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{{NoteTA|G1=Chemistry}}
{{酸鹼}}
'''酸碱理论'''指阐述[[酸]]、[[碱]]及酸碱反应本质的各种理论。在历史上曾有多种酸碱理论，其中重要的包括：
* [[阿伦尼乌斯]]酸碱理论——[[酸碱电离理论]]
*[[约翰内斯·尼古劳斯·布仑斯惕|布仑斯惕]]-[[马丁·劳里|劳里]]酸碱理论——[[酸碱质子理论]]
* [[吉爾伯特·路易士|路易士]]酸碱理论——[[酸碱电子理论]]
* 酸碱溶剂理论
* [[软硬酸碱理论]]

== 酸和碱的定义 ==

=== 历史性的突破 ===
酸碱反应的概念最早由[[纪尧姆-弗朗索瓦·鲁埃勒]]于 1754 年提出，他将“[[碱]]”一词引入化学中，表示与[[酸]]反应生成固体形式（作为盐）的物质。 碱本质上大多是苦的<ref>{{Cite journal |last=Jensen |first=William B. |date=2006-08 |title=The Origin of the Term "Base" |url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed083p1130 |journal=Journal of Chemical Education |language=en |volume=83 |issue=8 |doi=10.1021/ed083p1130 |issn=0021-9584 |access-date=2024-04-18 |archive-date=2023-12-18 |archive-url=https://web.archive.org/web/20231218004541/https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed083p1130 |dead-url=no }}</ref>。

=== 拉瓦锡的定义（酸中需含有氧元素） ===
酸和碱的第一个科学概念是由[[安托万-洛朗·德·拉瓦锡|拉瓦锡]]在1776年左右提出的。

[[安托万-洛朗·德·拉瓦锡|拉瓦锡]]认为[[氧]]是酸中不可或缺的组分，将氧定义为酸生成者（οξυς γεινομαι），并且认为当时还未研究清楚成分的[[氢卤酸]]中也含有氧元素。 这是因为[[安托万-洛朗·德·拉瓦锡|拉瓦锡]]对强酸的知识仅限于含氧酸，例如硝酸（[[硝酸|HNO<sub>3</sub>]]）和硫酸（[[硫酸|H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>]]），这些酸有一个中心原子，中心原子具有高氧化态，且被氧原子包围。并且当时的科学界也不清楚氢卤酸（HF、HCl、HBr 和 HI）的准确组成。

拉瓦锡的定义持续了 30 多年，直到[[汉弗里·戴维|汉弗莱·戴维]]于 1810 年发表文章和随后的讲座，证明[[硫化氫|硫化氢]] (<chem>H2S</chem>)、[[碲化氢]] (<chem>H2Te</chem>) 和[[氢卤酸]]中不含氧。 然而，[[汉弗里·戴维|戴维]]未能发展出新的理论，他得出的结论是“酸度并不取决于任何特定的元素，而是取决于不同元素的特殊排列”<ref>{{Cite journal |last=Hall |first=Norris F. |date=1940-03 |title=Systems of acids and bases |url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed017p124 |journal=Journal of Chemical Education |language=en |volume=17 |issue=3 |doi=10.1021/ed017p124 |issn=0021-9584 |access-date=2024-04-18 |archive-date=2023-07-09 |archive-url=https://web.archive.org/web/20230709174205/https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed017p124 |dead-url=no }}</ref>。

