簡介

酸鹼中和反應的實質是質子的傳遞反應。超酸是指酸性比普通無機酸強106~1010倍的酸。魔酸(HSO3F-SbF5)是已知最強的超酸,許多物質(如H2SO-4)在魔酸中可獲得質子(即質子化)。
SbF5和HF以0.2:1的摩爾比混合時酸度以達到100%硫酸的10^9倍以上,隨著SbF5的比例增加酸度還能增強
魔酸,應當稱魔術酸比較合適(Magic Acid),用聚四氟乙烯制的容器盛放,一般講超強酸是指比100%的硫酸酸性更強的酸。
化學性質
氟銻磺酸是超強酸之一,可以看作五氟化銻和氟硫酸的混合物,SbF5與FSO3-離子結合成[SbF5(OSO2F)]-離子,使電離出的氫離子幾乎不受粒子引力控制。[SbF5(OSO2F)]-在溶液中完全電離,暴露在空氣中強烈吸水並有部分水解形成HSbO3、HF、H₂SO₄和其他強酸及一些絡合物。故久置的魔酸中還有少量SbO3-、F-、SO42-、SbO+、SbO2+離子。SbF5(OSO2F)]-離子有和氟離子一樣的活性。當皮膚沾到氟銻磺酸時先會被脫水炭化,接著碳被離子化,[SbF5(OSO2F)]-離子及少量SbO3-、F-等離子進入血液,使鈣、鎂離子失活,導致人體中毒。氟銻磺酸酸性極強,以至於高氯酸在其中都會被質子化:
HClO₄+HSbF5(OSO₂F)====[SbF5(OSO2F)]-+[H2ClO4]+
在這種酸性環境下,一般情況下很多無法進行的有機化合反應可以順利進行。故氟銻磺酸常作為現代化工合成反應的催化劑。
超強酸能向鏈烷烴供給質子,使其質子化形成碳正離子。
R3CH+[H2SO3F]+<---->[R3CH2]++HSO3F<---->H2+[R3C]++HSO3F
超強酸對鏈狀鹵素和硫陽離子的研究提供了一個優良的溶劑介質。
氟銻磺酸還是一種良好的溶劑和腐蝕劑,可以將包括金、鉑在內的極不活潑金屬氧化溶解。氟銻磺酸通常儲存在聚四氟乙烯的容器內。在室溫下氟銻磺酸和玻璃作用劇烈,並能溶解烴類有機物,可以將有機含氧化合物脫水炭化,但和含鉛塑膠玻璃(一種狀似玻璃的透明有機含鉛有機材料,主要成分是全氟聚苯乙烯、聚四氟乙烯、和二氟化鉛,如圖所示)反應很慢,故一般用含鉛塑膠玻璃製成的細口瓶盛裝。
氟銻磺酸酸使某些很難質子化的物質(如高氯酸)質子化,進一步製備含有-ClO3基團的有機物:
HClO4+H+====[H2ClO4]+
[H2ClO4]++H+====[ClO3]++[H3O]+
C6H6+[ClO3]+====[C6H6ClO3]+
[C6H6ClO3]+-H+====C6H5ClO3
氟銻磺酸酸使高級烷烴質子化,催化烷烴裂解:
(CH3)3CH+H→(CH3)3C+H2;
(CH3)4C+H→(CH3)3C+CH4
氟銻磺酸酸含有羥基的有機物(如醇、酚、羧酸等)質子化,進一步脫羥基化。
R-OH+2H=R+(碳正離子)+[H3O]+
強氧化劑:Sb(V)氟化物例如SbF5具有一定的氧化性,加上它超強的酸性,大大增加了氧化能力,能夠氧化腐蝕多種金屬。要注意的是,氟銻磺酸是無水體系,當氟銻磺酸與大量水混合時發生強烈反應,失去超酸性。
發現過程
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貯存方法
密閉,氮氣下保存,-20°C關於魔酸
魔酸(HSbF5(OSO2F),五氟化銻合氟代磺酸,簡稱氟銻磺酸)是由兩種或兩種以上的含氟化合物組成的溶液。比如氟硫酸和五氟化銻按1:0.3(摩爾比)混合時,它的酸性是無水硫酸的1億倍;按1:1混合時,它的酸性是無水硫酸的10^19倍。能溶解不溶於王水的高級烷烴蠟燭。酸鹼中和反應的實質是質子的傳遞反應。超酸是指酸性比普通無機酸強10^6~10^10倍的酸。魔酸(HSO₃F-SbF5)是已知除氟銻酸(HF-SbF5)外最強的超酸,許多物質(如H₂SO₄)在魔酸中可獲得質子(即質子化)。
