布-洛酸鹼學說

布-洛酸鹼學說 (The Brønsted-Lowry Acid Base Theory)
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

西元1923年，丹麥化學家布忍斯特 (Johannes Nicolaus Brønsted, 1879-1947)與英國化學家洛瑞 (Thomas Martin Lowry, 1874-1936)，不約而同對阿瑞尼士 (Svante August Arrhenius, 1859-1927)的酸鹼理論提出相近的修正，拓展人們對酸鹼化學的認知，不只侷限於水溶液的狀態，是為「布-洛酸鹼學說 (The Brønsted-Lowry Acid Base Theory)」。

言簡意賅地說，「布-洛酸鹼學說」將酸定義為「質子捐贈者 (proton donor)」；而鹼定義為「質子接受者 (proton acceptor)」。「給予質子」的能力越強者，是為較強的酸；「接受質子」的能力越強者，是為較強的鹼。在這樣的概念下，扮演「酸」角色的化學物質，可以是陽離子 (cation)、中性分子 (neutral molecule)、或陰離子 (anion)；扮演「鹼」者，則可為中性分子或陰離子。

若進一步探究『布-洛酸鹼學說』之內涵，讀者或許值得審思以下兩個問題： 其一，如果酸是質子給予者，那麼其釋出的質子該往何處去？相對地，若鹼為質子接受者，此質子其來何自？ 其二，一旦酸失去質子後，會變成什麼物質呢？鹼接受質子後，產物又是如何？ 第一個問題的答案，其實顯而易見。依據「物質不滅定理(Law of Conservation of Mass)」，反應中若有一物質提供質子，那麼必定要有另一物質扮演接收者，以吸收被釋出的質子。這樣的事實說明了，在『布-洛酸鹼學說』所定義的酸或鹼，都不能各自唱獨角戲、單獨存在；反應中一定要存在「鹼性物質」的角色，酸性物質的角色才能進行，反之亦然。 以醋酸 (acetic acid, CH₃COOH)水溶液作為例子說明，醋酸分子在水中之所以能扮演酸而釋出質子，乃因有「水分子」作為接受質子的鹼。若將反應以化學方程式表之，則如以下：

如圖一，醋酸與水的酸鹼反應中，醋酸釋出質子後，形成醋酸根離子 (acetate ion, CH₃COO^–)；而水接收質子形成水合氫離子 (hydronium ion, H₃O⁺)。從產物的觀點來看，水合氫離子在逆反應的途徑中，作為酸、釋出質子變為水；而醋酸根離子則恰如其分的扮演鹼的角色，接受酸所釋出的質子，形成醋酸。以上的例子，同時也提供第二個問題答案的線索。事實上，由布忍斯特建構的酸鹼理論，對此有精闢精確的說明。在他所發表的論文中，是這樣描述的： 「當酸釋出質子之後，本身理所當然形成鹼，是為酸的共軛鹼 (conjugate base)；相對的，當鹼得到質子後，即形成其共軛酸。」若以醋酸水溶液的例子為說明，醋酸分子 (CH₃COOH)在正反應中扮演酸，丟掉質子後，形成其共軛鹼－醋酸根離子 (CH₃COO^–)；而水分子 (H₂O)則扮演鹼，得到質子後，形成其共軛酸－水合氫離子 (H₃O⁺)。為求一目瞭然，布忍斯特以簡單的化學方程式表達：

Acid₁+ Base₂ $$\rightleftharpoons$$ Acid₂ + Base₁   （式一）

其中，Acid₁與Base₁互為共軛酸鹼對； Acid₂與Base₂是另一對共軛酸鹼對。 針對「共軛酸鹼對」，布忍斯特也提出說明：如果反應中，物質為較強的酸，則其共軛鹼必為較弱的鹼，意思是，若一物質釋出質子的能力較強，則其共軛鹼吸收質子的能力必定較弱。

