20世紀(jì)60年代美國(guó)化學(xué)家 Pearson把 Lewis酸堿分為硬酸、軟酸、交界酸和硬堿、軟堿、交界堿各三類。所謂硬酸是指電荷較多,半徑較小,外層電子被原子核束縛得比較緊而不易變形的正離子,如B3+、Al3+、Fe3+、H+等;軟酸是指電荷較少、半徑較大、外層電子被原子核束縛得比較松而易變形的正離子,如Cu+、Ag+、Cd2+、Hg2+等;交界酸是指介于硬酸和軟酸之間的酸,如Cu2+、Fe2+等。N、O、F都是吸引電子能力強(qiáng)、半徑小、難被氧化、不易變形的原子,以這類原子為配位原子的堿,稱為硬堿,如F-,OH-和H2O等;P、S、I這些配位原子則是一些吸引電子能力弱、半徑較大、易被氧化、容易變形的原子,以這類原子為配位原子的堿,稱作軟堿,如I-,S2-,SCN-等;介于硬堿和軟堿之間的堿稱為交界堿,如:NO2-、Br-等。
硬、軟酸或堿的分類見表2-3。對(duì)同一元素來說,氧化值高的離子比氧化值低的離子往往具有較硬的酸度,例如,F(xiàn)e3+是硬酸,F(xiàn)e2+是交界酸,F(xiàn)e則為軟酸。d區(qū)其他元素也大致如此。
表2-3 硬軟酸堿的分類
酸 |
硬酸 | 軟酸 | 交界酸 |
H+,Li+,Na+,K+,Be2+,Mg2+,Ca2+, Sr2+,Mn2+,Al3+,Sc3+,Ga3+,In3+, La3+,Ca3+,Fe3+,As3+,Si4+,Ti4+, Zr2+,Sn4+,BF3 |
Cu+,Ag+,Au+,Ti+,Hg2+, Cd2+,Pd2+,Pt2+,CH3Hg+,I2,Br2,金屬原子 |
Fe+,Co2+,Ni2+,Cu2+,Zn2+, Pb2+,Sn2+,Sb3+,Bi3+, B(CH3)3,SO2,C6H5+,GaH3 |
|
堿 | 硬堿 | 軟堿 | 交界堿 |
H2O,OH-,F(xiàn)-,CH3COO-,PO43-, SO42-,Cl-,CO32-,ClO4-,NO3-, ROH,R2ONH3,RNH2,N2H4 |
S2-,R2S,I-,SCN-, S2O32-,CN-,CO,C2H4, C6H6,H-,R- |
C6H5NH2,N3-,Br-, NO2-,SO32- |
1963年美國(guó)的 Pearson把Lewis酸堿分類以后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)出一條規(guī)律:“硬酸與硬堿相結(jié)合,軟酸與軟堿相結(jié)常常形成穩(wěn)定的配合物”,或簡(jiǎn)稱為“硬親硬,軟親軟”。這一規(guī)律稱作硬軟酸堿原則,簡(jiǎn)稱為HSAB( hard and soft acid and base)原則。即,硬酸優(yōu)先和硬堿結(jié)合成穩(wěn)定的化合物,軟酸優(yōu)先和軟堿結(jié)合成穩(wěn)定的化合物,而軟酸和硬堿、軟堿和和硬酸都不能生成穩(wěn)定化合物,至于交界酸堿,不論對(duì)方是軟或硬,所生成的酸堿配合物穩(wěn)定性差別不大。
這個(gè)原則不但能說明多種化學(xué)現(xiàn)象,能解釋不少過去不能解釋的問題,而且還能預(yù)測(cè)某些反應(yīng)的規(guī)律。主要有以下幾方面:
(1)說明化合物穩(wěn)定性:H+為硬酸,F(xiàn)-為硬堿,氟化氫是硬-硬結(jié)合所以穩(wěn)定;而碘化氫是軟-硬匹配,因而穩(wěn)定性差或不能穩(wěn)定存在。自然界中硬金屬鎂、鈣、鍶、鋇、鋁等多與硬堿形成氧化物、氟化物、碳酸鹽、硫酸鹽等;而軟金屬銅、銀、金、鋅、鉛、汞、鉆、鎳等則多與軟堿S2-形成硫化物。
(2)說明溶解度相似相溶:實(shí)質(zhì)是硬溶質(zhì)易溶于硬溶劑,軟溶質(zhì)易溶于軟溶劑。硬-硬結(jié)合的離子型物質(zhì)和極性化合物易溶于硬溶劑水;而非極性有機(jī)物(軟溶質(zhì))易溶于苯(軟溶劑)。
(3)說明類聚現(xiàn)象:軟配體趨向于使酸、堿變軟,而硬配體趨向于使硬性增強(qiáng)。例如,F(xiàn)-為硬配體,H-為軟配體,故BF3為硬酸,BH3為軟酸,當(dāng)它們與醚加合時(shí),醚R2O是硬堿,硫醚R2S是軟堿。所以,H3B:SR2和F3B:OR2穩(wěn)定,而H3B:OR2和F3B:SR2不穩(wěn)定。這種軟軟或硬-硬相聚合的趨勢(shì)稱為類聚效應(yīng)。
(4)異性雙基配體與酸結(jié)合:SCN-,CNS-,OCN-,CN-,CNO-,都為異性雙基配體。配位原子氧和氮屬硬堿配體,親硬酸;碳和硫?qū)佘泬A配體,親軟酸。所以硬酸皆與氧或氨原子鍵合;軟酸皆與碳和硫原子成鍵。例如,當(dāng)NCS-與Fe3+(硬酸)結(jié)合時(shí),NCS-中N是配位原子(硬親硬),這種結(jié)合按Fe3+←NCS-方式成鍵,化學(xué)式為[Fe(NCS)6]3-命名為六異硫氰酸根合鐵(Ⅲ)配離子。當(dāng)NCS-與軟酸Hg2+結(jié)合時(shí),NCS-中的S作為配位原子(軟親軟),即按Hg2+←SCN-方式成鍵,故寫作[Hg(SCN)4]2-,命名為四硫氰酸根合汞(Ⅱ)配離子。
(5)催化反應(yīng):可說明許多催化劑的作用機(jī)理,例如,苯的烷基化可用三氯化鋁催化,因?yàn)槿然X是硬酸,可與氯代烷中的硬堿Cl-配合,使其中軟酸烷基成為正離子R+,從而對(duì)軟堿苯核的反應(yīng)性增大。再如,軟金屬催化劑鉑、鎳等可吸附軟堿,對(duì)不飽和烴加氫起催化作用。若氣體中有磷、砷、硫等軟堿雜質(zhì)時(shí),這些雜質(zhì)能吸附在金屬表面,形成極穩(wěn)定的軟-軟加合物,而使催化劑中毒。
(6)形成配合物:從鍵型上來看,硬酸與硬堿主要是以離子鍵結(jié)合形成配合物;軟酸與軟堿是以共價(jià)鍵結(jié)合形成配合物。這就是“硬親硬,軟親軟”的成鍵本質(zhì)。如
Al3++F- → [AIF6]3-和Hg2++4SCN- → [Hg(SCN)4]2-
都可生生成穩(wěn)定配合物,而Al3+與S2O32-、Hg2+與Cl-不能形成配合物。