共轭 (酸碱理论)
| 酸碱化学 |
|---|
 |
| 酸 |
| 碱 |
根据酸碱质子理论，一分子或离子的共轭酸是该分子或离子从其他的酸得到一个质子H+
（即质子化）后的产物，在此反应中，原来参与分子或离子为碱，得到一个质子之后即为其共轭酸。而共轭碱就是酸在失去一个质子（去质子化）后的产物[1]。有些酸可以提供多个质子，因此某酸的共轭碱有可能仍是酸性的。
简单来说，可以用以下的化学反应来说明:
- 酸+碱⇌共轭碱+共轭酸
约翰内斯·尼古劳斯·布仑斯惕和马丁·劳里提出了酸碱质子理论，根据此理论，任何可以提供质子给其他化合的化合物就是酸，而可以接收质子的化合物就是碱。质子是原子核内的粒子，带有一个正电荷，可以用H+
表示，因为氢原子的原子核就是一个质子[2]，也就是氢正离子。
根据参与反应的化学物质不同，以及使用的酸碱理论，阳离子有可能是共轭酸，阴离子也有可能是共轭碱。最简单可以是共轭碱的阴离子是溶剂化电子，而其共轭酸就是氢原子。
酸碱反应
酸和碱的化学反应会产生对应的共轭碱和共轭酸。酸会失去质子，而碱会得到质子。在以下的图示中，箭头表示碱和质子反应形成的键结，箭头从碱的电子对开始，指向酸的氢离子（质子），这个氢离子最后会转移：
此例中，碱性氢氧根离子从铵接收氢离子，水则是氢氧根离子的共轭酸，而酸性的铵失去一个氢离子，氨则是其共轭碱。而上述反应的逆反应是水H
2O提供一个氢离子，形成OH−，因此OH−也可以视为是水的共轭碱。“酸”、“碱”、“共轭碱”、“共轭酸”不是专属于特定化合物，可能在其逆反应中，酸和共轭酸的角色就对调了。
共轭酸碱的强度
共轭酸的强度和解离常数成正比。较强的共轭酸比较容易将氢离子推到其他的化合物中，有较高的平衡常数。共轭碱的强度可以视为是其拉氢离子的倾向，若共轭碱是强碱，溶解后会将氢离子留下，其对应的酸也比较不会分解。
强酸的共轭碱会是弱碱[3]，像盐酸HCl溶于水中的分解就是很好的例子。因为HCl是强酸（在水中大量分解），其Cl−
就是弱碱，大部分的H+
不会和Cl−
结合，而是和水结合，形成水合氢离子H
3O+
，因此盐酸的共轭碱是比水弱的弱碱。
另一方面，若化合物是弱酸，其共轭碱不一定会是强碱。像乙酸根离子是乙酸的共轭碱，碱解离系数（Kb）约为5.6×10−10，是弱碱。 若希望化合物的共轭碱是强碱，化合物本身需要是非常弱的酸，例如水。
识别共轭酸碱对
若要识别共轭酸碱对，可以在反应中找只差一个氢离子的反应物和生成物。在生成物一侧的共轭酸在反应中获得了一个氢离子，因此少一个氢离子的对应反应物即为碱。生成物一侧的共轭碱在反应中失去了一个氢离子，因此多一个氢离子的对应反应物即为酸。
考虑以下的酸碱反应：
硝酸（HNO
3）提供一个氢离子和水分子，因此在在此反应中是酸，其共轭碱即为硝酸根（NO−
3）即为。水分子在反应中接受了氢离子（质子），是碱，其共轭酸是水合氢离子（H
3O+
）。
| 方程式 | 酸 | 碱 | 共轭碱 | 共轭酸 |
|---|---|---|---|---|
| HClO 2 + H 2O → ClO− 2 + H 3O+ |
HClO 2 |
H 2O |
ClO− 2 |
H 3O+ |
| ClO− + H 2O → HClO + OH− |
H 2O |
ClO− |
OH− |
HClO |
| HCl + H 2PO− 4 → Cl− + H 3PO 4 |
HCl | H 2PO− 4 |
Cl− |
H 3PO 4 |
应用
共轭酸碱可以用在缓冲溶液系统中。缓冲溶液是由弱酸及其共轭碱（以盐类的方式存在）或弱碱及其共轭酸所组成的系统，可以在滴定过程中限制pH值的变化。缓冲溶液有一般实验上的应用，也有在生物体内的应用。人体血液就类似缓冲溶液，可以调节pH值。血液中最重要的缓冲系统是重碳酸盐缓冲系统，避免因为二氧化碳的增减而造成pH值的剧幅变化。其化学反应如下：
以下是一些常见的缓冲试剂。
| 缓冲试剂 | pKa | 适用的pH值范围 |
|---|---|---|
| 柠檬酸 | 3.13, 4.76, 6.40 | 2.1 - 7.4 |
| 乙酸 | 4.8 | 3.8 - 5.8 |
| KH2PO4 | 7.2 | 6.2 - 8.2 |
