最強酸

初高中範圍內“最強酸”指的是所學的一種酸性及氧化性特彆強的含氧酸——高氯酸.其中氯離子顯+7價。其酸酐是七氧化二氯。人們習慣地將酸性超過純硫酸的酸或酸性介質叫做超酸(或超強酸)。

基本信息

定義

初高中範圍內“最強酸”指的是所學的一種酸性及氧化性特彆強的含氧酸---- HClO4.其中氯離子顯+7價。其酸酐是 Cl2O7.

人們習慣地將超過純H2SO4的酸或酸性介質叫做超酸(或 超強酸),由於純H2SO4的H0為-11.93,因而凡是H0<-11.93的酸性體系都叫做超酸。例如:HSO3F,H0=-15.07;H2S2O7,H0=-14.14.

化學性質

液體超強酸,有的比100%硫酸強近10^12倍,有嚴重腐蝕性和嚴重公害。 全氟磺酸樹脂(Nafion-H)是現在已知的最強 固體超強酸,具有耐熱性能好、化學穩定性和機械強度高等特點。一般是將帶有 磺酸基的全氟乙烯基醚單體與四氟乙烯進行共聚,得到 全氟磺酸樹脂。由於Nafion-H分子中引入電負性最大的氟原子,產生強大的場效應和 誘導效應,從而使其酸性劇增。與液體 超強酸相比,用作 催化劑時,易於分離,可反覆使用。且 腐蝕性小,引起公害少,選擇性好,容易套用於工業化生產。

世界上已開發和研製了比硫酸、 鹽酸;硝酸酸性強幾百萬倍,甚至幾十億倍的 超強酸。 這些 超強酸,酸性極強。以HF~SbF5為例,物質的量為1:0.3的氫氟酸和五氟化銻混合時的酸性強度要比無水硫酸(100%)的強度約大1億倍。而HF~SbF5的物質量比1:1時其酸性估計可達無水硫酸的10萬兆倍。這些 超強酸如魔酸,它是 五氟化銻和氫氟酸按體積比l:l混合製成的混酸。其酸度只是無水硫酸的100倍,在世界市場上已有商品出售, 超強酸在化學和化學工業上,極有套用價值,它既是無機及有機的質子化試劑,又是活性極高的催化劑。過去很多在普通環境下極難實現或根本無法實現的化學反應在 超強酸環境中。卻能異常順利地完成。

酸度函式

在水溶液中所有的強酸都被拉平到H3O+離子的強度,在一些酸性非水溶劑中,拉平作用不會發生,酸強度可達到水溶液中的10的十次方或更多倍,在這類溶劑中,常用酸度函式H0來描述酸的強度。

眾所周知,純HSO3F是一種強的給 質子試劑,在該溶劑中加入Lewis酸SbF5或SbF5與SO3的 混合物時能大大增加HSO3F的酸度。

自遞平衡

HSO3F + HSO3F = [H2SO3F]+ + [FSO3]-

SbF5和SO3的加入導致平衡向右移動,從而提高了H2SO3F+的濃度,反應式為:

SbF5 + 2HSO3F ⇋ H2SO3F+ + [SbF5(SO3F)]-

2SbF5 + 2HSO3F ⇋ H2SO3F+ + [Sb2F10(SO3F)]-

3SO3 + SbF5 + 2HSO3F ⇋ H2SO3F+ + [SbF5(SO3F4)]-

H2SO3F幾乎能使所有的有機化合物加合 質子而產生碳鎓離子,例如:

R3CH + HSO3F+ ⇋ R3CH2+ + HSO3F ⇋ H2↑ + R3C+ + HSO3F

這一反應中,先有H2SO3F+付出一個 質子給R3CH,接著放出氫氣生成碳鎓離子。

魔酸

很長的一段時間內,人們認為 王水就是酸中之王,是最強的酸了,因為即使是黃金,遇到王水也會像“泥牛入海”一樣很快變的無影無蹤。直到有一天奧萊教授和他的學生偶然發現了一種奇特的溶液,它能溶解不溶於王水的高級 烷烴蠟燭,人們才知道王水並不是最強的酸,還有比它強的酸,這就是魔酸。

在 超強酸中,把其中的SbF5-HSO3F體系叫做魔酸,魔酸的H0約為-27。

從成分上看, 超強酸可以是純的Bronstend酸,如HF、HCLO4、 HSO3F、 HSO3CL、 HSO3CF3等;純Lewis酸,如SbF5、AsF5、TaF5和NbF5等;也可以是Bronstend酸-Lewis酸混合體系,如魔酸就是典型的例子。

還有固體超酸。它們是一些用Bronstend酸和Lewis酸處理過的金屬氧化物,例如,ZrO2·H2SO4(H0=-16),SbF5·SiO2·Al2O3(H0=-16)等。

它們的酸性強的令人難以置信,比如 氫氟酸和 五氟化銻按1 :0.3( 摩爾比)混合時,它的酸性是濃硫酸的 1億倍;按1 :1混合時,它的酸性是濃硫酸的1000億億倍。所以 王水在它們面前只能是“小巫見大巫”。

套用

由於超酸具有高強度的酸性和很高的介電常數,能使很弱的鹼質子化,能使非電解質成為電解質,因而可以作為良好的催化劑,使一些本來難以及你進行的反應在較溫和的條件下進行,因而在飽和烴的裂解,重聚,異構化,烷基化反應中都被廣泛的套用。

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