相反地，若物質本身為較弱的酸，則其共軛鹼必為較強的鹼；而鹼與其共軛酸之間的關係也相仿。舉個例子，鹽酸 (HCl)是眾所周知的強酸，極易釋出質子，相對地，其共軛鹼－氯離子 (Cl^–)則是一個弱鹼，並不容易搶奪質子。再以這樣的觀點看布忍斯特所提出的化學方程式（式一），其實反應物 (Acid₁, Base₂)與產物 (Acid₂, Base₁)之間，是互為競爭的酸鹼反應，依此理論，我們可以預測，其自發 (Spontaneous)的反應方向，應由「較強酸－鹼」的一方，走向「較弱酸－鹼」的一方，也就是以Acid₁與Acid₂中較強者，及Base₁與Base₂中較強者為反應物 (reactants)之進行趨勢，因「較強酸－鹼」也代表「給－受質子」的能力較好。 再以醋酸水溶液的例子說明，如圖一，其 (Acid₁, Acid₂)為 (CH₃COOH, H₃O⁺)，兩者釋出質子能力較優者為H₃O⁺，是為較強酸；其 (Base₁, Base₂)為 (CH₃COO^–, H₂O)，兩者接受質子能力較好者為CH₃COO^–，是為較強鹼，故反應的趨勢應以「逆反應」方向為其喜好方向。

為文的最後，再提綱挈領，點明『布-洛酸鹼學說』的精髓：

(1) 布洛學說中，反應物中，必定有一物質扮演酸－－做為質子捐贈者；另一物質扮演鹼－－做為質子接受者。

(2) 布洛學說中，反應物與產物之間，必為兩對『共軛酸鹼對』，反應物作為酸者，產物形成共軛鹼；反應物作為鹼者，產物形成共軛酸。

(3) 在『共軛酸鹼對』中，若本身為較弱酸，則其共軛鹼為較強鹼；本身為較弱鹼，其共軛酸為較強酸。

(4) 布洛學說中，酸鹼反應的自發趨勢，傾向由強酸強鹼的一方，向弱酸弱鹼方向進行。

閱後小問答：
在布-洛酸鹼學說中，提到「酸鹼反應」在自發的情況，傾向由強酸強鹼，走向弱酸弱鹼的一方。那麼如果反應物與產物之間的酸鹼關係是(較強酸，較弱鹼)與(較弱鹼，較強酸)，則反應應往那一個方向進行？為什麼？

解答：
這或許是許多人心中的疑問，但若仔細思考『布-洛酸鹼學說』所提出的概念，會發現這樣的情況並不會發生。在Acid₁+ Base₂ → Acid₂ + Base₁ 中，(Acid₁, Acid₂)若為（較強酸, 較弱酸），則(Base₁, Base₂)必定為（較弱鹼, 較強鹼），因為Acid₁與Base₁互為『共軛酸鹼對』；Acid₂與Base₂互為『共軛酸鹼對』，如果酸的強度是Acid₁＞Acid₂，則其共軛鹼的強度必定為Base₁→₂，如此一來，分析Acid₁+ Base₂ → Acid₂ + Base₁的反應，應為較強酸+ 較強鹼 → 較弱酸 + 較弱鹼，傾向正反應發生方向；同樣的道理，(Acid₁, Acid₂)若為（較弱酸, 較強酸），則Acid₁ + Base₂ → Acid₂ + Base₁，應為較弱酸+ 較弱鹼 → 較強酸 + 較強鹼，此時傾向逆反應方向。

參考資料
Kauffman, G..B. “The Brønsted-Lowry Acid-Base Concept”, J. Chem. Edu., 1988, 65, 28 – 31. 2. Brønsted, J. N. “Acid and Basic Catalysis”, Chem. Rev., 1928, 5, 231-338. 3. Brønsted, J. N. “The Acid-Basic Function of Molecules and Its Dependency on the Electric Charge Type”, J. Phys. Chem., 1926, 30, 777-790.