馬勛濤:探求軟硬酸堿親和規律的原因
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- 最后修訂:
- 2020-11-03 10:33:30
摘要:
Pearson在Ahrland等人的工作基礎上,對Lewis酸堿進行了分類工作,提出了軟硬酸堿概念,總結出了“軟親軟,硬親硬,軟硬結合不安定”的經驗規則,被大家廣泛運用,具有很高的預見性。但是至今沒有人能給出一個令人信服的理由。
大家比較認同的解釋,例如“離子-共價”學說、Klopman的前沿分子軌道解釋等等,沒有認識到本質,經不起推敲。僅僅把溶液中的化合物都當做離子來對待就令人難以接受。例如一些高價的化合物果真能離解出高價的離子嗎?象Pt4+、Ti4+、Zr4+、Pu4+等等,僅僅從原子的第四電離能來看,都高達40eV左右,如果能失去電子,是不可想象的,存在高的價態,但是未必能離解出高價的離子。
在有可變價態的元素中,高價態的是硬酸,而原子失去多個電子必定更為艱難,并且說硬酸具有離子鍵性質,這不是等于說原子失去電子越多越容易嗎?高價離子的極化力更高,酸堿之間更容易發生電荷轉移,與“硬親硬’具有離子鍵性質的觀點相矛盾。事實上,可以很容易從元素性質來解釋其中緣由。
微觀世界中原子之間的結合存在如下一些條件。
(1)、原子半徑的大小匹配——大配大、小配小。
這是化學反應中一個極為重要的原因,它符合共價鍵理論中的“最大重疊原則”。例如,氫原子與碘原子的結合,一個電子云體積很大,一個很小,大小不匹配,碘的原子軌道能被氫完全重疊嗎?因此HI分子不安定。又如,堿金屬與氮的化合,只有鋰能直接反應,原因就是氮原子半徑較小,而其他堿金屬原子半徑很大,不相匹配的緣故。
(2)、氧化性與元素價態的匹配——強配高。
例如,鈷與鹵素的化合物,二價態都存在,CoF3穩定,CoCl3極其不穩定,而CoBr3、CoI3就沒有制得過。同理,對于鐵的三價鹵化物,由于碘的氧化性弱而不能與三價鐵相匹配,因此FeI3很難存在,從未分離出純品。存在PbF4與PbCl4而不存在PbBr4與PbI4。道理很簡單,氧化能力不同而已。
(3)、親電子與親共價氫能力差別的匹配——狹義酸堿性匹配。
鹵素等元素具有比較大的電子親和能,因此,容易與易失去電子的金屬元素結合;氫原子半徑比較小,易與氟、氧、氮、碳等結合。共價氫化物親電子與親氫原子能力之差就是酸性的大小。
(4)、化合價態之間的匹配——化合價相同的元素容易匹配,元素之間的配比趨于1的結合比較穩定。如堿金屬與鹵素的匹配等等。
釕、鋨、氙三個元素具有最高化合價——八價,氟的電負性最大,卻難以把他們氧化為八價,反而容易存在八價的氧化物,高鐵酸鹽中,鐵為+6價,還沒有發現鐵的六價氟化物存在。這是電負性與化合價匹配共同作用的結果。
原子之間的相互匹配因素很多,大家都能根據自己的經驗找出一些來。我們下面解釋一下“軟親軟,硬親硬”這一規則其中的道理。
1、硬堿如O2-、OH-、F-、SO42-、ClO42-、PO43-、Cl-等等 ,去掉電荷,都含有極大氧化能力的原子,因此他們一方面容易獲得電子如與堿金屬及堿土金屬反應,另一方面可以使多價態元素氧化到最高價態。而這些被氧化的元素形成所謂的離子就是硬酸。
2、Cu+、Ag+、Au+、Hg+、Pd2+、Pt2+、Hg2+等等是所謂的軟酸,他們都是原子半徑較大且不容易失去電子的元素,而所謂的軟堿就是如S2-、I-、CN-等等,其原子或者原子團的半徑比較大而電負性比較小;因此,二者相互作用符合原子半徑大小相匹配的性質,只能形成共價鍵。
3、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Sn2+、Pb2+等等,所謂的交界酸,一價銅半徑變大,成為軟酸,其它元素的價態升高,半徑變小,成為硬酸,符合半徑匹配、“價態與氧化性”匹配效應。
用一些化學反應說明如下。
NaF+HI=HF+NaI 此反應前,HI不匹配,反應后都匹配。
NaOH+HF=NaF+H2O 此反應符合酸堿性匹配。
(Mg、Ca、Sr)BaCl2+SO42-=BaSO4+2Cl- 此反應符合元素的價態匹配。
AgNO3+NaI=AgI+NaNO3 此反應前硝酸銀不匹配,反應后都匹配。
Na3PO4+AlCl3=AlPO4+3NaCl 價態匹配。
CsF+LiI=LiF+CsI 原子半徑與氧化還原能力匹配。
CuSO4+H2S=CuS+H2SO4 反應后相互匹配。
當然,各種反應的原因很多,且相互交錯,需要綜合判斷。