，1934 年诺贝尔化学奖得主。
威廉·弗朗西斯·吉奥克——超低温化学的应用技术发明者，1949 年诺贝尔化学奖得主。
格伦·西奥多·西博格——镎、镅、锔和锫等元素的发现者，1951 年诺贝尔化学奖得主。
威拉得·利比——碳14 测年的发明者，1960 年诺贝尔化学奖得主。
梅尔文·卡尔文——光合作用机理的研究和卡尔文循环发现者，1961 年诺贝尔化学奖得主。
路易斯使得伯克利成为世界上最重要的化学中心之一，而伯克利校园内的“路易斯楼（Lewis Hall）”也是以
其名字命名。
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第3 讲
酸碱理论
课堂笔记
