为什么氢氦正离子（HHe+）是宇宙最强酸？ 第1页

大多数人心中的最强酸可能是：硫酸

初中生：“是不是王水？”

高中生：“我们学过，是高氯酸。”

其实，这个问题涉及到化学里一个最基本的问题，什么是酸？

最早，人们将有酸味的物质叫做酸，有涩味的物质叫做碱。当然，这只是经验规律，远远称不上现代科学。

如果大家看过《元素家族》中“氧”的篇章，一定会记得拉瓦锡将氧元素命名为“酸素”，他认为氧是形成酸的元素，所有酸中都含有“氧”这种酸素。这一观点被戴维打破了，他在对氯的研究过程中发现盐酸不含氧元素，类似的，其他氢卤酸、氢硫酸、氢碲酸也都不含有氧元素。但戴维没有提出他的酸碱理论，与他同时代的大多数化学家（如贝采尼乌斯）仍然认同拉瓦锡的酸素理论。

1838年，有机化学之父李比希在研究了众多有机酸之后提出，所有的酸都含有氢元素，它可以被金属置换出来，变成氢气。“酸素”终于从氧变成了氢。

1884年，瑞典物理学家、化学家阿伦尼乌斯在李比希的基础上，总结了大量的化学现象，第一次提出了现代的酸碱电离理论。之前很多人以为酸在水溶液中电离出氢离子，从现代科学的观念来看，这太可怕了，氢离子就是一个裸质子，它太小了，没什么能挡得住，简直可以在水里自由穿梭。

阿伦尼乌斯认为，氢离子在水溶液中不能单独存在，而是去极化了一个水分子，得到一个水合氢离子（H3O+），在水中真正体现出酸性的是水合氢离子，也正是这个水合氢离子让我们的舌头感觉有“酸味”。因此同样条件下，酸电离出的水合氢离子的浓度越高，说明这个酸越强，比如硫酸的酸性明显强于醋酸。

在常温下，水溶液中水合氢离子和氢氧根离子浓度的乘积是一个定值——10^-14，电离出更多氢氧根离子的就是酸的死对头——碱。

阿伦尼乌斯因为酸碱电离理论而获得1903年诺贝尔化学奖，这个理论跟现代化学理论已经很接近了。但在酸碱电离理论中，几种强酸的酸性强度无法区分，比如硫酸和硝酸在水中电离的都相当彻底，无法分辨谁更强。而在醋酸作为溶剂时，又可发现几种强酸的酸性明显有高低之分，比如高氯酸>硫酸>硝酸。强酸中的强酸在水溶液中无法体现出更强的酸性，这被叫做“拉平效应”。

人们终于意识到，还得考虑溶剂这种介质的影响。1905年，富兰克林进一步发展了酸碱电离理论，提出了酸碱溶剂理论：

凡是在溶剂中产生该溶剂的特征阳离子的溶质叫酸，产生该溶剂的特征阴离子的溶质叫碱。

比如在液氨中，能电离出铵离子（NH4+）的是酸，而产生胺负离子（NH2-）的是碱。

酸碱溶剂理论仍有局限，它只能解释自偶电离溶剂体系，而不能解释非溶剂体系下的酸碱反应。

1923年，丹麦化学家布隆斯特和英国化学家劳里分别独立的提出了酸碱质子理论：

凡是能够给出质子的物质都是酸，凡是能够接受质子的物质都是碱。

这个理论指出，酸和碱都是相对的，比如碳酸氢根离子既能和盐酸反应也能和烧碱反应。当它和盐酸反应时，它接受质子，因此是一种碱；而和烧碱反应时，它提供质子，因此是一种酸。

酸碱质子理论仍不能解释很多不含氢的化学反应，比如氧化钙和三氧化硫在无水的情况下反应生成硫酸钙，从拉瓦锡时代开始，化学家都将这个视为酸碱中和反应，但一个多世纪之后的酸碱质子理论竟然不能将它囊括进去，看来，化学家还有事可做。

这个光荣而艰巨的任务终于落在了化学界的无冕之王——吉尔伯特*路易斯身上。

曾经有一个著名的关于他的笑话，一天早晨，他的助手闯进了路易斯的办公室，举着一个冒着气泡的玻璃瓶叫起来：“新鲜出来的超级酸！它可以溶解一切物质！”路易斯没给好脸色的回了一句：“那你是怎么用玻璃瓶装起来的？”

路易斯毕生都在研究原子中的电子在不同情形下如何运动，他认为既然化学反应是原子在交换电子，那么酸碱反应自然也不例外。比如盐酸溶于水，离解为水合氢离子和氯离子，他认为不应该强调氢离子，而是在相反的方向强调带走了电子的氯离子。如此一来，酸就不应该是质子提供者，而是电子剥夺者，而碱是电子提供者。这才是最能反映酸碱反映实质、最广义、最普适的酸碱理论——酸碱电子理论！

根据酸碱质子理论和酸碱电子理论，一方面做好防守，保护自己的电子不被剥夺，另一方面提升进攻，提供质子去剥夺别人的电子，这就可以得到更强的酸。反之，把质子结合的越牢固，就得到更强的碱。

按照这个理论，化学家提出了一个质子亲和力（Proton affinity）的概念——PA，质子亲和力越强的物质碱性越强。曾报道过的最强碱是邻二乙炔基苯二价阴离子[C6H4(C2)2]2−，它的质子亲和能Epa高达1843千焦/摩尔，研究人员称：这个二价阴离子强到足以将气相中的苯去质子化，这个记录难以打破了！

