[科普中国]-共轭酸

酸碱质子理论（Brønsted–Lowry acid–base theory，布朗斯特-劳里酸碱理论）是丹麦化学家布朗斯特（J.N.Brønsted）和英国化学家汤马士·马丁·劳里(T.M.Lowry)于1923年各自独立提出的一种酸碱理论。

酸放出质子后形成的碱，叫做该酸的共轭碱；碱接受质子后形成的酸，叫做该碱的共轭酸。我们把相差一个质子的对应酸碱，叫做共轭酸碱对。

共轭酸名称中文拼音：gòng è suān

英文名称：Conjugate acid

共轭酸定义共轭酸碱对是一对以质子得失关系联系起来的酸和碱。根据酸碱质子理论，酸和碱总是对应存在，酸给出质子变成其共轭碱，而碱得到质子变成其相应的共轭酸，这种关系叫共轭关系。如醋酸(HAc)和醋酸根(Ac)、氨 (NH3)和铵离子(NH4+)等均为共轭酸碱对。在分析化学中，这种共轭体系常被作为酸碱缓冲体系，即保持分析溶液为一定的pH值，不受外界少量的酸或碱的加入以及溶液稀释的影响。1

酸碱强弱根据酸碱的质子理论，容易放出质子的物质是强酸，而该物质放出质子后就不容易形成碱，同质子结合能力弱，因而是弱的碱。换言之，酸越强，它的共轭碱就越弱；反之，碱越强，它的共轭酸就越弱。

根据酸碱质子理论，酸碱在溶液中所表现出来的强度，不仅与酸碱的本性有关，也与溶剂的本性有关。我们所能测定的是酸碱在一定溶剂中表现出来的相对强度。同一种酸或碱，如果溶于不同的溶剂，它们所表现的相对强度就不同。例如HAc在水中表现为弱酸，但在液氨中表现为强酸，这是因为液氨夺取质子的能力（即碱性）比水要强得多。这种现象进一步说明了酸碱强度的相对性。2

酸碱质子理论根据布朗斯特德和劳莱的酸碱质子理论，认为酸是能给出质子的物质，碱是能接受质子的物质。酸失去质子，变成该酸的共扼碱碱得到质子后变成该碱的共扼酸，有这种关系的酸碱称共扼酸碱对。根据酸碱的质子理论，酸或碱可以是中性分子，也可以是阳离子或阴离子。既有酸的性质又有碱的性质的物质称为两性物质，同理，具有酸的性质又有碱的性质的溶剂为两性溶剂。酸或碱的失去质子或得到质子总是在某种溶剂中进行的，而两性溶剂分子之间本身就能发生质子的转移反应，即质子自递作用。1

应用与电离理论最大的不同在于，质子理论里面只有酸碱的概念，而没有盐的概念。因此，在缓冲溶液中，缓冲对即为一对共轭酸碱对。实际上应用共轭酸碱对的概念，缓冲溶液可以只分成两类，即弱酸及其共轭碱和弱碱及其共轭酸两类。此外，在高浓度的强酸强碱溶液中，由于H+或OH-的浓度本来就很高，外加少量酸或碱不会对溶液的酸度产生太大的影响，在这种情况下，强酸强碱也是缓冲溶液，它们主要是高酸度（pH12）时的缓冲溶液。2

共轭酸碱对在缓冲原理中的应用以HB—B-缓冲溶液体系为例，HB和B-的起始浓度很大，体系中存在共轭酸HB和它的共轭碱。根据酸碱反应的原则，不难知道，如果向此溶液中加入少量强酸时，溶液中的共轭碱可以接受H+，生成HB，从而抵抗H+对pH的影响。如果向此溶液中加入少量强碱时，溶液中的共轭酸HB可以接受羟基，生成B-，从而抵抗OH-对pH的影响。因为共轭酸碱对的存在，所以可以抵抗少量外加酸碱，从而保持缓冲溶液的pH值基本不变。2