[[永斯·贝采利乌斯]]对[[安托万-洛朗·德·拉瓦锡|拉瓦锡]]的氧理论进行了一项值得注意的修改，他指出酸是非金属的氧化物，而碱是金属的氧化物。

=== 李比希的定义（酸中需含有氢元素） ===
1838年，[[尤斯图斯·冯·李比希]]提出酸是一种含[[氢]]化合物，酸中的[[氢|氢元素]]可被[[金属]]取代<ref>{{Cite journal |last=Kauffman |first=George B. |date=2000-02 |title=Inorganic Chemistry, 2nd Edition (Miessler, Gary L.; Tarr, Donald A.) |url=http://dx.doi.org/10.1021/ed077p165.1 |journal=Journal of Chemical Education |volume=77 |issue=2 |doi=10.1021/ed077p165.1 |issn=0021-9584}}</ref><ref>{{Cite journal |last=Jones |first=Kevin |last2=Meyers |first2=Philip |last3=Gobin |first3=Pierre |last4=Liu |first4=Ai-Hsi |date=2003-09 |title=Embolization of spinal tumors |url=http://dx.doi.org/10.1053/s1092-440x(03)00041-0 |journal=Operative Techniques in Neurosurgery |volume=6 |issue=3 |doi=10.1053/s1092-440x(03)00041-0 |issn=1092-440X}}</ref><ref>{{Cite journal |last=Basu |first=Umprasanna |date=1934 |title=Synthese von Bz-tetrahydro-chinolinen |url=http://dx.doi.org/10.1002/jlac.19345120112 |journal=Justus Liebig's Annalen der Chemie |volume=512 |issue=1 |doi=10.1002/jlac.19345120112 |issn=0075-4617}}</ref>。这一重新定义基于他对有机酸化学成分的广泛研究，完成了[[汉弗里·戴维|戴维]]发起的从[[氧基酸]]到[[氢基酸]]的学说转变。 [[尤斯图斯·冯·李比希|李比希]]的定义虽然完全是经验性的，但在[[斯万特·奥古斯特·阿伦尼乌斯|阿伦尼乌斯]]定义被采用之前一直沿用了近 50 年<ref>{{Cite journal |last=Strohbusch |first=F. |date=1983-04 |title=A New View of Current Acid‐Base‐Theories. Von H. L. Finston und A. C. Rychtman. John Wiley &amp; Sons, New York – Chichester – Brisbane – Toronto – Singapore 1982. VIII, 216 S., £ 35.– |url=http://dx.doi.org/10.1002/ciuz.19830170211 |journal=Chemie in unserer Zeit |volume=17 |issue=2 |doi=10.1002/ciuz.19830170211 |issn=0009-2851}}</ref>。 

=== 阿伦尼乌斯的定义 ===
{{main|酸碱电离理论}}
[[File:Arrhenius2.jpg|thumb|right|现在阿伦尼乌斯酸碱理论仍然被广泛用于理解酸碱反应的概念。<ref name="miessler_165">Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p165</ref>]]

该理论以[[阿伦尼乌斯]]与[[威廉·奥斯特瓦尔德]]在1884年左右的研究为基础，相比其他酸碱理论更加简明易懂。阿伦尼乌斯本人也因此获得1903年的[[诺贝尔化学奖]]。

至于该理论中的酸碱定义，可用以下句子来描述：
{{cquote|阿伦尼乌斯酸碱理论中，酸在水溶液中解离出氢离子，而碱则解离出氢氧根离子。}}

也就是说，阿伦尼乌斯酸被加入水后，必须直接或间接引起：

* 水合氢离子浓度增加，或
* 氢氧根离子浓度降低

而阿伦尼乌斯碱被加入水后，必须直接或间接引起：

* 水合氢离子浓度降低，或
* 氢氧根离子浓度增加

酸碱反应的本质是氢离子与氢氧根离子反应生成水。
:2 H<sub>2</sub>O → OH<sup>−</sup> + H<sub>3</sub>O<sup>+</sup><ref>水合氢离子H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>简写作H<sup>+</sup>：2 H<sub>2</sub>O → H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> + OH<sup>−</sup> = H<sub>2</sub>O → H<sup>+</sup> + OH<sup>−</sup></ref>
因此在该理论下，酸碱反应生成盐和水的过程也被称作[[中和反应]]。<ref name="miessler_165" />
:酸<sup>+</sup> + 碱<sup>−</sup> → 盐 + 水

碱中的阳离子可与酸中的阴离子成盐。比如，两[[摩尔 (单位)|摩尔]]的[[氢氧化钠]]（NaOH）与一摩尔的硫酸（H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>）反应，产物是两摩尔水和一摩尔[[硫酸钠]]：
:2NaOH + H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> → 2 H<sub>2</sub>O + Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>

=== 布仑斯惕（Brønsted）及劳里（Lowry）酸鹼學說 ===
{{main|酸碱质子理论}}
丹麦化学家[[约翰内斯·尼古劳斯·布仑斯惕]]和英国化学家[[马丁·劳里|托马斯·马丁·劳里]]于1923年分别提出酸碱质子理论，也称为布朗斯特-劳瑞酸碱理论。该理论认为，凡是能给出[[质子]]（H<sup>+</sup>）的物质都是酸，凡能接受质子的物质都是碱，而既能给出质子，也能接受质子的物质称为[[两性 (化学)|两性物质]]。<ref name="miessler_165" /><ref name="Clayden_1">Clayden, J., Warren, S., et al. (2000), p182-184</ref><ref name="miessler_167">Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991), p167-169 -- According to this page, the original definition was that "acids have a tendency to lose a proton"</ref> 酸和碱不是孤立的，它们通过质子互相联系，用通式可以表示为：

