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怎样理解化学中的“软亲软,硬亲硬”规则?优质

647次浏览| 2022-07-29 19:17:31 更新
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软硬酸碱理论(HSAB,或作硬软酸碱理论)现时已经不再是经验规律,而是半定量规律了。唯其适用性尚存在不少争议。自上世纪六十年代以来,人们可能先后提出过近百种度量软硬酸碱的定量标度,但现在被广泛认可的是 Klopman-Salem 的微扰理论描述和 Pearson 自己与 Parr 提出的绝对硬度概念,后者可以很好的由计算化学得到。软硬酸碱的微扰理论处理起源于一种很自然的想法:软亲软、硬亲硬,那么一定有两种相互竞争的因素在控制反应,其中任何一种占主导都会使得反应有利,而如果双方不相配合,则不会产生明显的有利。在分子结构中,『软』意味着电子云容易形变,换句话说就是电子的定域性不强,通过交换形成共价键的能力就可能较强;而『硬』则意味着电子云被紧密束缚在核周围,因此成键时可能会以离子键形式为主。1968 年,Klopman 将这种定性的认识转化成定量描述(JACS, 90, 223, 1968)。他利用普遍化的微扰理论(Generalized Perturbation Theory)导出了 A 与 B 粒子在成键时前线轨道相互作用的能量变化相当于稳定化能。第一项是库仑相互作用项。第二项是电子交换项,其中、分别为酸(n)和碱(m)的前线轨道能量,酸为 LUMO,碱为 HOMO。第三项为溶剂化项。在溶剂化效应不大的情况下,相差不大时,第二项显然占据主要因素,导致成键稳定;相差很大时,第一项占据主要因素,导致电荷相互作用。注意到第二项的分子始终为正,则碱的 HOMO 轨道能量应当始终小于酸的 LUMO 轨道能量,才能得到稳定化的能量。

软硬酸碱是由路易丝酸碱理论发展来的,是一个总结出来的普遍规律。但是,它毕竟不是真正恒成立的,比如HCN,CN-是个软碱,H+是硬酸,按说应当不稳定,易电离,但是HCN的Ka却在10^-10左右,那么就需要用恒成立的定理推,就是热力学中的键能。因此,软硬酸碱规则并不是任何时候都适用,特别是在一些特殊环境下,比如共轭体系,而能量是任何时候都适用的。需要计算一下配位金属和和配体各自的HOMO/LUMO轨道的能量并求差、比较能隙大小。但是由于这种配位是电子偏移形成共享,一边给出电子能级会下降,另一边得到电子能级会上升,在配位化合物中是相等的 。

配位键是一方提供一对电子给另一方的空轨道实现共享,形成共价键所谓“硬亲硬,软亲软”,是指双方吸引电子的能力要么都强(即硬),要么都弱(即软),这样才能形成稳。用前线分子轨道理论也能解释,碱是电子的给体,认为参与反应的是HOMO,酸是受体认为是LUMO。硬酸不具有低能量LUMO但硬健的HOMO能量却很低,因此单论的话,两位的原子前线轨道分离能大,不易发生电子转移,为离子键成分大。而反之,软酸软件却完全相反,酸和碱的LUMO和HOMO走的很近,电子转移显著。为共价键成分为主。离子键和共价键都是纯粹了以后才会牢固。

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