共轭酸碱对在缓冲对选择中的应用实际工作中需要制备某一pH值的缓冲溶液时，可按下列步骤进行：

按照电离理论，选择一种缓冲对，使其中弱酸（或弱碱）的pKa（或pKb）与所需要的pH（或pOH）相等或相近，如pKa或（pKb）与所需要的pH（或pOH）值不完全相等时，则按所要求的pH（或pOH）值，利用缓冲方程式，计算出所需的弱酸（或弱碱）和盐的浓度比。按照质子理论，仅仅将“盐”换成“共轭碱”（或“共轭酸”）而已。2

共轭酸碱对缓冲能力大小影响因素通过电位滴定，对总浓度相同的3 种缓冲体系在不同缓冲比时的抗酸碱能力做了对比，得出结论：总浓度一定时，缓冲容量β 随着缓冲比的改变而改变，但是缓冲比为1 的缓冲溶液的缓冲容量β 不是最大的。要正确比较缓冲容量大小，必须说明是抗酸能力还是抗碱能力，抗酸能力的大小取决于共轭碱的浓度大小，抗碱能力的大小取决于共轭酸的浓度大小。并对缓冲容量β-V 图的变化趋势作了解读。3

滴定过程

一般情况下，缓冲溶液的总浓度控制在0.05 ～ 0.20mol /L 之间，因此本文选择共轭酸碱的浓度均为0.1mol /L，按照表1 配制成缓冲溶液。考虑到稀释效应的影响，分别用0.5mol /L NaOH 溶液和0.5mol /L HCl 溶液滴定，记录pH 和滴定液的体积V，由β = n /( V︱ΔpH︱) ( n 为外加的一元强酸或强碱的物质的量，V 为缓冲溶液的体积，ΔpH 为缓冲溶液pH 的变化量) 计算出缓冲容量β，做出β-V 图。3

结果与讨论

1 同一缓冲体系不同缓冲比的抗酸抗碱能力对比

由图1 ～ 6 可知，对同一个缓冲体系进行比较，缓冲比为3 时，缓冲溶液的抗酸能力是最强的，抗碱能力是最弱的；缓冲比为1 /3 时，缓冲溶液的抗酸能力是最弱的，抗碱能力是最强的；缓冲比为1 的体系，抗酸能力和抗碱能力都不是最强的，而是居于中等。因此在描述缓冲容量时，必须说明是抗酸能力还是抗碱能力，而不是笼统地说缓冲容量。每个滴定实验重复了3 次，实验的重现性良好。为什么实验结果是这样的呢? 原因在于：抗酸能力的大小取决于抗酸成分即共轭碱的浓度大小，抗碱能力的大小取决于抗碱成分即共轭酸的浓度大小。缓冲比为3，缓冲溶液的抗酸成分即共轭碱的浓度是最大的，抗碱成分即共轭酸的浓度是最小的; 缓冲比为1 /3，则刚好相反；缓冲比为1 时，它的共轭碱和共轭酸浓度都不是最大的，因此它的抗酸能力和抗碱能力都居于中等。

2 3 个缓冲体系缓冲比为1 的抗酸抗碱能力对比

尽管缓冲比为1 的缓冲溶液的抗酸和抗碱能力都不是最大的，但是它们的抗酸和抗碱能力却都是比较大的。所以在选择缓冲溶液时可以选择合适的pKa的缓冲对，然后选择缓冲比接近1 的缓冲溶液。下面比较不同缓冲体系缓冲比为1 时的抗酸抗碱能力。每个滴定实验重复3 次，实验的重现性良好。总的来说，同一缓冲体系，当缓冲比为1 时，碱性溶液、中性溶液、酸性溶液的抗碱能力与抗酸能力没有明显规律。并不像文献所说，“酸性缓冲溶液和碱性缓冲溶液的抗酸能力不同，一般来说，酸性缓冲溶液的抗酸能力较强”。

3 β-V 图变化趋势的解读

当外加的强酸或强碱比较少时，所有缓冲体系中的抗酸成分和抗碱成分的浓度都比较大，β 先有一个比较大的值，但随着外加的强酸或强碱的量增加时，β 都会经过一个急剧下降的过程，因为缓冲溶液的缓冲能力到了最大值后，就要下降。选择缓冲溶液时，应该选择β 比较大的范围。3

本词条内容贡献者为:

李廉 - 副教授 - 中国矿业大学