化学史上的今天都发生了什么?有何重大的化学发现,有哪些化学趣闻?化学一家与您分享。欢迎大家来稿或提供相关资料。
美国化学家路易斯逝世
年3月23日,美国化学家路易斯(G.N.Lewis)卒于加利福尼亚州伯克利。路易斯最知名的成就,是年提出了广泛的酸碱定义。酸是任何可以接受电子对的分子或离子物种;酸是电子对的接受体,必须具有可以接受电子对的空轨道。碱则是可以给出电子对的分子或离子物种;碱是电子对的给予体,必须具有未共享的孤对电子。这些就是路易斯酸碱电子理论的基本要点。吉尔伯特·路易斯(-)路易斯年出生于麻省,年获学士学位,获得硕士学位,年获得化学博士学位。路易斯生前是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,这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、光化学领域做出了杰出贡献,并于年命名了“光子(photon)”。
中国协助扑灭科威特油井大火
年3月23日,10名中国专家抵达科威特帮助扑灭油井大火。
年海湾战争爆发,以美国为首的多国联*即将攻打被伊拉克占领的科威特。考虑到联*强大的*事实力,伊拉克*队决定在科威特实行焦土*策,摧毁一切石油储备和基础设施。
伊拉克故意点燃了大量油井,约有多口油井被点燃,最多时一天烧掉80万吨原油,所产生的浓烟遮天蔽日,使白昼如同黑夜,同时还有大量原油排放入海,石油燃烧产生的氮氧化物、二氧化硫及炭黑严重污染了大气。
年11月6日,最后一口起火的油井被扑灭,至此科威特油井大火足足燃烧了8个月。
一架*机正在巡视着火的油井人们对酸碱的认识经历了一个由浅入深,由低级到高级的认识过程。最初,人们对酸碱的认识只单纯地限于从物质所表现出来的性质上来区分酸和碱。认为具有酸味、能使石蕊试液变为红色的物质是酸;而碱就是有涩味、滑腻感,使红色石蕊变蓝,并能与酸反应生成盐和水的物质。年,罗伯特?波义尔(RobertBoyle)写到肥皂溶液是碱,能使被酸变红了的蔬菜恢复颜色。这可能是最早的有关酸、碱的记载了。
随着生产和科学的发展,科学家开始注意比较系统地研究酸和碱的性质。他们发现,酸除了具有酸味外,还能使指示剂变色,能被某些金属置换出氢气;碱有涩味,也能使指示剂变色,并能与酸中和生成盐和水。但为什么不同的酸(或者不同的碱)都具有类似的性质呢?是不是它们的组成中都具有相同的成分呢?于是科学家们又从分析酸和碱的成分来进行研究。
年法国化学家拉瓦锡(A.L.Lavoisier)提出了所有的酸都含有氧元素。后来从盐酸不含有氧的这一事实出发,年,英国化学家戴维(S.H.Davy)指出,酸中的共同元素是氢,而不是氧。随着人们认识的不断深化,年,瑞典化学家阿伦尼乌斯(S.Arrhenius)根据电解质溶液理论,定义了酸和碱。
阿伦尼乌斯指出,电解质在水溶液中电离生成阴、阳离子。酸是在水溶液中经电离只生成H+一种阳离子的物质(化合物);碱是在水溶液中经电离只生成OH-一种阴离子的物质(化合物)。也就是说,能电离出H+是酸的特征,能电离出OH-是碱的特征。酸碱的中和反应生成盐和水。阿伦尼乌斯又根据强、弱电解质的概念,将在水中全部电离的酸和碱,称为强酸和强碱,如HCl、HClO4(高氯酸)、H2SO4和NaOH、Ca(OH)2等。在水中部分电离的酸和碱为弱酸和弱碱,如HNO2(亚硝酸)、H3PO4(磷酸)、NH3?H2O等。
阿伦尼乌斯首先赋予了酸碱的科学定义,是人类对酸碱认识从现象到本质的一次飞跃。这种酸碱电离理论对化学科学的发展起到了积极作用,直到现在仍普遍地应用着。然而,这种理论有局限性,它把酸和碱只限于水溶液,又仅把碱看成为氢氧化物;实际上,像氨这种碱,在其水溶液中并不存在NH4OH。另外,许多物质在非水溶液中不能电离出氢离子和氢氧根离子,却也表现出酸和碱的性质。这些现象是电离理论无法说明的。
