超強酸

又稱超酸。是一種酸性比高氯酸還強的酸（註：有些人認為王水可以溶金，所以誤認為王水酸性非常強，事實上王水的酸性並非很強，甚至不及濃硫酸。而高氯酸是無機含氧酸中的最強酸）。一般分類如下：布朗斯特超酸，路易斯超酸，共軛布朗斯特-路易斯超酸，固體超強酸。超酸作為一個良好的催化劑，使一些本來難以進行的反應能在較溫和的條件下進行，故在有機合成中得到 廣泛套用。

超強酸是一類酸性比濃硫酸還強的酸。世界上已開發和研製了比硫酸、鹽酸、硝酸酸性強幾百萬倍，甚至幾十億倍的超強酸。以HSO₃F－SbF₅（魔酸）為例，比100%硫酸強10¹⁹倍。

註：酸性和腐蝕性強度沒有關係。

基本介紹

• 中文名：超強酸
• 英文名：superacid / super acid
• 別稱：超酸
• 套用：主要作催化劑；使非電解質成為電解質等
• 代表：六氟合銻酸
• 相關學科：無機化學、有機化學

簡介

超強酸又稱為超酸，英文名稱為super acid。它比一般的強酸如硫酸、鹽酸的酸性強幾個數量級。物質的量為1:0.3的氫氟酸和五氟化銻混合時的酸性強度要比無水硫酸（100%）的強度強約大1億倍。

而HF～SbF₅的物質的量比1:1（氟銻酸）時其酸性估計可達無水硫酸的10¹⁹倍，是已知最強的超強酸。這些超強酸如魔酸，它是五氟化銻和氟磺酸按體積比1:1混合製成的混酸。其酸度只是無水硫酸的1000萬倍，在世界市場上已有商品出售，超強酸在化學和化學工業上，有很大套用價值，它既是無機及有機的質子化試劑，又是活性極高的催化劑。過去很多在普通環境下極難實現或根本無法實現的化學反應在超強酸環境中。卻能異常順利地完成。

這裡需要指出的是，人們常說的“王水”，其實質是一種混合腐蝕劑，而不是酸，它的腐蝕作用的原理是高濃度的原子態氯，配合高濃度的氯離子，這使得常態下很穩定的貴金屬在其中能夠順利參與反應，從而被腐蝕。故而王水的溶解能力和真正意義的酸性是兩碼事。在中學課本中，金屬的活潑性被劃分為“氫前金屬”和“氫後金屬”，這是針對金屬和非氧化性強酸水溶液反應的活性而言。但是現實情況要更複雜些，一些很強的非氧化性強酸能跟銀這樣的貴金屬發生反應，例如濃鹽酸和濃氫碘酸，這不僅僅因為其水溶液有很高濃度的水合氫離子，而且和其陰離子的絡合能力有關——但這些“特例”仍然在常規意義的“酸”的範疇。

直到有一天奧萊教授和他的學生偶然發現了一種奇特的溶液，它居然能溶解不溶於王水的高級烷烴蠟燭，人們才知道通常人們所知道的幾大強酸都還不算什麼，還有比它們強得多的酸，人們稱之為“超強酸”，其中包含魔酸，也就是氟銻磺酸。

成分分析

從成分上看，超強酸是由兩種或兩種以上的含氟化合物組成的溶液。它們的酸性強的令人難以置信，比如氫氟酸和五氟化銻按1:0.3（物質的量之比）混合時，它的酸性是濃硫酸的1億倍。按1:1混合時，它的酸性是濃硫酸的10¹⁹倍。所以王水在它們面前只能是“小巫見大巫”。

由於超強酸的酸性和腐蝕性強的出奇，所以過去一些極難或根本無法實現的化學反應，在超強酸的條件下便能順利進行。比如正丁烷，在超強酸的作用下，可以發生碳氫鍵的斷裂，生成氫氣，也可以發生碳碳鍵的斷裂，生成甲烷，還可以發生異構化生成異丁烷，這些都是普通酸做不到的。

