软硬酸碱的分类(hard and soft acids and bases)
要使用软硬原理,你首先得知道哪些酸碱是硬的、哪些是软的——以及硬和软在物理上到底意味着什么。这两个标签并不随意;它们描述一个物种有多易极化,也就是它的电子云在邻近电荷作用下有多容易被扭曲。硬意味着电子云紧致、极化率低;软意味着电子云大而软、极化率高。(皮尔逊是在施瓦岑巴赫早先的甲类、乙类金属分类基础上建立这套体系的。)
硬酸是小而高电荷、外层没有易扭曲电子的阳离子:H+、Li+、Na+、K+、Be2+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Cr3+、Fe3+、Co3+ 和 BF3,以及大多数 s 区和前期高氧化态的 d 区离子。硬碱是小、电负性大、难极化的给体:F-、Cl-、OH-、O2-、NO3-、CO3 2-、SO4 2-、PO4 3-、H2O、NH3、ROH,以及大多数氧给体和氮给体。软酸是大而低电荷、可极化、d 壳层填满或接近填满的阳离子:Ag+、Cu+、Au+、Hg2+、Hg2 2+、Cd2+、Pd2+、Pt2+、Tl+,以及低氧化态(包括零价,如金属羰基中)的金属。软碱是大、可极化、易被氧化的给体:I-、H-、S2-、R2S、R3P、R3As、CN-、CO、SCN-(通过 S),以及给出 pi 电子的烯烃和芳烃。许多物种居于中间,被称为边界类:酸中的 Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Pb2+;碱中的 Br-、NO2-、SO3 2-、N3-、吡啶。
注意生成这些清单的趋势。沿一族向下,给体和受体都变软(软度 F < Cl < Br < I;O < S < Se)。提高金属的氧化态会使它变硬(Fe2+ 是边界、Fe3+ 是硬;Cu+ 是软、Cu2+ 是边界)。这就是为什么分类不是为了死记硬背:一旦你把软看作大、可极化、低电荷,把硬看作小、难极化、高电荷,你就能自己给一个陌生离子定位,再套用硬配硬、软配软来预测它的化学。
铁清楚地展示了氧化态趋势:Fe3+(小、+3、硬)钟爱硬的氧和氟给体,生成稳定的氟化物和磷酸盐配合物;Fe2+(较大、+2、边界)对较软的给体更宽容。Cu+ 是软的,结合 CN- 和硫醚;把它氧化为 Cu2+ 则移向边界。
沿族向下更软,氧化态越高越硬——这两条规律让你能自己给任意离子分类。
软硬讲的是极化率和轨道匹配,而非化学活性或强度。硬酸未必是强酸;这个标签只预测它偏爱哪一类对手,而非它反应得多剧烈。