:酸 → 碱 + 质子
这样的一对酸碱称为[[共轭酸碱对]]，其中的酸和碱分别称为相应物质的共轭酸及共轭碱。<ref name="miessler_165" /><ref name="miessler_167" />

与阿伦尼乌斯酸碱理论不同的是，布仑斯惕酸碱不仅限于电中性的分子，也包括带电的阴阳离子。而该理论之下的酸碱反应则是两对共轭酸碱对之间传递质子的反应，不一定生成盐和水：
:'''酸<sub>1</sub> + 碱<sub>2</sub> → 碱<sub>1</sub> + 酸<sub>2</sub>'''
:AH + B → A<sup>−</sup> + BH<sup>+</sup>

水是[[两性 (化学)|两性]]的——也就是说，它既可以作为酸也可以作为碱。布仑斯惕酸碱模型解释了这一点，显示了水分解成低浓度的水合氢离子和氢氧根离子：
:H<sub>2</sub>O + H<sub>2</sub>O ⇌ H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> + OH<sup>−</sup>
以下是水分别作为酸和碱参与反应的例子：
:HCl (aq) + H<sub>2</sub>O → H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> (aq) + Cl<sup>−</sup> (aq)
:C<sub>5</sub>H<sub>5</sub>N + H<sub>2</sub>O ⇌ [C<sub>5</sub>H<sub>5</sub>NH]<sup>+</sup> + OH<sup>−</sup>

布仑斯惕酸碱在形式上独立于任何溶剂，例如，考虑当乙酸 CH<sub>3</sub>COOH 溶解在液氨中时会发生什么：
:CH<sub>3</sub>COOH + NH<sub>3</sub> → NH<sub>4</sub><sup>+</sup> + CH<sub>3</sub>COO<sup>−</sup>

=== 路易斯的定义 ===
{{main|酸碱电子理论}}
{{see|路易斯酸|路易斯碱}}
路易斯酸碱理论由[[吉尔伯特·牛顿·路易斯]]在1923年提出，<ref name="lewis_1">Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p166 - Table of discoveries attributes the date of publication/release for the Lewis theory as 1923.</ref> 结合了布朗斯特-劳里和酸碱溶剂理论的特点，在水溶液和非水溶剂中都有很广的应用。<ref name="lewis_2">Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p170-172</ref> 该理论着重探讨电子的给予与获得，<ref name="lewis_2" />[[路易斯酸]]被定义为电子接受体，而[[路易斯碱]]则是电子给予体。

: Ag<sup>+</sup> (酸) + 2 :NH<sub>3</sub> (碱) → [H<sub>3</sub>N:Ag:NH<sub>3</sub>]<sup>+</sup> (酸碱加合物)

路易斯酸与路易斯碱反应时，路易斯碱含有孤对电子的最高占有轨道（[[HOMO]]）向路易斯酸[[缺电子]]的最低未占轨道（[[LUMO]]）贡献电子生成配位键，产物称作酸碱[[加合物]]。<ref name="lewis_2" /> 在强极性分子如[[三氟化硼]]中，<ref name="lewis_2" />[[电负性]]强的元素吸引电子，带有部分负电荷，电负性弱的元素则带有部分正电荷，孤对-成键电子（Lp-Bp）之间作用力超过成键-成键电子（Bp-Bp）之间的作用力。<ref name="lewis_2" /> 金属离子的加合物被称为[[配位化合物]]。<ref name="lewis_2" />

路易斯酸碱的定义与布仑斯惕酸碱具有一致性，比如下面的反应在两种理论中都是酸碱反应：

: H<sup>+</sup> + OH<sup>−</sup> ⇌ H<sub>2</sub>O

=== 溶剂理论 ===
该理论與阿伦尼乌斯对所有[[自偶解离]]溶剂的定义有关。在这些溶剂中，存在中性溶剂分子与解离出的阳离子和阴离子之间的平衡：
: 2H<sub>2</sub>O {{unicode|⇌}} H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> ([[水合氢离子]]) + OH<sup>−</sup> ([[氢氧根]])
: 2NH<sub>3</sub> {{unicode|⇌}} NH<sub>4</sub><sup>+</sup> ([[铵]]) + NH<sub>2</sub><sup>−</sup> ([[氨基負離子]])
非质子溶剂：
: N<sub>2</sub>O<sub>4</sub> {{unicode|⇌}} NO<sup>+</sup> ([[亚硝基正离子]]) + NO<sub>3</sub><sup>−</sup> ([[硝酸根]])
: 2SbCl<sub>3</sub> {{unicode|⇌}} SbCl<sub>2</sub><sup>+</sup>  + SbCl<sub>4</sub><sup>−</sup> 