| 2-环己氨基乙磺酸（CHES） | 9.3 | 8.3–10.3 |
| 硼酸盐 | 9.24 | 8.25 - 10.25 |
另一个常用作缓冲试剂的有机化合物是乙酸。乙酸CH
3COOH若要成为缓冲试剂，需要和其共轭碱CH
3COO−
混合。所形成的混合物即为乙酸缓冲溶液，是由CH
3COOH和CH
3COONa的水溶液混合而。乙酸和许多弱酸一样，是许多化学实验中常见的为缓冲试剂。
乳酸林格氏液是由有机酸乳酸、乳酸根、钙离子、钠离子、钾离子及氯离子，用蒸馏水制备的缓冲溶液[4]，所形成的液体其张性类似人体血液，常用于因物理创伤、外科手术或烧伤产生出血之后的体液补充[5]。
酸以及其共轭碱的列表
以下是一些酸以及其共轭碱的列表，两者只差一个质子（H+离子）。酸的酸性随表往下而递减，碱的碱性随表往下而递增。
| 酸 | 共轭碱 |
|---|---|
| H2F+ 二氢氟阳离子 | HF 氢氟酸 |
| HCl 盐酸 | Cl− 氯离子 |
| H2SO4 硫酸 | HSO4− 硫酸氢根离子 |
| HNO3 硝酸 | NO3− 硝酸根离子 |
| H3O+ 水合氢离子 | H2O 水分子 |
| HSO4− 硫酸氢根离子 | SO42− 硫酸根离子 |
| H3PO4 磷酸 | H2PO4− 磷酸二氢根离子 |
| CH3COOH乙酸 | CH3COO− 乙酸根离子 |
| HF 氢氟酸 | F− 氟离子 |
| H2CO3 碳酸 | HCO3− 碳酸氢根离子 |
| H2S 硫化氢 | HS− 氢硫根离子 |
| H2PO4− 磷酸二氢根离子 | HPO42− 磷酸一氢根离子 |
| NH4+ 铵离子 | NH3 氨 |
| H2O 水分子 | OH− 氢氧根离子 |
| HCO3− 碳酸氢根离子 | CO32− 碳酸根离子 |
碱以及其共轭酸的列表
以下是一些碱以及其共轭酸的列表。酸的酸性随表往下而递减，碱的碱性随表往下而递增。
| 碱 | 共轭酸 |
|---|---|
| C2H5NH2 乙胺 | C2H5NH3+ 乙基铵离子 |
| CH3NH2 甲胺 | CH3NH3+ 甲基铵离子 |
| NH3 氨 | NH4+ 铵离子 |
| C5H5N 吡啶 | C5H6N+ 吡啶𬭩阳离子 |
| C6H5NH2 苯胺 | C6H5NH3+ 苯铵离子 |
| C6H5COO- 苯甲酸离子 | C6H5COOH 苯甲酸 |
| F- 氟离子 | HF 氟化氢 |
| PO3− 4 磷酸根离子 |
HPO2− 4 磷酸一氢根离子 |
| OH− 氢氧根离子 | H2O 水（中性，PH值 7） |
| HCO− 3 碳酸氢根 |
H2CO3 碳酸 |
| CO2− 3 碳酸根 |
HCO− 3 碳酸氢根 |
| Br- 溴离子 | HBr 溴化氢 |
| HPO2− 4 磷酸一氢根离子 |
H2PO− 4 磷酸二氢根离子 |
| Cl- 氯离子 | HCl 氯化氢 |
| H2O 水 | H3O+ 水合氢离子 |
| NO− 2亚硝酸根离子 |
HNO2 亚硝酸 |
参见
参考资料
- ^ Zumdahl, Stephen S., & Zumdahl, Susan A. Chemistry. Houghton Mifflin, 2007, ISBN 0618713700
- ^ Brønsted–Lowry theory | chemistry. Encyclopedia Britannica. [2020-02-25] （英语）.
- ^ Strength of Conjugate Acids and Bases Chemistry Tutorial. www.ausetute.com.au. [2020-02-25].
- ^ British national formulary: BNF 69 69. British Medical Association. 2015: 683. ISBN 9780857111562.
- ^ Pestana, Carlos. Pestana's Surgery Notes Fifth. Kaplan Medical Test Prep. 7 April 2020: 4–5. ISBN 978-1506254340.