铵根离子是不是相当于特殊的氢离子?

铵根离子是不是相当于特殊的氢离子?

Studio TBsoft,电子工程师

这个想法实际上是很正确的。

水溶液中并不存在简单的氢离子 H+,因为简单的氢离子 H+ 实际就是质子,在各种溶剂中都很难单独存在,必然与溶剂分子结合成为溶剂化的质子,例如,水溶液中的 H+ 实际可看作水合氢离子 H3O+,水分子给出孤对电子与 H+ 形成配位键,H3O+ 的生成过程可以写作:

一种强酸在稀水溶液中的电离,实际也是强酸将 H+ 几乎全部转移给了水分子,以盐酸为例:

因此,水溶液中的 H3O+ 实际就是强酸在水溶液中表现酸性的基本形式,或者可以说,H3O+ 本来就相当于一种酸,那么,当水溶液中同时存在 H3O+ 和 NH3 时,由于 NH3 给出孤对电子的能力比水分子强,或者借用大学化学的术语,NH3 是比 H2O 更强的路易斯(Lewis)碱,那么就会发生 H3O+ 转移质子给 NH3 的可逆反应:

这一反应,在大学化学的酸碱质子理论中,可理解为强酸 H3O+ 与强碱 NH3 反应,得到较弱的酸 NH4+ 和较弱的碱 H2O 的反应,由于遵循了“强酸制弱酸,强碱制弱碱”的原则,因此平衡偏向右边,将 H3O+ 简化为 H+,并将反应看作向右进行到底,即得中学化学中铵根离子 NH4+ 生成的反应:

但实际上,上述平衡并没有进行到底,因为 NH3 也不是很强的路易斯碱,如果把上述平衡倒过来写,则可以看作 NH4+ 在水溶液中也可能生成少量的 H3O+,也就是说,NH4+ 也可能转移质子给水分子:

如果按照中学化学的写法,将水溶液中的 H3O+ 简写为 H+,NH3 在水溶液中看作一水合氨 NH3·H2O(早期教材上甚至有写成“氢氧化铵”NH4OH 的写法),则上述反应就是 NH4+ 的水解反应:

将盐酸与 NH4+ 转移质子给水分子的反应对照起来看:

可以看出,上述两个反应本质是相同的,只是盐酸是强酸,转移质子给水分子生成 H3O+ 的反应几乎进行到底,而 NH4+ 相当于弱酸,转移质子给水分子生成 H3O+ 的反应无法进行到底,只能形成一个平衡罢了。

所以,完全可以将铵根离子 NH4+ 看作一种弱酸,而不需要机械套用中学化学中“水解”的概念,也可以将 NH4+ 与 H3O+ 类比,H3O+ 是“水合氢离子”,NH4+ 则相当于“氨合氢离子”。

既然 NH4+ 本身可以看作弱酸,自然就具备酸的通性,例如,接近饱和的氯化铵浓溶液很容易与镁条反应放出氢气,同时也有氨气放出(用排水集气法可以收集到较纯的氢气做燃烧试验,氨气可以用红色石蕊试纸检测):

将上述反应写成离子方程式形式,与镁和 H+(实际是 H3O+)反应的离子方程式对比,可见本质并无不同:

铵根离子与碱的反应,看作酸碱中和反应也未尝不可:

(对比一下水溶液中 H3O+ 与 OH- 的中和反应:

中学化学阶段,上述反应在稀水溶液中进行,不加热,即可写作:

普通干电池(锌—二氧化锰电池或者“碳性电池”)的正极材料是二氧化锰 MnO2,电解液中含有大量氯化铵 NH4Cl,因此电解液呈酸性,正极反应的简化写法可以写作:

Mn2O3·H2O 也可以写作 MnO(OH),俗称“水锰石”,如同氧化铁黄 Fe2O3·H2O 可以写作 FeO(OH)一样,但正极反应严格一点的写法应该用 NH4+ 代替 H+,即写作:

这里 NH4+ 就起到了酸的作用,即相当于“氨合氢离子”。普通干电池的负极反应是:

负极反应生成的锌离子 Zn2+,与正极反应生成的 NH3,以及电解液中 NH4Cl 电离出的氯离子 Cl- 反应,就生成中性络合物 Zn(NH3)2Cl2,即二氯二氨合锌(II):

因此普通干电池的总反应可以写作: