【元素家族——連載188】誰是世上最強酸？（下）超級酸？魔酸？

根據酸鹼質子理論和酸鹼電子理論，一方面做好防守，保護自己的電子不被剝奪，另一方面提升進攻，提供質子去剝奪別人的電子，這就可以得到更強的酸。有沒有比硫酸、高氯酸更強的酸呢？真的有！

1966年，美國化學家奧萊教授的一個助手不小心將一塊蠟燭丟在了一個裝了酸的容器裡，他驚奇的發現蠟燭很快溶解了！要知道，蠟燭是一種長鏈烷烴，主要參加自由基反應，一般認為它們是老老實實的有機物，跟酸鹼反應從來就是絕緣的！

【1994年諾貝爾化學獎獲得者：奧萊。】

奧萊教授也震驚了，他帶領團隊仔細研究了一下，發現溶解蠟燭的酸是五氟化銻和氟磺酸的混合物。由於該現象過於神奇，奧萊團隊給這種酸起名“魔酸”。他們又給反應後的蠟燭溶液做了核磁共振分析，發現其中竟然有一個尖銳的碳正離子峰，說明“魔酸”竟然將烷烴給質子化了！他們繼續實驗，發現“魔酸”不僅可以攻克蠟燭的防線，其他烷烴、烯烴的堡壘也都一座又一座被“魔酸”這種超級攻城利器攻克了，生成了一種又一種碳正離子。

一直以來，碳正離子僅僅存在於化學家的理論中，作為一種假設的中間產物，因為它的反應活性太強，實在很難儲存。如今奧萊團隊終於發現，碳正離子不僅真是存在，而且可以儲存在魔酸溶液裡，參與下一步的反應。1994年，因為對碳正離子的研究，奧萊被授予當年的諾貝爾化學獎。

【魔酸將甲烷變成碳正離子和氫氣，並進一步反應生成乙烯，開闢了新的化學反應路徑。】

魔酸為什麼如此強大？

首先，氟磺酸中有一個氟原子和三個氧原子，為電負性最強的兩種元素，拉電子的能力特別強，當其中的氫離子離開以後，氟和氧將多餘的負電荷緊緊的拉拽過來，均勻分佈在氟磺酸負離子裡，因此氫離子幾乎很難回家，所以氟磺酸是一種非常好的質子提供者。而五氟化銻本身就是一種很強的路易斯酸，也就是說它剝奪別人電子的能力很強，當它和氟磺酸負離子形成配位鍵以後，負電荷就擴散到了更大區域，氫離子（實際是氟磺酸合氫離子）真的成為了一顆無家可歸的遊子，只能去進攻其他分子。

【魔酸中的反應，一個或兩個五氟化銻和氟磺酸透過配位鍵形成超大陰離子。理論上，最多可以有三個五氟化銻配位氟磺酸，所以在魔酸中，五氟化銻一般要過量。】

在魔酸之後，又發現了更強的超級酸——氟銻酸，是氫氟酸和五氟化銻的混合物。氫氟酸電離出氫離子（實際上是二氟化氫陽離子）以後，剩下的氟離子和五氟化銻形成一個“籠形”的六氟合銻陰離子，這是一個正八面體結構，六個氟原子緊密包裹著中心的銻原子，那一個負電荷均勻的分佈在這個“籠子”裡，對氫離子的吸引力就更弱了。相比於魔酸，氟銻酸裡的氫離子更加暢快的遊蕩著，氟銻酸的酸性也就比魔酸更強。

【氟銻酸中，電離出的氫離子（左，實際上是二氟化氫陽離子）和六氟合銻陰離子（右），可以看到，六氟合銻陰離子的籠形結構讓負電荷均勻分佈。】

這兩種超級強酸的酸性究竟有多強呢？一般來說，衡量強酸弱酸我們熟悉的是pH值，也是水溶液中水合氫離子濃度的對數值，而這些超級強酸根本不在水溶液中表現超級酸性，pH值也就沒有意義了。化學家們只好創造出了一個新的指標：哈米特酸度函式（H0值）來比較這些超級強酸，H0值的絕對值越大，酸性越強，跟pH值類似，H0值每相差1，其酸性相差10倍。

我們常見的硫酸H0值是-11。93，高氯酸是-13，而魔酸的H0值是-25，氟銻酸更達到-28，也就是說氟銻酸比硫酸的酸性要強一億億倍。

【日本人的變態實驗，用硫酸浸泡五分鐘的Iphone7（上），竟然還能使用；滴了幾滴氟銻酸的Iphone7（下），瞬間腐蝕。】

魔酸和氟銻酸都不是單組分的酸，必須在使用之前將雙組份混合，才能達到最強的酸度。最強的單組分酸是2004年被發現的碳硼烷酸（HCB11Cl11），和氟銻酸類似，離解出氫離子之後，碳硼烷陰離子（CB11Cl11-）是一個精密的籠子，讓氫離子浪跡天涯。

另一方面，碳硼烷酸又是最溫和的酸，因為碳硼烷陰離子（CB11Cl11-）這個籠子是有史以來最穩定的分子結構之一，幾乎和氦的反應活性差不多，也就根本不會跟任何物質反應，因此它雖是超級強酸，卻沒有絲毫腐蝕性。

【碳硼烷陰離子那精緻而穩定的結構。】

回到上一集路易斯的問題：超強酸如何存放？

溫和的碳硼烷酸可以用任何材料存放，不必擔心，而魔酸跟氟銻酸只能用聚四氟乙烯來存放了。

【存放氟銻酸只能用聚四氟乙烯哦。】

最後多嘴一句，路易斯總結了酸鹼反應的本質，為何他仍為化學界的無冕之王？確實，在化學界他譽滿全球，僅僅他的學生就得了5個諾獎，而他一直到死也沒有摘得桂冠，這是為什麼呢？

一方面，由於個人性格問題，他樹敵太多，這裡我們不做討論。

另一方面，他研究的廣度大於深度，沒有那種石破天驚級別的的發現。所以，他一共得到了41次諾獎提名，史上之最，比咱一個國家的提名都多好多倍。卻他一次都沒有最終獲得獎項，堪稱最佳男配角。

【實驗室裡的路易斯。】

還有一種說法，路易斯有一個死對頭：1932年諾貝爾化學獎獲得者朗繆爾。相比於路易斯，朗繆爾做ppt寫論文和科普的能力更強，好幾次路易斯在實驗室累死累活搞出新理論，朗繆爾馬上就基於路易斯的理論寫出好幾篇論文。比如他1919年的論文《原子和分子中電子的排列》，就被認為是嚴重基於路易斯的立方體原子理論。

【1902年，路易斯手書的立方體原子理論。】

有傳言，1932年朗繆爾因為表面化學的貢獻獲得諾獎之後，利用和諾獎委員會的關係多次干預，阻止路易斯獲獎。二戰爆發後，朗繆爾成為曼哈頓計劃的特別顧問，而路易斯竟然沒有被列入名單，這讓他整個二戰期間心灰意冷，無所事事。

1946年3月23日中午，路易斯和朗繆爾這對老冤家一起共進午餐，沒有人知道他們談了什麼細節。下午路易斯陰沉著臉回到實驗室，一個小時後，他的學生髮現了他的屍體，以及實驗室裡滿溢的苦杏仁味（氫氰酸的標誌）。

【路易斯的死對頭：朗繆爾。】

小測試：

1， 根據哈米特酸度函式的標度，哪個是目前發現的最強酸？（包括雙組份）

A） 高氯酸

B） 王水

C） 魔酸

D）氟銻酸

2， 誰是史上獲得諾貝爾獎提名最多的人？

A） 阿倫尼烏斯

B） 奧萊

C） 路易斯

D）朗繆爾

3， 哪個是最溫和的超級酸？

A） 魔酸

B） 氟銻酸

C） 碳硼烷酸

D）王水