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已知地球上8种最强酸,王水排不上号

什么是酸强或弱?要回答这个问题,我们首先需要看看酸的定义。它是一种接受电子和/或提供(解离)氢离子(也称为质子)的化合物。

因此,酸的酸度水平取决于其解离氢离子的能力,即溶液中酸产生的氢离子数量越多,酸性越强。

现在,在我们开始列出地球上最强的酸之前,您首先需要熟悉一些特定的术语和定义。

酸解离常数 (Ka):有时称为酸电离常数或简称酸常数,Ka 是水溶液中酸的可量化强度。虽然 pH 值(氢的力量)指定了碱度,但任何溶液的酸度(酸解离常数)告诉我们溶液中氢离子 [H+] 或水合氢离子 [H3O+] 的浓度。

这给我们带来了另一个相关且重要的酸度指标 pKa。它基本上是Ka的负整数对数

pKa = -log10Ka。

酸越强,pKa 值越低。

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乙酸乙酸向水中提供质子(绿色)以产生水合氢离子和乙酸根离子。(红色为氧,白色为氢,黑色为碳)

哈米特酸度函数 (Ho):我们都知道 pH 值标度,它被广泛用于测量化学品的酸度或碱度水平,但是当涉及到超强酸时,它就变得毫无用处,因为它们的酸度水平是数百万倍硫酸和盐酸。

因此,为了根据酸度水平对超强酸进行缩放,研究人员提出了哈米特酸度函数。它最初是由美国物理化学家路易斯·普莱克·哈米特 (Louis Plack Hammett) 提出的。

但究竟什么是超强酸?

超强度酸是酸度水平高于 100% 硫酸且哈米特酸度函数低于 -12 的酸。在更专业的术语中,它可以定义为质子化学势高于纯硫酸中的化学势的介质。

8. 硫酸

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硫酸纸上的硫酸 (98%)

化学式:H2SO4

pKa 值:-3

H0值:12

硫酸或硫酸不需要任何正式的介绍。它无味、无色,与水混合时会产生强烈的放热反应。它对农业、废水处理和炼油等多个行业至关重要。硫酸还用于电池酸和清洁剂。

它在整个酸的研究中也起着至关重要的作用。硫酸用作比较超强酸或酸的酸度水平的碱参考。虽然有多种生产硫酸的方法,但通常使用接触法和湿法硫酸法。

直接接触时,H2SO4 会对人体皮肤造成广泛损害。它对许多金属也有很强的腐蚀性。由于其卓越的氧化和脱水性能,该化学品在高浓度存在时更具腐蚀性和危险性。

7. 盐酸

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化学式:HCl

pKa 值:-5.9

与硫酸类似,盐酸也是一种重要的化学品,广泛应用于实验室和各个行业。盐酸是在公元800年左右由一位名叫贾比尔·伊本·海扬 (Jabir ibn Hayyan) 的伊朗博士发现的。

那些想知道为什么盐酸比硫酸强的人,尽管后者是超强酸的参考点,这是因为硫酸是二质酸,通常不会完全理解。

换句话说,HCl 比硫酸强,因为与硫酸中的硫酸根离子相比,它的 (HCl) 氢离子更容易从氯离子中分离出来。

无论如何,盐酸主要用于重工业以及在进一步加工之前去除钢铁上的锈迹。此外,它还是生产有机(用于 PVC 氯乙烯)和许多无机化合物的重要组成部分。

6. 三氟甲磺酸

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化学式:CF3SO3H

pKa 值:-14.7

三氟甲磺酸,最常称为三氟甲磺酸,由英国化学家 Robert Haszeldine 于 1954 年首次合成/发现。它以其卓越的化学和热稳定性而闻名。硝酸和高氯酸等其他强酸容易氧化,而三氟甲磺酸则不然。

三氟甲磺酸用于许多质子化和滴定(化学成分的定量分析)。在某些情况下优选三氟甲磺酸的一个重要原因是它不会磺化其他物质,这在氯磺酸和硫酸中很常见。

不用说,这是非常危险的。任何皮肤接触酸都会导致严重的烧伤,并可能有轻微的延迟组织损伤。吸入时,它还可能导致肺水肿和痉挛以及其他危急情况。

5. 氟硫酸

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化学式:HSO3F

何值:-15.1

pKa 值:-10

氟硫酸或硫氟酸(官方名称)是当今可用的第二强的单组分酸。它的外观呈黄色,当然具有高度腐蚀性/毒性。HSO3F 通常是由氟化氢与三氧化硫反应产生的,当与五氟化锑结合时,它会产生“魔酸”,一种强得多的酸和质子化剂。

该酸可用于烷基化烃(与烯烃)和异构化烷烃,以及用于玻璃蚀刻(玻璃艺术)。它是实验室中常见的氟化剂。

4. 高氯酸

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化学式:HClO4

pKa 值:-10、-15.2

高氯酸是已知最强的 Brønsted–Lowry 酸之一,它具有强大的氧化性和高度腐蚀性。传统上,它是通过用盐酸 (HCl) 处理高氯酸钠来生产的,盐酸 (HCl) 也会产生氯化钠。

