天文化学力学
氢氟酸与氟化铍溶液导电性质相比较的启示
投稿人:马勋涛 投稿时间:2020.07.01 22:14 访问量:

我们在探究氢卤酸的强度规律时,发现只有氢氟酸是一种弱酸,这让人们感到迷惑:按照酸的概念,酸在水溶液中会发生电离产生水合氢离子,或者说给出氢离子并与水分子结合为水合氢离子;那么共价化合物的卤化氢之中,唯有氟元素的电负性最强,应该最容易夺取氢原子的电子从而产生氢离子,故其酸性应该最强,然而事实却恰恰相反。这挑战了人们的逻辑推理,人们不得不寻求一些原因来解释已知事实。例如,有人认为是氟化氢共价键太强之故。那么没有强大的吸引力又如何夺取氢原子的电子?也有人认为氢键的作用影响了氢氟酸的电离作用等等。

然而,却没有人问一句:“是不是酸的概念有什么问题呢”?

你若探讨铍元素卤化物的性质,会发现它与氢的卤化物有很多类似的性质。比如它们溶液的导电性问题。

eF2是一种吸水性物质,在水中溶解速度很慢,但是有很大溶解度,溶液的电导低,是一种弱电解质。这与HF溶液类似。BeF2中,键离子性为80℅,基本为离子化合物,而其它卤化物基本为共价化合物。然而,BeCl2等卤化物则是强电解质,这与HCl、HBr、HI在水溶液中是强电解质的性质类似。

离子化合物的卤化铍——BeF2是弱电解质,而其它共价化合物的卤化铍则是强电解质,那么用电离理论来解释这些化合物的导电性显然不合适。从这一系列化合物的导电性对比可以发现电离理论存在很大的局限性。溶液除了存在离子导电机理外,还存在其它方式的导电机理,例如碱金属液氨溶液的溶剂化电子导电机理等等。

作者认为,共价化合物在溶液中不存在电离作用,因此提出了一种在溶液中没有离子存在的情况下,共价化合物的一种普遍的导电机理:在溶液中,处于高能状态的分子,或者形成高能态的活性配合物,其中的活性原子极其容易发生同位素交换反应。那些具有较大电负性的活性组分便具有了传递电子及从阴极夺取电子的能力,溶液的导电作用就是阴极的电子通过这些电解质载体向阳极的定向扩散。

那么,酸是如何导电的呢?例如卤化氢,当共价键在水分子孤电子对诱导下发生均裂反应时,产生两个具有半空轨道的自由原子,与水分子中氧的孤电子对发生作用,形成两个“单配位键”,生成一种称为四价氧的化合物H3OX。这种化合物在水溶液中可随时产生少许H3O、H2OX自由基。H3O的产生利于氢原子在水溶液中的扩散,H2OX可以携带并传递电子,这就是酸能导电的原因。

氢氟酸在水溶液中形成H3OF的反应是吸热的非自发反应,只能有一少部分H3OF生成,因此是一种弱电解质。而其它氢卤酸在水溶液中生成H3OX则是放热的自发反应,因此它们是强电解质。

铍的共价卤化物在水溶液中发生水解,产生氢氧化铍及氢卤酸,产生的氢卤酸大部分与氢氧化铍中羟基作用形成四价氧的化合物,这种四价氧的复杂配合物的形成使得它们成为强电解质。而氟化铍则很少水解并产生四价氧的化合物,因此是弱电解质。

网络上面有人认为氟化铍也是共价化合物,晶体属于原子晶体而非离子晶体,可见人们对事物的认识在不断的深入、不断的探索之中艰难前行。

参考资料:《无机化学丛书》第二卷