酸鹼平衡Acid－Base Equilibria

有機化學的基礎191

1.      化學平衡中相當重要的一類是「酸鹼平衡」，「酸鹼平衡」是一個「質子」從「酸」轉移到「鹼」。

2.      有機酸的「H－X」化學鍵斷裂（產生有一對未鍵結電子的陰離子中間產物X^Θ），形成酸的「共軛鹼conjugate base」（酸去質子化之後的分子，X^Θ）。

3.      這樣的離子中間產物X^Θ，比較容易跟其他取代基起反應，比較不會跟先前吐出的質子起反應。因為「H－X」去質子化製造的X^Θ可啟動一系列的反應，所以，去質子化是許多有機反應非常重要的一個步驟。

4.      要打斷酸HA的化學鍵，製造出一個陰離子，需要「鹼base」，「鹼」扮演質子接受者proton aceptor或電子對提供者electron-pair donor 的角色。

5.      鹼的電子流向酸的反應如下：

陰離子A^Θ是酸HA的共軛鹼。

6.      更特別的是，酸HA在水中追求平衡時，水扮演鹼的角色：

7.      平衡常數K一般定義如下：

K＝[A^Θ][ H3O^⊕]／[HA][ H2O] ………（8）

8.      因為水在溶液中的濃度是固定的常數，我們可以下另外一種平衡常數定義「酸的平衡常數Ka」，這是「平衡常數K」乘上水的濃度：

Ka＝K[H2O]＝[A^Θ][ H3O^⊕]／[HA] ………（9）

9.      把酸的公式套用在醋酸CH3CO2H，得到Ka＝10^－5：

Ka(CH3CO2H)＝[CH3CO2^Θ][H3O^⊕]／[CH3CO2H]＝10^－5……（10）

10.  我們可以把Ka數值的指數乘上負號「－」來描述酸性，得到pKa；pKa就是Ka指數的負數：

pKa＝－logka

pKa（CH3CO2H）＝5

11.  醋酸的Ka是10^－5，pKa值是5，我們發現，Ka值愈小，pKa值愈大。

12.  醋酸解離的平衡常數Ka非常小，而大部分的有機酸的平衡常數比醋酸更小。一個酸的Ka值愈小，它的pKa愈大，愈不酸。

n   翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. Whitesell《Organic Chemistry》

 

徐弘毅：

1.      「酸鹼平衡」是一個「質子」從「酸」轉移到「鹼」。

2.      「酸性物質」的特徵是，本來穩定的「分子系統」，一旦遇到像「水」之類的「周遭」物質，「分子系統」部分比較脆弱的「化學鍵」就會斷裂，釋放出「質子」，以取得「系統」與「周遭」物質的平衡。

3.      這顯示「酸性物質」，本來就有些不穩定的特性，構成「酸」分子的各個原子，對「氫」這種外圍原子的引力強度不夠強，禁不起「水」這類周遭物質的競爭。

4.      有機酸的「H－X」化學鍵斷裂（產生有一對未鍵結電子的陰離子中間產物X^Θ），形成酸的「共軛鹼conjugate base」（酸去質子化之後的分子，X^Θ）。

5.      有機酸的中間產物是「陰離子」，「陰離子」上「未鍵結的電子」對「質子」具有吸引力，具備一些「鹼」的特性，所以稱為「共軛鹼」。

6.      不過，「酸」的「共軛鹼」對「質子」的吸引力，是不是能引起化學反應？會引起什麼樣的化學反應？這必須要與「周遭物質」對「質子」的吸引力相比較，才能確定化學平衡的發展方向。

7.      有機酸的離子中間產物X^Θ，比較容易跟其他取代基起反應，比較不會跟先前吐出的質子起反應。

8.      有機酸的「共軛鹼」，比較不會吸引之前吐掉的「質子」，因此不太會「逆反應」，恢復成原本的酸分子結構，但是，因為比較容易跟其他「取代基」起反應，所以，很容易在「酸鹼平衡」後，變成其他種類的「有機分子」。

9.      這樣說來，如果能把「有機酸」的「質子」剝掉，那就能夠合成許多種類的有機分子。因為「H－X」去質子化製造的X^Θ可啟動一系列的反應，所以，去質子化是許多有機反應非常重要的一個步驟。

10.  要打斷酸HA的化學鍵，製造出一個陰離子，需要「鹼base」，「鹼」扮演質子接受者proton aceptor或電子對提供者electron-pair donor 的角色。

11.  化學平衡，是分子互相競爭的結果。「酸」會失去質子，是因為「酸」維護自己「質子」的能力，輸給另一個具備鹼性的分子。

12.  「質子」具備「正電荷」的極性，要爭取到質子，「鹼」必須比「酸」更能夠：1.提供更多電子。2.具備更強的「陰電性」、3.提供足夠空間，容許鍵結的質子存在。

13.  「水」常常扮演「鹼」的角色，因為：1. 它的「氧」原子有一對「未鍵結的電子」，可以吸引「質子」。2.「氧」具備相當強的「陰電性」。3.「氧」與2個「氫」鍵結後，還保留相當空間容許第3個「質子」來鍵結，觀察水分子「ㄑ」型結構的空位。

14.  一般化學反應，衡量它們平衡的標準是，「各產物的濃度乘積」跟「各反應物的濃度乘積」互相比較。這是因為一般的物質，面對不同的反應對象，和不同的反應條件（溫度、壓力），會達成不同的平衡狀態。

15.  但是，「酸鹼反應」比較特別，每種酸都有固定的強度。

16.  「強酸」不管在什麼樣的溫度、壓力條件下，遇到多少份量的水或其他溶液，都幾乎完全解離；而「弱酸」則是不論外在條件是什麼，遇到水或他溶液，都只能解離一點點。

17.  每種酸性物質，都有自己固定的反應平衡狀態，因此，我們特別為酸下另一個平衡常數定義：「酸的平衡常數Ka」。

18.  比較酸性強弱的重點，在於解離出「質子」的份量，由於每一種酸性物質解離出「質子」的份量差距非常大，往往相差好幾個十進位，因此，直接觀察「以10為底數」的數值，「指數」是多少，最容易判斷。這發展出另一個衡量酸性的指標「pKa」。

19.  pKa是Ka指數的絕對值：pKa＝－logka。所以，Ka值愈小，pKa值愈大。Ka值愈小，代表解離出來的「質子」數量愈少，這種「酸」比較不酸。