如此逆天的特性让这个物质成功入选2016年度最炫分子，它的结构如下：

除此之外，屈居第二的最强碱是甲烷阴离子（Epa=1743千焦/摩尔），而氢负离子（Epa=1675千焦/摩尔）夺得铜牌。而反过来，邻二乙炔基苯二价阴离子毕竟带两个负电荷，所以，甲烷是最弱的质子酸，氢气倒数第二。

质子亲和力最小的物质是什么呢？截止目前，发现氦原子最小，它的质子亲和能Epa只有178千焦/摩尔，因此氦原子是最弱的碱，反过来氢氦正离子就是最强酸。

氢氦正离子其实发现的很早，1925年，两位科学家Hogness和Lunn将指定能量的质子束注射入一团氢和氦的混合气体中，希望研究H+,H2+和H3+这些离子的形成机理。获得了种种数据之后，他们总结到，H2+会转运一个质子给到它碰撞到的分子（或原子）。那么，如果它撞到了一个氦原子，就会形成一种氢氦正离子（HHe+）。

自从1970年代开始，就有科学家设想，在星云之类的星际介质中可能存在这种氢氦正离子（HHe+），2019年Nature上的这篇发现是对几十年前科学理论的最好佐证。

然鹅，氢氦正离子（HHe+）毕竟是一种离子，只能“较稳定”的存在于等离子态。回到地球上，如果它要形成凝聚的状态，比如液态（或固态），就必须和一个负离子（X-）反应，形成一个分子酸HX，这个HX的质子亲和力PA值可就没有氢氦正离子那么逆天了。这样它就如同仙女下凡间，“酸度”也“虎落平阳”了。

如果你想知道能够在地球上稳定存在的最强酸是什么？请继续往下看：

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1966年，美国化学家奥莱教授的一个助手不小心将一块蜡烛丢在了一个装了酸的容器里，他惊奇的发现蜡烛很快溶解了！要知道，蜡烛是一种长链烷烃，主要参加自由基反应，一般认为它们是老老实实的有机物，跟酸碱反应从来就是绝缘的！

奥莱教授也震惊了，他带领团队仔细研究了一下，发现溶解蜡烛的酸是五氟化锑和氟磺酸的混合物。由于该现象过于神奇，奥莱团队给这种酸起名“魔酸”。他们又给反应后的蜡烛溶液做了核磁共振分析，发现其中竟然有一个尖锐的碳正离子峰，说明“魔酸”竟然将烷烃给质子化了！他们继续实验，发现“魔酸”不仅可以攻克蜡烛的防线，其他烷烃、烯烃的堡垒也都一座又一座被“魔酸”这种超级攻城利器攻克了，生成了一种又一种碳正离子。

一直以来，碳正离子仅仅存在于化学家的理论中，作为一种假设的中间产物，因为它的反应活性太强，实在很难保存。如今奥莱团队终于发现，碳正离子不仅真是存在，而且可以保存在魔酸溶液里，参与下一步的反应。1994年，因为对碳正离子的研究，奥莱被授予当年的诺贝尔化学奖。

魔酸为什么如此强大？

首先，氟磺酸中有一个氟原子和三个氧原子，为电负性最强的两种元素，拉电子的能力特别强，当其中的氢离子离开以后，氟和氧将多余的负电荷紧紧的拉拽过来，均匀分布在氟磺酸负离子里，因此氢离子几乎很难回家，所以氟磺酸是一种非常好的质子提供者。而五氟化锑本身就是一种很强的路易斯酸，也就是说它剥夺别人电子的能力很强，当它和氟磺酸负离子形成配位键以后，负电荷就扩散到了更大区域，氢离子（实际是氟磺酸合氢离子）真的成为了一颗无家可归的游子，只能去进攻其他分子。

在魔酸之后，又发现了更强的超级酸——氟锑酸，是氢氟酸和五氟化锑的混合物。氢氟酸电离出氢离子（实际上是氟化二氢阳离子）以后，剩下的氟离子和五氟化锑形成一个“笼形”的六氟合锑阴离子，这是一个正八面体结构，六个氟原子紧密包裹着中心的锑原子，那一个负电荷均匀的分布在这个“笼子”里，对氢离子的吸引力就更弱了。相比于魔酸，氟锑酸里的氢离子更加畅快的游荡着，氟锑酸的酸性也就比魔酸更强。

这两种超级强酸的酸性究竟有多强呢？一般来说，衡量强酸弱酸我们熟悉的是pH值，也是水溶液中水合氢离子浓度的对数值，而这些超级强酸根本不在水溶液中表现超级酸性，pH值也就没有意义了。化学家们只好创造出了一个新的指标：哈米特酸度函数（H0值）来比较这些超级强酸，H0值的绝对值越大，酸性越强，跟pH值类似，H0值每相差1，其酸性相差10倍。

我们常见的硫酸H0值是-11.93，高氯酸是-13，而魔酸的H0值是-25，氟锑酸更达到-28，也就是说氟锑酸比硫酸的酸性要强一亿亿倍。

魔酸和氟锑酸都不是单组分的酸，必须在使用之前将双组份混合，才能达到最强的酸度。最强的单组分酸是2004年被发现的碳硼烷酸（HCB11Cl11），和氟锑酸类似，离解出氢离子之后，碳硼烷阴离子（CB11Cl11-）是一个精密的笼子，让氢离子浪迹天涯。

另一方面，碳硼烷酸又是最温和的酸，因为碳硼烷阴离子（CB11Cl11-）这个笼子是有史以来最稳定的分子结构之一，几乎和氦的反应活性差不多，也就根本不会跟任何物质反应，因此它虽是超级强酸，却没有丝毫腐蚀性。

回到路易斯的问题：超强酸如何存放？

温和的碳硼烷酸可以用诸如玻璃、塑料等常见材料存放，不必担心，而魔酸跟氟锑酸只能用聚四氟乙烯来存放了。