软硬酸碱原则在环境科学中的应用

田小瑞

【摘  要】软硬酸碱理论简称HSAB（Hard-Soft-Acid-Base）理论，是一种尝试解释酸碱反应及其性质的现代理论。它目前在化学研究中得到了广泛的应用，其中最重要的莫过于对配合物稳定性的判别和其反应机理的解释。软硬酸碱理论的基础是酸碱电子论，即以电子对得失作为判定酸、碱的标准。因此，文章对软硬酸碱原则在环境科学中的应用进行了探讨。

【关键词】软硬酸碱原则;环境科学;应用

软硬酸碱（Soft and Hard Acids and Bases，SHAB）原则是六十年代初在化学领域中提出的关于络合作用及成盐反应性能的经验概括十余年来已在有机化学田、催化及化学键理论的研究中得到广泛应用。近年在我国已引起人们注意，戴安邦提出酸碱软硬度的势标度及相亲强度等概念，进而探讨其与络合物稳定性之间的关系.这是将这一原则向定量化推进的初步尝试.晚近软硬酸碱概念对金属螯合物形成的研究，亦颇著成效。鉴于酸碱反应和络合以及成盐作用在环境中的普遍存在，也由于SHAB原则在地质、生物化学及其他学科中的成功，因此可以期望将它用于处理环境污染、三废治理、污染物的分析与监测以至环境致病因素的探讨等环境科学的基本问题时，会提供某些有益的启示，而迄今国内外关于该主题的系统研究似尚未见。

1软硬酸碱原则在环境科学中的应用

1.1环境污染

站在环境污染角度看，“硬亲硬、软亲软”具有的多种多样体现，机械因素会带来一定程度的环境污染，同时一些化学因素也会带来环境污染，从而可知，软硬酸碱原则制约着环境污染。

1.2环境中元紊的分布

水广泛存在于人体与地球表面的各部分;同时，人体与地球表面的各部分在一定程度上影响着元素的分布，且其是化学反应的基本条件，让其成为一种硬碱，并能够促使全部的离子溶剂化，当其他配位体与金属离子相接触时，会发生反应，也可说其同硬碱水分子相角逐。硬酸包括：K+、Na+、Mg2+、Ca2+等，这些元素都能够同水向结合，并能够让其他配位体具有比较高的浓度，如：虽然海洋中有数量较多的Cl-，但硬酸中的Al3+等依然会存在，存在形式为：水解产物、水合物，而软酸的存在形式为：AgCI2-。铝盐溶液中的水解作用使其具有的毒性，由于除更硬的F-外，一般Al3+都会与一OH-结合，但部分软酸或交界酸通常于配位体（含一N或一S）结合，这种结合形式普遍存在于生物体与矿物。如：在有的温泉中经常发现硫化物沉淀，如：Pb，As，Cu，Ag，Hg等;在地壳中常发现Pb，Cu，Zn，Ag，Hg等常呈硫化物矿;铀的天然矿泉中常含有大量碳酸，这主要是由于硬酸易与硬碱结合。

同时，许多沥青铀矿也共生碳酸盐矿物。此外，在各种地表水中具有大量的硬酸和硬碱的结合物，这些结合物都属于含盐的主体为，如：在河水中盐主要成分是：Na+（5.15%）、Ca++（18.15%）、CO3=（31.29%）、Mg++（3.05%）、K+（1.90%）等。在地面中的主体元素为：O、Si、A1、Fe、Ca、Mg、Na、K、Ti、P，其都属于硬酸与硬碱的结合物，其余的微量元素大多是软酸与软碱的结合物。在人体中，其中六种99%以上由蛋白质、脂肪、酪、核酸等11种元素组成，构成所有细胞的主要为Ca、K、Mg，在体液中的NaCI的存在形式为盐。植物中的主体元素为H，C，O。由于其中多酪类与纤维素占有比例较大，使得大多数微量元素具有不同的生理功能。

1.3痕量元素的污染

在软硬酸碱原则中，痕量元素会在一定程度上污染环境、危害人与生物。如：软酸中的Hg+或Hg2+结合蛋白质分子中的琉基，这是由于含-SH的配位体一般为软碱。在人体中，汞的富集属于“软亲软”，当汞蒸气吸入人体后，人体中的血液或者其他部位会发生氧化，从而形成Hg2+，多数富集在甲状腺中。因为甲状腺中存在软碱，加上在汞中毒者的器官中汞和硒的共存比是相等的。在人体中，As3+及AsH3会发生转化，从而形成有机肿酸盐，一旦其分子尺寸进一步扩大，将成为软酸，若其同软配位体二琉基辛酸结合，将会在一定程度上抑制硫辛酸的活性，使丙酮酸氧化降低，进而减弱丙酮酸在血液中的积累与呼吸作用。生物体的必需元素包括：铜、碘、氟等，一旦这些元素出现过剩严重情况，会在极大程度上阻碍生物体的新陈代谢。