SbF5和HF以0.2:1的摩爾比混合時酸度以達到100%硫酸的10^9倍以上,隨著SbF5的比例增加酸度還能增強。
魔酸,應當用聚四氟乙烯制的容器盛放,一般講超強酸是指比100%的硫酸酸性更強的酸。
固體魔酸
所謂固體魔酸即將魔酸附著於載體上。常見的載體有氧化鋁、氧化矽、合金、石墨、離子交換樹脂、聚合物等。固體魔酸與液體魔酸相比較有如下優點:1.反應操作簡單,催化劑容易分離回收。
2.對反應器不易腐蝕。
3.對環境污染較小,處理成本較低。
4.反應選擇性較高。但固體魔酸的強度遠遠低於液體魔酸。
各國科學家正致力研究酸性更強的固體魔酸,使其在工業上發揮更大的作用。
套用價值
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可以預料,隨著這些具有超常酸性和腐蝕性超強酸的相繼問世,化學和化學工業將會迅速走進新時代。
比較
以下的資料是以哈米特酸度函式作為依據(哈米特酸度函式(H0)是一種用於衡量高濃度酸酸性的指標,包括超強酸。它是由物理有機化學家路易斯·普拉克·哈米特(LouisPlackHammett)建議使用的,這也是最著名的酸度函式,它對於超出pH值範圍的情況是很有用的。H0每減小一個單位,即表示酸性增強10倍。),哈米特酸度函式以大負數H0值表示:氟銻酸(1:1)(1990)(H0=−28)
魔酸(五氟化銻合氟磺酸(1:1),簡稱氟銻磺酸)(1974)H0=-25)
碳硼烷酸(1969)(H0=−18.0)
氟磺酸(1944)(H0=−15.1)
三氟甲磺酸(1940)(H0=−14.6)
純高氯酸(H0=-13.0)
純硫酸(H0=-11.93)
氯化氫(H0=−8.0)
超強酸
魔酸(五氟化銻合氟代磺酸,簡稱氟銻磺酸)的酸性是公認的最強的,值得注意的是魔酸是混合物,由HSO3F與SbF5的混合配置而成的,另外含氧酸的確切定義是由O、H與一中心原子組成的可自主電離出質子的物質,其酸性最強的配置比為HSO₃F:SbF5=2:98(摩爾比)這才是真正人們所說的魔酸。如果你學了配位化學就會明白魔酸酸性強的原因了。其酸性強的機理:首先HSO₃F(氟磺酸,或單氟硫酸)的酸性本身比HClO₄強,不過在水溶液中由於拉平效應它們的水溶液酸性強度是一樣的(就像濃度一樣的硝酸溶液和鹽酸溶液酸性一樣,我們一般認為HNO3與HCl的酸性是不可區分的,但事實上不是),在HSO3F電離出H+後由於O、F強拉電子作用(誘導效應)使負電荷電荷較均勻的分布於整個離子,減弱了質子對陰離子團的庫侖力使質子能更好的電離出去。
然後是SbF5的作用,(SO3F)-中由於存在S→O的配位鍵使O上帶較明顯的負電SbF5中由於F對Sb的誘導效應,使Sb帶較強的正電性且Sb上存在一個5p空軌道(為強Lewis酸)正好可以與(SO3F)-中的O上的孤電子對形成較強的配位鍵就是說存在S→O→Sb,這樣負電荷就擴散到了更大區域,並且受到了SbF5基團對負電荷的很好禁止,最多(SO3F)-可以與3個SbF5配合,不過配合度越低越穩定,因為SbF5基團太大互相牴觸,(SO3F)-不能更好與太多的SbF5很好配合,因而可以解釋魔酸中SbF5的量相當大,這樣H+對該配合物基本不存在庫侖力了所以H+變得相當自由甚至可以“趴在”電子云密度相對較大的C-H鍵上形成二電子三中心鍵很不穩定易分解生成碳正離子與H2。