酸导致溶剂阳离子浓度上升，阴离子浓度下降；而碱则导致阳离子浓度下降，阴离子浓度上升。例如在液[[氨]]中，[[氨基钾|KNH<sub>2</sub>]]提供NH<sub>2</sub><sup>−</sup>离子，是[[强碱]]，而[[硝酸铵|NH<sub>4</sub>NO<sub>3</sub>]]提供NH<sub>4</sub><sup>+</sup>离子，是[[强酸]]。在液态[[二氧化硫]]（SO<sub>2</sub>）中，[[亚硫酰基]]化合物是酸，提供SO<sup>2+</sup>离子；而[[亚硫酸盐]]提供SO<sub>3</sub><sup>2−</sup>离子，可看作碱。

该理论下，液氨中的[[酸碱反应]]包括：
: 2NaNH<sub>2</sub> (碱) + Zn(NH<sub>2</sub>)<sub>2</sub> ([[两性 (化学)|两性]]) → Na<sub>2</sub>[Zn(NH<sub>2</sub>)<sub>4</sub>]
: 2NH<sub>4</sub>I (酸) + Zn(NH<sub>2</sub>)<sub>2</sub> ([[两性 (化学)|两性]]) → [Zn(NH<sub>3</sub>)<sub>4</sub>)]I<sub>2</sub>
硝酸在纯硫酸中是碱：
: HNO<sub>3</sub> (碱) + 2H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> → NO<sub>2</sub><sup>+</sup> + H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> + 2HSO<sub>4</sub><sup>−</sup>
液态[[四氧化二氮]]中：
: AgNO<sub>3</sub> (碱) + NOCl (酸) → N<sub>2</sub>O<sub>4</sub> + AgCl 

酸碱溶剂理论中，同一化合物在不同溶剂中可以改变其酸碱性质，比如[[高氯酸|HClO<sub>4</sub>]]在水中是强酸，在[[乙酸]]中是弱酸，而在[[氟磺酸]]中则是弱碱。

== 其他酸碱理论 ==
=== Usanovich的定义 ===
关于酸碱最基本的定义来自于[[俄罗斯]][[化学家]]Mikhail Usanovich。根据该定义，只要是可以接受[[负电荷]]或放出[[正电荷]]，就是酸；反之则是碱。由于在该定义下[[氧化还原反应]]是酸碱反应的特殊情况，化学家并不是很倾向于使用这个定义。这是因为氧化还原主要集中讨论物理上的电子转移过程，而并非是键的形成与断裂过程，要将两者完全区分是不可能的。

Usanovich定义的例子如下：

:{{chem|Na|2|O}} (碱) + {{chem|SO|3}} (酸) → 2 {{chem|Na|+}} + {{chem|SO|4|2−}} (交换的物种：{{chem|O|2-}} 阴离子)
:3 {{chem|({{chem|NH|4}})|2|S}} (碱) + {{chem|Sb|2|S|5}} (酸) → 6 {{chem|NH|4|+}} + 2 {{chem|SbS|4|3−}} (交换的物种：3 {{chem|S|2−}} 阴离子)
:2Na (碱) + {{chem|Cl|2}} (酸) → 2{{chem|Na|+}} + 2{{chem|Cl|−}} (交换的物种：2 电子)

=== Lux-Flood的定义 ===

這個定義由德國化學家{{tsl|en|Hermann Lux|赫爾曼·勒克斯|Hermann Lux}}<ref>Franz, H. (1966), p4</ref><ref name=lux>
{{cite journal|title="Säuren" und "Basen" im Schmelzfluss: die Bestimmung. der Sauerstoffionen-Konzentration|first=Hermann|last=Lux|authorlink=Hermann Lux|journal=Ztschr. Elektrochem|date=1939|volume=45|issue=4|pages=303–309}}</ref> 在1939年時所提出，其後{{tsl|en|Håkon Flood|Håkon Flood}}約在1947年作進一步的修正，<ref name=flood>{{cite journal|title=The Acidic and Basic Properties of Oxides|last=Flood|first=H.|authorlink=Håkon Flood|coauthors=Forland, T.|journal=Acta Chem. Scand.|date=1947|volume=1|pages=592}}</ref> 
现在主要用于现代熔盐的[[地球化学]]和[[电化学]]研究中。在该定义中，酸被定义为一个氧离子受体，而碱则是一个氧离子供体。例如：
: MgO (碱) + CO<sub>2</sub> (酸) → MgCO<sub>3</sub>
: CaO (碱) + SiO<sub>2</sub> (酸) → CaSiO<sub>3</sub>
: NO<sub>3</sub><sup>−</sup> (碱) + S<sub>2</sub>O<sub>7</sub><sup>2−</sup> (酸) → NO<sub>2</sub><sup>+</sup> + 2SO<sub>4</sub><sup>2−</sup><ref name=drago>{{cite journal|title=The Synthesis of Oxyhalides Utilizing Fused-Salt Media|first=Russel S.|last=Drago|coauthors=Whitten, Kenneth W.|journal=[[Inorg. Chem.]]|date=1966|volume=5|issue=4|pages=677 - 682|doi=10.1021/ic50038a038}}</ref>

