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 显然,在气态时,在气态时,Cu++的歧化趋势极小,造成的歧化趋势极小,造成Cu++离子稳定离子稳定的决定因素是的决定因素是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和大得多之故在气态时:对对Cu的价态稳定性的热力学讨论的价态稳定性的热力学讨论在水溶液中 表明:在在水水溶溶液液中中,,Cu++很很容容易易歧歧化化为为Cu2++和和Cu这这是是由由于于Cu2++的的水水合合焓焓很很大大,,它它补补偿偿了了Cu++气气态态歧歧化化反反应应焓焓变变的的正正值值和和水水合合一一价价Cu++(aq)离离子子的的脱脱水水焓焓后后还还有有剩剩余余,,从从而而改改变变了了反反应自发进行的方向。
应自发进行的方向 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 ① Mn+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)Cu2++离子的水合焓能量分解示意图离子的水合焓能量分解示意图 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+ 其根源有两个: 一是一是Cu2++比比Cu++的电荷大一倍的电荷大一倍, 离子半径又小于离子半径又小于Cu++ 二二是是Cu2++为为d9结结构构, 在在水水分分子子配配位位场场的的作作用用下下, 发发生生d轨道能级分裂轨道能级分裂, 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。