酸碱理论的三种类型酸碱反应有何相同和相异之处

花兮若梦 3个月前 已收到1个回答 举报

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实际上“软硬酸碱理论”(HSAB)算是一种经验上的模型,用来简单判断以及分析一个反应的方向或者程度。

化学反应发生总体而言是因为产物的能量低于起始物的能量。我们都知道化学家会有很多说辞来解释这件事情,诸如电荷中和啦,溶剂效应啦,有机化学家常说的扩展了共轭体系啦,形成了芳香性啦以及位阻减小啦等等等等。软硬酸碱理论也与这些概念的存在有些类似,而且可能更能反映一些化学本质,适用面更广。

和酸性碱性类似,化学家可以根据“软硬”来经验性判断以及分析一个反应的发生。我们也有一个类的“软硬中和”公式:

其中“H”表示“Hard”,“S”表示“Soft”。公式简单来讲就是“软亲软,硬亲硬”。下面讲一下什么是软什么是硬,以及为何会有“软亲软,硬亲硬”。举个栗子,氢离子很硬,银离子很软,所以氢离子更喜欢比较硬的氟离子,而银离子喜欢软的碘离子。

两个分子片段结合的力大体上我们可以分为两种,一个是静电吸引,一个是轨道的相互作用(orbital interaction)。如果一个化学键主要是离子性的,我们就可以理解为静电吸引(和“硬”的概念有关);反过来,化学键偏共价性,那么主要理解为轨道的相互作用(和“软”的概念有关)。静电吸引的话很好理解,就像中学学过的库仑定律,两个正负电荷吸引,那么电荷越高,以及距离越小,其相互作用越强,这就对应了我们“硬”的概念,体积小,电荷高。轨道相互作用的方面,需要回想一下无机化学或者普通化学在讲分子轨道理论的时候,一般都会说到,组成分子轨道的两个原子轨道(可以拓展理解为分子片段轨道Fragment molecular orbitals)能量越接近,重合越多,分子轨道能量越低,也就是说结合的越好,这一部分就与“软”的概念相对应,供电子体(软碱)的HOMO越高,电子受体(软酸)的LUMO越低,这种结合就越好。从轨道相互作用的角度来看“硬”,与“软”相反,就是硬碱有很低的HOMO,硬酸有很高的LUMO,虽然轨道相互作用带来的稳定不高,但是静电相互作用强。题主在另一个回答的评论里提到的Pd很软,可以理解为它的d轨道和碳碳双键的能量匹配的很好,一方面可以被双键配位,另一方面由于自身是d8或者d10的电子排布,可以很好的与双键的反键轨道相互作用形成反馈π键,这些电子结构方面的原因使得Pd在催化领域非常妖艳:

为什么金属催化中钯研究的最多,它有何特性?

总结而言,硬就是体积小电荷高,很高的LUMO(酸)或者很低的HOMO(碱),这样来理解应该就比较容易了。具体判断软硬还需要结合其他一些化学知识譬如周期性之类的来综合记忆。

如果想要进一步了解更多,具体可以参看Ian Fleming的Molecular orbitals and organic chemical reaction,2010年版的第三章。

敬请斧正。以上。

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