=== 皮尔逊的定义 ===
{{main|软硬酸碱理论}}
1963年，<ref name=pearson>{{cite journal|title=Hard and Soft Acids and Bases|last=Pearson|first=Ralph G.|journal= [[J. Am. Chem. Soc.]] |date=1963| volume= 85 |issue=22|pages=3533 - 3539|doi=10.1021/ja00905a001}}</ref> 拉斐尔·皮尔逊提出了一个高级的定性概念——[[软硬酸碱理论]]。1984年，在[[Robert Parr]]的协助下，该理论发展成为一个定量的理论。“硬”对应的是小的、高[[氧化态]]的粒子，这些粒子都很难被[[极化]]。相反，“软”是指大的，低氧化态的粒子，很容易被极化。软-软和硬-硬之间的酸碱反应最为稳定。这个理论在有机化学和无机化学均有应用。

== 参见 ==
* [[电子排布]]
* [[路易斯结构]]
* [[共振结构]]
* [[质子化]]，[[去质子化]]
* [[亲核取代反应]]
* [[氧化还原反应]]
* [[酸碱滴定]]

== 注释 ==
<div class="references-small" style="-moz-column-count:2; column-count:2;">
<references />
</div>

== 参考资料 ==
<div class="references-small" style="-moz-column-count:2; column-count:2;">
# Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) "''Inorganic Chemistry''" 2<sup>nd</sup> ed. Pearson Prentice-Hall
# Clayden, J., Warren, S., et al. (2000) "''Organic Chemistry''" Oxford University Press
# Meyers, R. (2003) "''The Basics of Chemistry''" Greenwood Press
# {{cite journal|title="Säuren" und "Basen" im Schmelzfluss: die Bestimmung. der Sauerstoffionen-Konzentration|first=Hermann|last=Lux|authorlink=Hermann Lux|journal=Ztschr. Elektrochem|date=1939|volume=45|issue=4|pages=303–309}}
# {{cite journal|title=The Synthesis of Oxyhalides Utilizing Fused-Salt Media|first=Russel S.|last=Drago|coauthors=Whitten, Kenneth W.|journal=[[Inorg. Chem.]]|date=1966|volume=5|issue=4|pages=677 - 682|doi=10.1021/ic50038a038}}
# H. L. Finston and A. C. Rychtman, A New View of Current Acid-Base Theories, John Wiley & Sons, New York, 1982, pp.&nbsp;140-146.
# {{cite journal|title=Solubility of Water Vapor in Alkali Borate Melts|last=Franz|first=H.|date=1966|journal=J. Am. Ceram. Soc.|volume=49|issue=9|pages=473–477}}
# 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 http://goldbook.iupac.org/O04379.html {{Wayback|url=http://goldbook.iupac.org/O04379.html |date=20160306024730 }}
# 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.
</div>

== 外部链接 ==
* [http://www.acid-base.com 酸碱化学] {{Wayback|url=http://www.acid-base.com/ |date=20210512225415 }}
* [http://www.anaesthesiamcq.com/AcidBaseBook/ABindex.php 酸碱生理学讲义] {{Wayback|url=http://www.anaesthesiamcq.com/AcidBaseBook/ABindex.php |date=20210414203447 }}
* [https://web.archive.org/web/20070207082349/http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/A/Acids_Bases.html 酸和碱]
* [https://web.archive.org/web/20071228063501/http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/AcidBase/Early-Acid-Base.html 拉瓦锡、戴维和李比希提出的酸碱理论]

[[Category:酸碱化学]]
[[Category:化学理论]]
[[Category:平衡化学]]