卤化氢的水溶液分别叫氢氟酸、氢氯酸(盐酸)、氢溴酸、氢碘酸。在稀溶液(约0.1 mol/l) 中,hf为弱酸,hcl、hbr、hi为强酸,且酸性依次增强,hx在水溶液中酸性的变化规律可以从热力学和物质结构2个角度加以说明。
(1) 从热力学角度来看,氢卤酸的电离倾向可据hx在水中电离的自由能变
δgθ值和电离常数ka (表3-4)作出判断:δgθ值越负,ka越大,酸性越强。
由表中数据可知:hf为弱酸,其他hx均为强酸。
δg=δh-tδs,决定自由能变δg的因素为焓变δh与熵变δs,焓减熵增有利于hx的电离。从焓变来看,hx(aq)电离反应的δh均为负值,即都是放热过程,但hf放出的热量比其他hx少得多,这主要是因为hf的键能比其他hx大得多;从熵变来看,hi熵增,hbr、hci熵减程度不大,hf熵减最大,这是因为hf和f–、h3o与f–可以形成强的氢键使熵减小。同时,电离过程的熵变与离子水化有关,离子水化程度越大,熵减程度越大。f半径最小、水化程度最高,因而熵减最明显。焓变和熵变均不利共同导致hf解离时δgθ最大,ka极小,所以hf为弱酸。
(2)从物质结构角度来看,氢化物分子酸性强弱取决于与h直接相连的原子上电子密度的大小。原子电子密度越大,对h吸引力越强,则h越难电离,酸性越弱。而原子电子密度的大小与原子半径及所带电荷数有关,通常,原子的负
氧化态越高,半径越小,原子的电子密度越大。例如,同周期主族元素的氢化物(如nh3、h2o、hf等)从左至右,原子的负氧化态逐渐降低,半径逐渐减小,负氧化态的降低为主要因素,故原子的电子密度逐渐减小,与h的作用力逐渐减弱,氢化物的酸性逐渐增强;对于同主族元素的氢化物而言,与h相连的原子的负氧化态相同,但从上至下原子半径逐渐增大,导致原子电子密度逐渐减小,与h的作用力逐渐减弱,故氢化物的酸性逐渐增强。因此,hf、hcl、 hbr、hi水溶液的酸性呈现.上述变化规律。
另外,hf水溶液的酸性特别弱还与氢键的形成有关。在hf水溶液中,一方面,hf分子间会因氢键的作用缔合为相对不自由的分子,这种缔合效应相当
于减小了hf的有效浓度,也就降低了hf电离出h的能力。另一方面,hf电离产生的h3o与f之间会形成氢键,f与hf分子之间也会形成氢键(如图3-34
所示),这样就大大降低了hf在水中的电离能力。实验发现0.1 mol/l的hf的电离度约为8%,在无限稀的溶液中,hf的电离度也只有15%,只有小部分hf电离的事实,证明了hf在稀溶液中的弱酸性。
还需要特别说明的是,随着c(hf)的增加,f会与未电离的hf分子以氢键.
结合成相当稳定的hf2,使c(f)减小,从而导致c(h)增大,溶液的酸性增强。当c(hf)超过5mol/l时,hf便成为一种相当强的酸
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