马勋涛:探求软硬酸碱亲和规律的原因
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- 最后修订:
- 2020-11-03 10:33:30
摘要:
Pearson在Ahrland等人的工作基础上,对Lewis酸碱进行了分类工作,提出了软硬酸碱概念,总结出了“软亲软,硬亲硬,软硬结合不安定”的经验规则,被大家广泛运用,具有很高的预见性。但是至今没有人能给出一个令人信服的理由。
大家比较认同的解释,例如“离子-共价”学说、Klopman的前沿分子轨道解释等等,没有认识到本质,经不起推敲。仅仅把溶液中的化合物都当做离子来对待就令人难以接受。例如一些高价的化合物果真能离解出高价的离子吗?象Pt4+、Ti4+、Zr4+、Pu4+等等,仅仅从原子的第四电离能来看,都高达40eV左右,如果能失去电子,是不可想象的,存在高的价态,但是未必能离解出高价的离子。
在有可变价态的元素中,高价态的是硬酸,而原子失去多个电子必定更为艰难,并且说硬酸具有离子键性质,这不是等于说原子失去电子越多越容易吗?高价离子的极化力更高,酸碱之间更容易发生电荷转移,与“硬亲硬’具有离子键性质的观点相矛盾。事实上,可以很容易从元素性质来解释其中缘由。
微观世界中原子之间的结合存在如下一些条件。
(1)、原子半径的大小匹配——大配大、小配小。
这是化学反应中一个极为重要的原因,它符合共价键理论中的“最大重叠原则”。例如,氢原子与碘原子的结合,一个电子云体积很大,一个很小,大小不匹配,碘的原子轨道能被氢完全重叠吗?因此HI分子不安定。又如,碱金属与氮的化合,只有锂能直接反应,原因就是氮原子半径较小,而其他碱金属原子半径很大,不相匹配的缘故。
(2)、氧化性与元素价态的匹配——强配高。
例如,钴与卤素的化合物,二价态都存在,CoF3稳定,CoCl3极其不稳定,而CoBr3、CoI3就没有制得过。同理,对于铁的三价卤化物,由于碘的氧化性弱而不能与三价铁相匹配,因此FeI3很难存在,从未分离出纯品。存在PbF4与PbCl4而不存在PbBr4与PbI4。道理很简单,氧化能力不同而已。
(3)、亲电子与亲共价氢能力差别的匹配——狭义酸碱性匹配。
卤素等元素具有比较大的电子亲和能,因此,容易与易失去电子的金属元素结合;氢原子半径比较小,易与氟、氧、氮、碳等结合。共价氢化物亲电子与亲氢原子能力之差就是酸性的大小。
(4)、化合价态之间的匹配——化合价相同的元素容易匹配,元素之间的配比趋于1的结合比较稳定。如碱金属与卤素的匹配等等。
钌、锇、氙三个元素具有最高化合价——八价,氟的电负性最大,却难以把他们氧化为八价,反而容易存在八价的氧化物,高铁酸盐中,铁为+6价,还没有发现铁的六价氟化物存在。这是电负性与化合价匹配共同作用的结果。
原子之间的相互匹配因素很多,大家都能根据自己的经验找出一些来。我们下面解释一下“软亲软,硬亲硬”这一规则其中的道理。
1、硬碱如O2-、OH-、F-、SO42-、ClO42-、PO43-、Cl-等等 ,去掉电荷,都含有极大氧化能力的原子,因此他们一方面容易获得电子如与碱金属及碱土金属反应,另一方面可以使多价态元素氧化到最高价态。而这些被氧化的元素形成所谓的离子就是硬酸。
2、Cu+、Ag+、Au+、Hg+、Pd2+、Pt2+、Hg2+等等是所谓的软酸,他们都是原子半径较大且不容易失去电子的元素,而所谓的软碱就是如S2-、I-、CN-等等,其原子或者原子团的半径比较大而电负性比较小;因此,二者相互作用符合原子半径大小相匹配的性质,只能形成共价键。
3、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Sn2+、Pb2+等等,所谓的交界酸,一价铜半径变大,成为软酸,其它元素的价态升高,半径变小,成为硬酸,符合半径匹配、“价态与氧化性”匹配效应。
用一些化学反应说明如下。
NaF+HI=HF+NaI 此反应前,HI不匹配,反应后都匹配。
NaOH+HF=NaF+H2O 此反应符合酸碱性匹配。
(Mg、Ca、Sr)BaCl2+SO42-=BaSO4+2Cl- 此反应符合元素的价态匹配。
AgNO3+NaI=AgI+NaNO3 此反应前硝酸银不匹配,反应后都匹配。
Na3PO4+AlCl3=AlPO4+3NaCl 价态匹配。
CsF+LiI=LiF+CsI 原子半径与氧化还原能力匹配。
CuSO4+H2S=CuS+H2SO4 反应后相互匹配。
当然,各种反应的原因很多,且相互交错,需要综合判断。