酸鹼理論指闡述酸、鹼及酸鹼反應本質的各種理論。在歷史上曾有多種酸鹼理論，其中重要的包括：
酸和鹼的定義
酸鹼反應的概念最早由紀堯姆-弗朗索瓦·魯埃勒於 1754 年提出，他將「鹼」一詞引入化學中，表示與酸反應生成固體形式（作為鹽）的物質。 鹼本質上大多是苦的[1]。
酸和鹼的第一個科學概念是由拉瓦節在1776年左右提出的。
拉瓦節認為氧是酸中不可或缺的組分，將氧定義為酸生成者（οξυς γεινομαι），並且認為當時還未研究清楚成分的氫鹵酸中也含有氧元素。 這是因為拉瓦節對強酸的知識僅限於含氧酸，例如硝酸（HNO3）和硫酸（H2SO4），這些酸有一個中心原子，中心原子具有高氧化態，且被氧原子包圍。並且當時的科學界也不清楚氫鹵酸（HF、HCl、HBr 和 HI）的準確組成。
拉瓦節的定義持續了 30 多年，直到漢弗萊·戴維於 1810 年發表文章和隨後的講座，證明硫化氫 ()、碲化氫 () 和氫鹵酸中不含氧。 然而，戴維未能發展出新的理論，他得出的結論是「酸度並不取決於任何特定的元素，而是取決於不同元素的特殊排列」[2]。
1838年，尤斯圖斯·馮·李比希提出酸是一種含氫化合物，酸中的氫元素可被金屬取代[3][4][5]。這一重新定義基於他對有機酸化學成分的廣泛研究，完成了戴維發起的從氧基酸到氫基酸的學說轉變。 李比希的定義雖然完全是經驗性的，但在阿瑞尼士定義被採用之前一直沿用了近 50 年[6]。
該理論以阿瑞尼士與威廉·奧斯特瓦爾德在1884年左右的研究為基礎，相比其他酸鹼理論更加簡明易懂。阿瑞尼士本人也因此獲得1903年的諾貝爾化學獎。
至於該理論中的酸鹼定義，可用以下句子來描述：
| “ | 阿瑞尼士酸鹼理論中，酸在水溶液中解離出氫離子，而鹼則解離出氫氧根離子。 | ” |
也就是說，阿瑞尼士酸被加入水後，必須直接或間接引起：
- 水合氫離子濃度增加，或
- 氫氧根離子濃度降低
而阿瑞尼士鹼被加入水後，必須直接或間接引起：
- 水合氫離子濃度降低，或
- 氫氧根離子濃度增加
酸鹼反應的本質是氫離子與氫氧根離子反應生成水。
- 2 H2O → OH− + H3O+[8]
因此在該理論下，酸鹼反應生成鹽和水的過程也被稱作中和反應。[7]
- 酸+ + 鹼− → 鹽 + 水
鹼中的陽離子可與酸中的陰離子成鹽。比如，兩莫耳的氫氧化鈉（NaOH）與一莫耳的硫酸（H2SO4）反應，產物是兩莫耳水和一莫耳硫酸鈉：
- 2NaOH + H2SO4 → 2 H2O + Na2SO4
丹麥化學家約翰內斯·尼古勞斯·布侖斯惕和英國化學家托馬斯·馬丁·勞里於1923年分別提出酸鹼質子理論，也稱為布朗斯特-勞瑞酸鹼理論。該理論認為，凡是能給出質子（H+）的物質都是酸，凡能接受質子的物質都是鹼，而既能給出質子，也能接受質子的物質稱為兩性物質。[7][9][10] 酸和鹼不是孤立的，它們通過質子互相聯繫，用通式可以表示為：
- 酸 → 鹼 + 質子
這樣的一對酸鹼稱為共軛酸鹼對，其中的酸和鹼分別稱為相應物質的共軛酸及共軛鹼。[7][10]
與阿瑞尼士酸鹼理論不同的是，布侖斯惕酸鹼不僅限於電中性的分子，也包括帶電的陰陽離子。而該理論之下的酸鹼反應則是兩對共軛酸鹼對之間傳遞質子的反應，不一定生成鹽和水：
- 酸1 + 鹼2 → 鹼1 + 酸2
- AH + B → A− + BH+
水是兩性的——也就是說，它既可以作為酸也可以作為鹼。布侖斯惕酸鹼模型解釋了這一點，顯示了水分解成低濃度的水合氫離子和氫氧根離子：
- H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH−
以下是水分別作為酸和鹼參與反應的例子：
- HCl (aq) + H2O → H3O+ (aq) + Cl− (aq)
- C5H5N + H2O ⇌ [C5H5NH]+ + OH−
布侖斯惕酸鹼在形式上獨立於任何溶劑，例如，考慮當乙酸 CH3COOH 溶解在液氨中時會發生什麼：