针对电离理论的不足点,富兰克林(Franklin)在年提出了他的溶剂理论(简称溶剂论)。溶剂论的基础仍是电离理论,只不过它从溶剂的电离为基准来论证物质的酸碱性。他认为:凡能电离产生溶剂阳离子的物质为酸,产生溶剂阴离子的物质为碱,酸碱中和反应就是溶剂的阳离子和阴离子结合形成溶剂分子的过程。例如,以液态氨为溶剂时,NH3的电离方程式为:
2NH3NH4++NH2-NH4Cl在氨溶液中能电离出NH4+,所以NH4Cl表现为酸;氨基钠(NaNH2)能电离出NH2-,所以NaNH2表现为碱。酸碱中和反应是:NaNH2+NH4Cl=NaCl+2NH3富兰克林把以水为溶剂的个别现象,推广到适用更多溶剂的一般情况,因此大大扩展了酸和碱的范围。但溶剂论对于一些不电离的溶剂以及无溶剂的酸碱体系,则仍然无法说明。例如,苯不电离,NH3和HCl在苯中也不电离,但NH3和HCl在苯中同样可以反应生成NH4Cl。又如,NH3和HCl能在气相进行反应,同样也是溶剂论无法解释的。为了克服电离理论和溶剂理论的局限性,年,丹麦化学家布朗斯泰特(J.N.Br?nsted)和英国化学家劳瑞(T.M.Lowry)同时独立地提出了酸碱质子理论。
实际上,酸碱反应是一种没有电子转移的反应,而是质子转移的反应,即酸给出质子H+,与碱OH-结合生成H2O。酸碱质子理论就是按照质子转移的观点来定义酸和碱的。
质子理论认为:凡是能释放出质子的任何含氢原子的分子或离子的物种都是酸;任何能与质子结合的分子或离子的物种都是碱。简而言之,酸是质子的给予体,碱是质子的接受体。例如:
HCl能解离为H+和Cl-:
HCl(酸)→H++Cl-(碱)H2PO4-可以解离为H+和HPO42-:
H2PO4-(酸)H++HPO42-(碱)NH4+也可解离出H+和NH3:
NH4+(酸)H++NH3(碱)质子理论强调酸与碱之间的相互依赖关系。酸给出质子后生成相应的碱,而碱结合质子后又生成相应的酸;酸与碱之间的这种依赖关系称为共轭关系。相应的一对酸碱被称为共轭酸碱对。这就是说,酸给出质子后生成的碱为这种酸的共轭碱;碱接受质子后所生成的酸为这种碱的共轭酸。
质子理论认为:中和反应是质子的传递,不一定有盐的生成,而且也可以在气态时进行,不限于在溶液中,更不限于水溶液或其他能电离的溶剂组成的溶液。如HCl与NH3的反应,无论在溶液中,还是在气相中或苯溶液中,其实质都是质子转移反应,最终生成氯化铵。因此均可表示为:
HCl(酸①)+NH3(碱②)NH4+(酸②)+Cl-(碱①)但质子理论对于无质子(不含氢原子)的溶剂如液态SO2等中的酸碱反应就不能说明。
因此,为了解决上述问题,又发展起来适用范围最广的理论——路易斯(G.N.Lewis)酸碱电子理论。路易斯定义:酸是任何可以接受电子对的分子或离子物种;酸是电子对的接受体,必须具有可以接受电子对的空轨道。碱则是可以给出电子对的分子或离子物种;碱是电子对的给予体,必须具有未共享的孤对电子。酸碱之间以共价配键相结合,并不发生电子转移。
许多实例说明了路易斯的酸碱电子理论的适用范围更广泛。例如:
H+与OH-反应生成H2O,这是典型的电离理论的酸碱中和反应;质子理论也能说明H+是酸,OH-是碱。根据酸碱的电子理论:OH-具有孤对电子,能给出电子对,它是碱;而H+有空轨道,可接受电子对,是酸。H+与OH-反应形成配位键HO→H,H2O是酸碱加合物。
在气相中氯化氢与氨反应生成氯化铵。在这一反应中,氯化氢中的氢转移给氨,生成铵离子和氯离子。显然这是一个质子转移反应。同样,按照电子理论:氨中N上的孤对电子提供给HCl中的H,形成NH4+中的配位共价键。
碱性氧化物Na2O与酸性氧化物SO3反应生成盐Na2SO4;该反应完全类似于水溶液中的NaOH与H2SO4之间的中和反应,它也是酸碱反应。然而,此反应不能用质子理论说明。但根据酸碱电子理论Na2O中的O2-具有孤对电子(是碱),SO3中S能提供空轨道接受一对孤对电子(是酸)。
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