NaClO4 + HCl → NaCl + HClO4

与其他酸不同,高氯酸不易水解。它也是世界上最受监管的酸之一。早在 1947 年,在加利福尼亚州的洛杉矶,大约 150 人受伤,17 人类死于化学爆炸,其中含有近 75% 高氯酸(按体积计算)和 25% 的乙酸酐。它还损坏了附近 250 多座建筑物和车辆。

尽管具有爆炸性,高氯酸仍被广泛使用,甚至在某些类型的合成中是首选。它也是现代火箭燃料中使用的高氯酸铵的重要成分。

3. 氟化碳硼酸

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碳硼烷酸碳硼烷酸的一般结构

化学式:H(CHB11F11)

何值:-18

pKa 值:-20

碳硼烷酸是人类已知的最强的超强酸组之一,其中很少有被认为具有低至 -18 的哈米特酸度函数值,这比纯 (100%) 硫酸强一百万倍以上。

该组中的一个这样的成员是氟化碳硼酸。虽然这种化学物质的存在最初是在 2007 年被报道的,但研究人员直到 2013 年才能够研究其性质的全部范围。在它被发现之前,最强的布朗斯台德酸的王冠是这个超强酸家族的高度氯化版本。

氟化碳硼烷是已知的唯一可以质子化(氢离子转移)二氧化碳以产生氢桥连阳离子的酸。相比之下,当用魔酸和 HF-SbF5 等其他超强酸处理时,CO2 不会发生任何显着的质子化。

2. 魔酸

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氟硫酸+五氟化锑(1:1)

化学式:FSO3H·SbF5

何值:-23

FSO3H·SbF5,最常被称为魔酸,是由氟硫酸和五氟化锑以1:1的摩尔比混合而成。这种超强酸系统于 1966 年由俄亥俄州凯斯西储大学乔治奥拉实验室的研究人员首次开发。

它相当奇特的名字是在 1966 年的一次正式活动之后确立的,当时 Olah 实验室的一名成员展示了一种碳氢化合物质子化,其中石蜡蜡烛“神奇地”溶解并在将其放在上面后变成叔丁基阳离子溶液。现在被称为魔酸。

虽然魔酸通常用于稳定溶液中的碳正离子,但它几乎没有其他重要的工业应用。例如,它可以加速饱和烃的异构化,甚至可以质子化甲烷、氙气和卤素,这些都是弱碱。

1. 氟锑酸

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氟锑酸氟锑酸的分子结构

化学式:H2FSbF6

Hovalue:-15(纯形式),-28(>50 mol%)

根据哈米特酸度函数值,氟锑酸可能是所有已知超强酸中最强的。它是由氟化氢与五氟化锑通常以 2:1 的比例混合而成。该反应本质上是放热的。

这种超强酸在化学工程和石化工业中有几个重要的应用。例如,它可用于分别从新戊烷和异丁烷(均为烷烃)中分离甲烷和氢气。

不出所料,H2FSbF6 具有极强的腐蚀性,与水接触时会发生剧烈水解。像大多数超强酸一样,氟锑酸可以直接透过玻璃吃;因此,它必须储存在 PTFE(聚四氟乙烯)容器中。

现在,你们中的大多数人在寻找“世界上最强的酸”时可能会偶然发现碳硼烷酸(氯化碳硼烷酸或氟化碳硼烷酸)。

好吧,从技术上讲,它们是正确的,因为碳硼烷酸是地球上已知最强的单组分酸,酸度远高于高氯酸和三氟甲磺酸之类的酸。(氟锑酸实际上是一种混酸)。

什么是弱酸?

弱酸在水或水溶液中不会完全分解成它们的组成离子。它们具有更高的 pH 值(在 2 和 7 之间),并且比强酸更常见。

它们感觉粘稠,尝起来很酸,有时闻到会灼伤鼻孔。虽然它们大多以低浓度遇到,但高浓度的弱酸可能具有腐蚀性甚至危险。

乙酸(醋)、氢氰酸、硫化氢、甲酸和三氯乙酸是一些最常见的弱酸例子。事实上,它们是日常生活中常见的物质——它们可能存在于您服用的维生素、您吃的食物或您使用的清洁用品中。

什么决定了酸的强度?

决定酸强度的两个主要因素是:

感应效应:由于结合在一起的原子的电负性不同而产生。在有机羧酸中,带负电的取代基通过这种效应拉动酸性键的电子密度,导致更小的 pKa 值。

氧化态的影响:在含氧酸中,pKa值随着元素的氧化态而降低。

为什么酸的水溶液导电,而纯酸不导电?

酸溶解在水或水溶液中时,会迅速分解成正离子和负离子。例如,HCl 酸会分解成 H+ can Cl- 离子。溶液中的带电粒子(H+ 离子)使得通过介质传输电流变得更加容易。

HCl(aq) –> H+(aq) + Cl–(aq)

更具体地说,当电流通过水溶液时,每个 H+ 离子从阴极获得一个电子以形成 H2 气体。这就是酸的水溶液如何让电流通过它。

另一方面,未溶解的或纯的酸类似于纯水。它们可以传输电荷,但电阻相当高,尤其是在固态时。

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