超強酸可以使碳正離子活性降低，使其反應可受人工控制，對工業生產有重要作用。

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。

主要類型

a.布朗斯特超酸，如HSO₃Cl、HSO₃F和HSO₃CF₃等，室溫下為液體，本身為酸性非常強的溶劑。

b.路易斯超酸：SbF₅、AsF₅、AuF₅、TaF₅和NbF₅等，其中除卻AuF₅外，氟銻酸是已知最強的路易斯酸，可用於製備正碳離子和魔酸等共軛超酸。

c. 共軛布朗斯特——路易斯超酸：包括一些由布朗斯特和路易斯酸組成的體系。如：H₂SO₄·SO₃(H₂S₂O₇）；H₂SO₄·B(OH)₃；HSO₃F·SbF₅；HSO₃F等。

d. 固體超酸：硫酸處理的氧化物TiO₂·H₂SO₄；ZrO₂·H₂SO₄；路易斯酸處理的TiO₂·SiO₂等。

超酸用途

a. 非電解質成為電解質，能使很弱的鹼質子化（碳正離子）

b. 超酸中可解離出多鹵素陽離子I₂⁺、I₃⁺、Br₂⁺、Cl₂⁺等

c. 良好的催化劑

d. 使用超酸可以活化碳氫化合物，最近的例子是六氟合銻酸溶液中對甲基環戊烷的羰基化反應。對C-H鍵的質子化導致失去一個氫氣而生成一個碳正離子（其可能發生的重排並未給出）對C-C鹼的質子化在經重排後產生了一個線性的碳正離子（其他的異構體並沒有給出）。加入的CO捕獲這些碳正離子即生成穩定的醯基碳正離子，它與後處理過程中加入的乙醇發生反應生成相應的乙酯化合物。

超酸對甲基環戊烷的活化

舉例

氟銻酸

氟銻酸（Fluoroantimonic acid]），是氟化氫（HF）與五氟化銻（SbF5）的混合物，可全稱為六氟合銻酸，是迄今為止已知最強的超強酸。其中，氟化氫提供質子（H⁺）和共軛鹼氟離子（F^-），氟離子通過強配位鍵與親氟的五氟化銻生成具有八面體穩定結構的六氟化銻陰離子（SbF₆^-），而該離子是一種非常弱的親核試劑和非常弱的鹼。於是H+(質子）就成為了“自由質子”，從而導致整合體系具有非常強的酸性。氟銻酸的酸性通常是純硫酸的10¹⁹倍（哈米特酸度函式 = -28）。

魔酸

魔酸（Magic acid）是最早發現的超強酸，稱它有魔法是因為它能夠分解蠟燭中的蠟。魔酸是一種路易斯酸五氟化銻（SbF₅）和一種質子酸氟磺酸（HSO₃F）的混合物。魔酸是無色透明的粘稠液體，含雜質時為淡黃色、棕色甚至是黑綠色。有明顯的刺激性氣味，純淨的氟銻磺酸密度大致為3.61-3.82g/ml，無固定溶沸點（1:1哈米特酸度函式 = -25）酸性為純硫酸的10萬億倍。

碳硼烷酸

碳硼烷酸（Carborane superacid）：2004年，加州大學的Christopher Reed研究小組合成出了這種最強的純酸—碳硼烷酸（化學式：CHB₁₁Cl₁₁），這是已知酸性最強的分子。碳硼烷的結構十分穩定且體積較大，一價負電荷被分散在碳硼烷陰離子的表面，因而與氫陽離子的作用很弱，從而具有令人吃驚的釋放氫離子的能力。酸性是氟磺酸的一千倍，純硫酸的一百萬倍，但由於碳硼烷的結構穩定，在釋出氫離子後難以再發生變化，因此腐蝕性極低，又被稱為最溫和的強酸。它能溶解不溶於王水的高級烷烴蠟燭。碳硼烷酸的套用十分廣泛，可以用來製造“酸化”的有機分子，研究這些在自然界中短暫存在的有機分子有助於科學家了解物質發生變化的深層次機理，而科學家希望用碳硼烷酸酸化惰性氣體氙，確定該氣體的惰性強度。（哈米特酸度函式 =-18.0）

相關研究

固體超強酸催化合成PESA及其阻垢性能研究：以馬來酸酐為原料、首次套用固體超強酸SO₄/M_xO_y為催化劑"一鍋法"催化合成聚環氧琥珀酸（PESA）。

採用FTIR、GPC對產物結構和分子量進行了表征,利用SEM、XRD考察了產物對Ca CO₃沉渣形貌和物相，並探討了其阻垢機理。

結果表明：8種固體超強酸SO₄/M_xO_y中SO₄/Ti O₂-SiO₂催化活性最好，阻垢效率高達98.87%；FTIR分析證實了產物分子結構具有羥基、羧基、C-O-C基團,聚合物為PESA；GPC分析該PESA的數均和重均相對分子量分別為1 471和1 609；SEM和XRD分析表明該PESA能有效地損傷和變形CaCO₃沉渣的晶體習性和結構，表現了明顯的晶格畸變能力。