- CH3COOH + NH3 → NH4+ + CH3COO−
路易斯酸鹼理論由吉爾伯特·牛頓·路易斯在1923年提出，[11] 結合了布朗斯特-勞里和酸鹼溶劑理論的特點，在水溶液和非水溶劑中都有很廣的應用。[12] 該理論著重探討電子的給予與獲得，[12]路易斯酸被定義為電子接受體，而路易斯鹼則是電子給予體。
- Ag+ (酸) + 2 :NH3 (鹼) → [H3N:Ag:NH3]+ (酸鹼加合物)
路易斯酸與路易斯鹼反應時，路易斯鹼含有孤對電子的最高占有軌域（HOMO）向路易斯酸缺電子的最低未占軌域（LUMO）貢獻電子生成配位鍵，產物稱作酸鹼加合物。[12] 在強極性分子如三氟化硼中，[12]電負度強的元素吸引電子，帶有部分負電荷，電負度弱的元素則帶有部分正電荷，孤對-成鍵電子（Lp-Bp）之間作用力超過成鍵-成鍵電子（Bp-Bp）之間的作用力。[12] 金屬離子的加合物被稱為配位化合物。[12]
路易斯酸鹼的定義與布侖斯惕酸鹼具有一致性，比如下面的反應在兩種理論中都是酸鹼反應：
- H+ + OH− ⇌ H2O
該理論與阿瑞尼士對所有自偶解離溶劑的定義有關。在這些溶劑中，存在中性溶劑分子與解離出的陽離子和陰離子之間的平衡：
非質子溶劑：
酸導致溶劑陽離子濃度上升，陰離子濃度下降；而鹼則導致陽離子濃度下降，陰離子濃度上升。例如在液氨中，KNH2提供NH2−離子，是強鹼，而NH4NO3提供NH4+離子，是強酸。在液態二氧化硫（SO2）中，亞硫醯基化合物是酸，提供SO2+離子；而亞硫酸鹽提供SO32−離子，可看作鹼。
該理論下，液氨中的酸鹼反應包括：
硝酸在純硫酸中是鹼：
- HNO3 (鹼) + 2H2SO4 → NO2+ + H3O+ + 2HSO4−
液態四氧化二氮中：
- AgNO3 (鹼) + NOCl (酸) → N2O4 + AgCl
酸鹼溶劑理論中，同一化合物在不同溶劑中可以改變其酸鹼性質，比如HClO4在水中是強酸，在乙酸中是弱酸，而在氟磺酸中則是弱鹼。
其他酸鹼理論
關於酸鹼最基本的定義來自於俄羅斯化學家Mikhail Usanovich。根據該定義，只要是可以接受負電荷或放出正電荷，就是酸；反之則是鹼。由於在該定義下氧化還原反應是酸鹼反應的特殊情況，化學家並不是很傾向於使用這個定義。這是因為氧化還原主要集中討論物理上的電子轉移過程，而並非是鍵的形成與斷裂過程，要將兩者完全區分是不可能的。
Usanovich定義的例子如下：
- Na
2O (鹼) + SO
3 (酸) → 2 Na+
+ SO2−
4 (交換的物種：O2−
陰離子) - 3 (NH
4)
2S (鹼) + Sb
2S
5 (酸) → 6 NH+
4 + 2 SbS3−
4 (交換的物種：3 S2−
陰離子) - 2Na (鹼) + Cl
2 (酸) → 2Na+
+ 2Cl−
(交換的物種：2 電子)
這個定義由德國化學家Hermann Lux[13][14] 在1939年時所提出，其後Håkon Flood約在1947年作進一步的修正，[15] 現在主要用於現代熔鹽的地球化學和電化學研究中。在該定義中，酸被定義為一個氧離子受體，而鹼則是一個氧離子供體。例如：
- MgO (鹼) + CO2 (酸) → MgCO3
- CaO (鹼) + SiO2 (酸) → CaSiO3
- NO3− (鹼) + S2O72− (酸) → NO2+ + 2SO42−[16]
1963年，[17] 拉斐爾·皮爾遜提出了一個高級的定性概念——軟硬酸鹼理論。1984年，在Robert Parr的協助下，該理論發展成為一個定量的理論。「硬」對應的是小的、高氧化態的粒子，這些粒子都很難被極化。相反，「軟」是指大的，低氧化態的粒子，很容易被極化。軟-軟和硬-硬之間的酸鹼反應最為穩定。這個理論在有機化學和無機化學均有應用。
參見
注釋
參考資料
外部連結
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