1.4三废治理

三废治理的方式比较多，治理对象不同，所需手段也就不同，治理手段为：离子交换、共沉淀、溶剂萃取等。对于各种酸生产的尾气，可以使用稀酸溶液吸收，从而对其进行较好的治理。由于水属一种硬碱溶剂，可以有效的吸收氢键分子的硬酸，属于“硬亲硬”。然而，在使用稀酸吸收治理方式时，相关工作人员应对热效应加以考虑。对于溶剂萃取，因为酸碱反应一些溶剂是溶质与溶剂的作用的本质，这就使得软溶剂包括含硫、氮溶剂、烃类、苯。由于硬酸和硬碱联系离子键，而软酸与软碱的作用联系共价键，这就使得其与极性存在一定的关系。

对于含铬的废水，可使用TBP萃取手段进行治理。由于烷基汞含毒，使用软溶剂能够较为容易的进行萃取，苯在乙基汞、碘化甲基汞中属于较好的溶剂，属“软亲软”。在分离与富集痕量金属元素中，鳌形树脂存在重要作用，依据给予体原子O，N，S为硬，鳌合基团包括：交界、软碱。聚合芳胺能够显著吸收Cu2+、Co2+、Ni2+、Zn2+。氨基苯基硫醇与乙二醛缩合形成的树脂，-SH可以替换-OH基，对有的软酸加以选择，能够用于海水中提取金，在反相分配层析技术中使用TBP治理手段，能够对聚四氟乙烯粉装柱加以处理，有针对性地吸附U，从而对废水中铀加以提取与精制。鳌形树脂能够作为固相络合剂进行应用，从而非常明显的表现软硬酸碱原则。在三废治理中共沉淀分离和富集得到广泛应用，对于氢氧化铁中含铬和砷的废水，可以使用共沉淀加以处理，让铬变成Cr，再沉淀，并使砷成为砷酸盐。

1.5环境卫生

通过研究痕量元素毒性系统，可以得出，致毒机理比较复杂，其含有的化合物质（如：砷、镐、硫酸铜、稀土等），能够致癌。香烟中的As，Co，Cd会造成辜丸癌发生，这些软酸结合蛋白质中的琉基，尼古丁在体内结合成亚硝基碱，可引起大肠癌;柿子中的丹宁，是一种含多经基的硬配位體，其极易和硬酸发生反应，抑制其吸收;菠菜中的草酸，是一种硬配位体，其极易和钙反应，而生成沉淀，从而在一定程度上影响钙的生理功能。胺和亚硝酸盐结合能够生成亚硝胺，其属于交界碱一酸衍生物，其能造成细胞突然变异，致癌作用较强;洋白菜、萝卜、菜花等中的酶具有分解亚硝胺的作用，可对亚硝胺存在的影响加以消除。

目前，在工业生产中使用的毒物超过12000种。其中许多急性中毒物都与软硬酸碱原则存在联系，如：CN-农药、马钱子碱、CO等。CN-是一种很强的软碱，容易与体内存在的各种软酸络合，会使得微量元素的比例出现失调，并使得新陈代谢机能受到一定程度的影响，而致毒。维生素C为抗坏血酸，对金属而言其是较好的防锈剂，其部分取代金属处理中同Cr有关的一些生产工序。铬酸盐是一种剧毒属于强烈的致癌毒物。此外，土壤缺锌，会导致植物中缺乏叶绿素，果树会患有“萎黄病”;若缺锰，燕麦会患有“灰斑病”;若缺铜，植物会发生退绿与枯萎卷叶。

2结语

总之，当前科学技术迅猛发展，社会经济进一步发展，虽使得人们的生活水平得到极大程度的提高，但也让人们居住的环境变得越来越差，并对人们的生命健康造成极大的威胁。为能够对这些问题进行处理。相关人员需要不断研究与实践。软硬酸碱原则简明直观，通过不断深入研究这一基础理论，有利于环境科学的系统化。

参考文献：

[1]蔡岩青.从化学键角度对软硬酸碱理论的思考和解释[J].文理导航，2019（2）：63-63.

（作者单位：陕西未来能源化工有限公司）