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关于 Cu 的价态已经知道有两点: (1) Cu Ⅰ 能在固体或配离子中稳定存在,但在水溶液, Cu + 却没有 Cu 2 + 稳定, Cu + 可以歧化为 Cu 2 + 和 Cu ; (2) Cu Ⅰ 在气态稳定, Cu Ⅱ 在溶液稳定。 这是什么原因 ? 因为 Cu 2 + 的电子构型为 d 9 , 而 Cu + 为 d 10 , 难道 全满的结构还不如未充满结构稳定吗?研究一下下面的两个循环。. 在气态时:. 显然, 在气态时, Cu + 的歧化趋势极小,造成 Cu + 离子稳定的决定因素是 Cu 的第二电离能比第一电离能和金属的原子化焓之和大得多之故。.
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关于Cu的价态已经知道有两点: (1) CuⅠ能在固体或配离子中稳定存在,但在水溶液,Cu+却没有Cu2+稳定,Cu+可以歧化为Cu2+和Cu; (2) CuⅠ在气态稳定,CuⅡ在溶液稳定。 这是什么原因? 因为Cu2+的电子构型为d9, 而Cu+为d10, 难道全满的结构还不如未充满结构稳定吗?研究一下下面的两个循环。 在气态时: 显然,在气态时,Cu+的歧化趋势极小,造成Cu+离子稳定的决定因素是Cu的第二电离能比第一电离能和金属的原子化焓之和大得多之故。 对Cu的价态稳定性的热力学讨论
在水溶液中 表明:在水溶液中,Cu+很容易歧化为Cu2+和Cu。这是由于Cu2+的水合焓很大,它补偿了Cu+气态歧化反应焓变的正值和水合一价Cu+(aq)离子的脱水焓后还有剩余,从而改变了反应自发进行的方向。
Cu2+离子的水合焓能量分解示意图 Cu2+的水合焓比Cu+的水合焓大,可从离子的构型去解释。 右图将水合焓分解为三部分。 ①Mn+与H2O从相距无限远到离子处于球形对称的静电场中的焓变记为△rHmθ(球); ②将离子从球形场变为正八面体场焓变记作△rHmθ(Oh); ③离子与水分子产生共价相互作用其焓变记作△rHmθ(共价); 根据金属离子与水分子之间作用的本质特征,上述第一、二项归为静电作用能,合起来记作△rHmθ(静),第三项为共价作用能△rHmθ(共价),于是, △hydHmθ=△rHmθ(球)+△rHmθ(Oh)+△rHmθ(共价) =△rHmθ(静)+△rHmθ(共价)
上表列出了铜离子水合焓的能量分解结果,可以看到:上表列出了铜离子水合焓的能量分解结果,可以看到: (1)在铜离子的水合焓中,铜离子与水分子之间的静电作用占了绝对优势,其中Cu+占80.8%,Cu2+占92.8%。 (2)共价作用在Cu+中占有重要的地位,接近20%,而在Cu2+中,共价作用相对较小,仅占7.21%。 (3)d9结构的Cu2+的配位场作用占4.3%,而d10结构的Cu+没有这一项。 (4)除此之外,d9结构的Cu2+还存在姜-泰勒畸变稳定化能。
综上所述,在水溶液中,Cu2+(aq)比Cu+(aq)稳定的主要原因是因为Cu2+与水的静电作用远大于Cu+。综上所述,在水溶液中,Cu2+(aq)比Cu+(aq)稳定的主要原因是因为Cu2+与水的静电作用远大于Cu+。 其根源有两个: 一是Cu2+比Cu+的电荷大一倍, 离子半径又小于Cu+。 二是Cu2+为d9结构, 在水分子配位场的作用下, 发生d轨道能级分裂, 得到配位场稳定化能和姜泰勒畸变稳定化能。 因此,尽管Cu+离子的共价作用能大于Cu2+,但由于Cu2+ 具有上述特有的因素,因而使得在极性溶剂水中,Cu2+的水合能远比Cu+大,大到足够破坏Cu+的d10相对稳定的电子构型,使之向d9电子构型的Cu2+转变。
溶剂化能对Cu的各种氧化态的稳定性的影响,还可从Cu在乙腈中的电势图得到证实。 1.242 -0.118 在乙腈中 Cu2+Cu+ Cu 0.562 0.158 0.522 (比较) 在水中 Cu2+Cu+ Cu 0.3402 在乙腈中,φ右θ< φ左θ,Cu+已经不能歧化。这是因为在极性较弱的乙腈溶剂中,离子与溶剂间的静电作用比在水中时明显减弱,因而Cu2+溶剂化所放出的能量不足以补偿Cu+的去溶剂化能和电离能,以致Cu+可以稳定存在。 此外,如果配体与铜离子之间所形成的键的共价成分大,则Cu+就比Cu2+稳定,如CuCl、CuI、Cu(CN)2-等,由于Cu+离子与配体间的作用力大,因而他们都能稳定存在。相反,如果配体与Cu2+离子之间的静电作用大,则Cu2+就可以稳定存在,如CuF2就是如此。