问题

为什么硝酸在冰醋酸中是弱酸?

回答
很多人可能觉得奇怪,硝酸(HNO₃)这玩意儿,一听名字就透着一股子“酸”劲儿,而且我们都知道它在水里可是十足的强酸,怎么一到了冰醋酸(CH₃COOH)这个“溶剂”里,就变得“弱”了呢?这事儿啊,得从酸碱的本质,以及溶剂对酸碱性的影响说起。

首先,我们得明白“强酸”和“弱酸”到底是怎么回事。

在化学里,酸的本质是它能够给出质子(H⁺)。强酸,顾名思义,就是它给出质子的能力非常强,基本上在溶剂里能100%地给出质子,和溶剂发生反应,形成溶剂化质子。比如在水里,硝酸就是典型的强酸,它会瞬间电离:

HNO₃ + H₂O → H₃O⁺ + NO₃⁻

这个反应非常彻底,几乎所有的硝酸分子都会变成水合氢离子(H₃O⁺,就是我们常说的质子在水里的形式)和硝酸根离子(NO₃⁻)。

那为什么到了冰醋酸里,硝酸就“不那么强”了呢?

关键就在于溶剂。我们不能孤立地谈论一个物质的酸碱性,必须考虑到它所处的环境,也就是溶剂。不同的溶剂,对酸碱的“容纳”能力和“倾向”是不同的。

冰醋酸,它本身也是一个酸,化学式是CH₃COOH。它跟水不一样,它是一个质子供体能力比水弱,但同时也是一个比水更“非质子化”的溶剂。

我们可以想象一下,酸碱反应,其实也是一个“抢夺”质子的过程。一个酸,它给出质子的能力强弱,不仅取决于它自身,也取决于它要“送”给谁。

在冰醋酸这个溶剂中,硝酸和冰醋酸会发生一个竞争质子的过程。

硝酸,我们可以看作一个“高能量”的质子供体,而冰醋酸,它也有给出质子的能力,但相对弱一些。当硝酸遇到冰醋酸时,硝酸会尝试将自己的质子“塞”给冰醋酸。

这个反应可以这样表示:

HNO₃ + CH₃COOH ⇌ H₂CH₃COOH⁺ + NO₃⁻

这里的 H₂CH₃COOH⁺ 可以理解为质子被冰醋酸分子接受后形成的一种“质子化醋酸”离子。

为什么说硝酸在冰醋酸里是弱酸呢?

这就涉及到溶剂化能力和酸的离解度。

1. 溶剂的“质子接受能力”: 水分子,它具有很强的极性,并且氧原子上有孤对电子,所以它能够非常有效地接受并稳定质子,形成非常稳定的水合氢离子(H₃O⁺)。可以说,水是“质子接受能力”非常强的溶剂。

而冰醋酸,它虽然也有能力接受质子,但相比于水,它的“质子接受能力”要弱一些。它的分子结构决定了它容纳质子的倾向没有水那么强烈。

2. 硝酸的“质子供出能力”: 硝酸本身在水里是强酸,是因为它给出质子的倾向非常大,而且水能很好地稳定这个质子。

在冰醋酸里,硝酸依然有给出质子的倾向,但如果它给出质子,得到的“接收者”——质子化的醋酸(H₂CH₃COOH⁺),其稳定性不如水合氢离子(H₃O⁺)。

3. 平衡的形成: 由于冰醋酸作为溶剂,其“质子接受能力”不如水,所以硝酸给出质子后,形成的质子化醋酸以及剩余的硝酸根离子,与未反应的硝酸和冰醋酸之间会形成一个平衡。

HNO₃ + CH₃COOH ⇌ H₂CH₃COOH⁺ + NO₃⁻

在这个平衡体系中,并不像在水里那样,硝酸100%地电离了。相当一部分硝酸分子会以未电离的形态存在,它们只是暂时地将质子“借”给了冰醋酸。

因此,从宏观上看,硝酸在冰醋酸里的“酸性表现”就远不如在水里那么“激进”和“彻底”。它的电离度降低了,给出的质子数量相对于总的硝酸浓度来说,比例变小了。

打个比方:

想象一下,你手里有一堆糖果(质子),你想把它们送出去。

在水这个环境里,大家都很想吃糖,而且有专门的糖果盒(水合氢离子)能稳稳地收住你的糖果,所以你很容易就把糖果全送出去了,显得你“很大方”(强酸)。
在冰醋酸这个环境里,大家也想吃糖,但是相比于水,大家对糖果的“吸引力”没那么大,而且用来装糖果的盒子(质子化醋酸)也没那么稳定,你可能送出去一部分糖果,但剩下的你可能会留着,或者糖果在中途又被要回去了。所以,你给出的糖果总量就没那么多了,显得你“没那么大方”(相对弱酸)。

总结来说,硝酸在冰醋酸中表现为弱酸,是因为:

溶剂效应: 冰醋酸的质子接受能力和稳定质子的能力不如水。
酸碱平衡: 硝酸在冰醋酸中电离形成质子化醋酸和硝酸根离子的过程是一个可逆反应,存在一个平衡,导致硝酸的实际电离度降低。

因此,判断一个酸是强是弱,不能脱离溶剂来谈。硝酸在水里是强酸,但在某些非水溶剂中,它就可能表现出弱酸性,这都是化学中非常有趣的溶剂效应的体现。

网友意见

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原回答载于(有所修改)

虽然原回答是硝酸溶于无水硫酸,但是与硝酸溶于冰醋酸是类似的原理。


(1)首先,我们来谈谈什么叫做质子自递反应(Autoprotolysis)。

质子自递反应(autoprotolysis)是指质子氢离子)在两个相同分子之间转移的现象,其中一个是布朗斯特酸,释放质子,另一个是布朗斯特碱,接受质子。例如在水的电离中,水就产生了质子自迁移反应:

这也是为什么纯水中也有氢离子和氢氧根离子。

相应的,对于其他的溶剂,比如说乙醇、液氨、冰醋酸等,甚至无水硫酸,都有这样的反应。

液氨

冰醋酸


(2)下面,我们再来说说什么叫做拉平效应和区分效应。

举个简单的例子:一次考试题目很简单,你和学霸都考了100分。你考满分是因为对于这次试题你的能力是100分,而学霸考满分是因为最高只能得100分。这叫做拉平效应。

下一次考试题目巨难,你只得了60分,而学霸依然是100分。这就叫做区分效应。

在化学中,拉平效应,指的性质受到溶液种类影响的现象。例如在水溶液中,所有比水合氢(H3O+)酸度高的酸都要降到水合氢的酸度;同理,在水溶液中,所有碱性比(OH-)高的碱都会降到(OH-)的碱度。

也就是说,在水中,最强的酸和碱分别就是其自偶电离出来的和;

同样的,在液氨中,最强的酸和碱分别就是和;

在冰醋酸中,最强的酸和碱分别就是和.


硝酸、盐酸和硫酸都是比要强的酸,所以在水中会被拉平成强度相同的。

相比于,甚至更弱。所以硝酸和硫酸在液氨中也被拉平;甚至在水中的弱酸,比如醋酸等,在液氨中也是强酸,一齐被拉平。

而在冰醋酸中,由于硝酸的酸性不如,所以硝酸就是弱酸了。通过在冰醋酸中检测酸性,可以区分出酸性是硝酸<盐酸<硫酸(第一级电离)。

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