軟硬酸堿原則在環(huán)境科學中的應用

田小瑞

【摘? 要】軟硬酸堿理論簡稱HSAB（Hard-Soft-Acid-Base）理論，是一種嘗試解釋酸堿反應及其性質的現代理論。它目前在化學研究中得到了廣泛的應用，其中最重要的莫過于對配合物穩(wěn)定性的判別和其反應機理的解釋。軟硬酸堿理論的基礎是酸堿電子論，即以電子對得失作為判定酸、堿的標準。因此，文章對軟硬酸堿原則在環(huán)境科學中的應用進行了探討。

【關鍵詞】軟硬酸堿原則;環(huán)境科學;應用

軟硬酸堿（Soft and Hard Acids and Bases，SHAB）原則是六十年代初在化學領域中提出的關于絡合作用及成鹽反應性能的經驗概括十余年來已在有機化學田、催化及化學鍵理論的研究中得到廣泛應用。近年在我國已引起人們注意，戴安邦提出酸堿軟硬度的勢標度及相親強度等概念，進而探討其與絡合物穩(wěn)定性之間的關系.這是將這一原則向定量化推進的初步嘗試.晚近軟硬酸堿概念對金屬螯合物形成的研究，亦頗著成效。鑒于酸堿反應和絡合以及成鹽作用在環(huán)境中的普遍存在，也由于SHAB原則在地質、生物化學及其他學科中的成功，因此可以期望將它用于處理環(huán)境污染、三廢治理、污染物的分析與監(jiān)測以至環(huán)境致病因素的探討等環(huán)境科學的基本問題時，會提供某些有益的啟示，而迄今國內外關于該主題的系統(tǒng)研究似尚未見。

1軟硬酸堿原則在環(huán)境科學中的應用

1.1環(huán)境污染

站在環(huán)境污染角度看，“硬親硬、軟親軟”具有的多種多樣體現，機械因素會帶來一定程度的環(huán)境污染，同時一些化學因素也會帶來環(huán)境污染，從而可知，軟硬酸堿原則制約著環(huán)境污染。

1.2環(huán)境中元紊的分布

水廣泛存在于人體與地球表面的各部分;同時，人體與地球表面的各部分在一定程度上影響著元素的分布，且其是化學反應的基本條件，讓其成為一種硬堿，并能夠促使全部的離子溶劑化，當其他配位體與金屬離子相接觸時，會發(fā)生反應，也可說其同硬堿水分子相角逐。硬酸包括：K+、Na+、Mg2+、Ca2+等，這些元素都能夠同水向結合，并能夠讓其他配位體具有比較高的濃度，如：雖然海洋中有數量較多的Cl-，但硬酸中的Al3+等依然會存在，存在形式為：水解產物、水合物，而軟酸的存在形式為：AgCI2-。鋁鹽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+都會與一OH-結合，但部分軟酸或交界酸通常于配位體（含一N或一S）結合，這種結合形式普遍存在于生物體與礦物。如：在有的溫泉中經常發(fā)現硫化物沉淀，如：Pb，As，Cu，Ag，Hg等;在地殼中常發(fā)現Pb，Cu，Zn，Ag，Hg等常呈硫化物礦;鈾的天然礦泉中常含有大量碳酸，這主要是由于硬酸易與硬堿結合。

同時，許多瀝青鈾礦也共生碳酸鹽礦物。此外，在各種地表水中具有大量的硬酸和硬堿的結合物，這些結合物都屬于含鹽的主體為，如：在河水中鹽主要成分是：Na+（5.15%）、Ca++（18.15%）、CO3=（31.29%）、Mg++（3.05%）、K+（1.90%）等。在地面中的主體元素為：O、Si、A1、Fe、Ca、Mg、Na、K、Ti、P，其都屬于硬酸與硬堿的結合物，其余的微量元素大多是軟酸與軟堿的結合物。在人體中，其中六種99%以上由蛋白質、脂肪、酪、核酸等11種元素組成，構成所有細胞的主要為Ca、K、Mg，在體液中的NaCI的存在形式為鹽。植物中的主體元素為H，C，O。由于其中多酪類與纖維素占有比例較大，使得大多數微量元素具有不同的生理功能。

1.3痕量元素的污染

在軟硬酸堿原則中，痕量元素會在一定程度上污染環(huán)境、危害人與生物。如：軟酸中的Hg+或Hg2+結合蛋白質分子中的琉基，這是由于含-SH的配位體一般為軟堿。在人體中，汞的富集屬于“軟親軟”，當汞蒸氣吸入人體后，人體中的血液或者其他部位會發(fā)生氧化，從而形成Hg2+，多數富集在甲狀腺中。因為甲狀腺中存在軟堿，加上在汞中毒者的器官中汞和硒的共存比是相等的。在人體中，As3+及AsH3會發(fā)生轉化，從而形成有機腫酸鹽，一旦其分子尺寸進一步擴大，將成為軟酸，若其同軟配位體二琉基辛酸結合，將會在一定程度上抑制硫辛酸的活性，使丙酮酸氧化降低，進而減弱丙酮酸在血液中的積累與呼吸作用。生物體的必需元素包括：銅、碘、氟等，一旦這些元素出現過剩嚴重情況，會在極大程度上阻礙生物體的新陳代謝。

1.4三廢治理

三廢治理的方式比較多，治理對象不同，所需手段也就不同，治理手段為：離子交換、共沉淀、溶劑萃取等。對于各種酸生產的尾氣，可以使用稀酸溶液吸收，從而對其進行較好的治理。由于水屬一種硬堿溶劑，可以有效的吸收氫鍵分子的硬酸，屬于“硬親硬”。然而，在使用稀酸吸收治理方式時，相關工作人員應對熱效應加以考慮。對于溶劑萃取，因為酸堿反應一些溶劑是溶質與溶劑的作用的本質，這就使得軟溶劑包括含硫、氮溶劑、烴類、苯。由于硬酸和硬堿聯(lián)系離子鍵，而軟酸與軟堿的作用聯(lián)系共價鍵，這就使得其與極性存在一定的關系。

對于含鉻的廢水，可使用TBP萃取手段進行治理。由于烷基汞含毒，使用軟溶劑能夠較為容易的進行萃取，苯在乙基汞、碘化甲基汞中屬于較好的溶劑，屬“軟親軟”。在分離與富集痕量金屬元素中，鰲形樹脂存在重要作用，依據給予體原子O，N，S為硬，鰲合基團包括：交界、軟堿。聚合芳胺能夠顯著吸收Cu2+、Co2+、Ni2+、Zn2+。氨基苯基硫醇與乙二醛縮合形成的樹脂，-SH可以替換-OH基，對有的軟酸加以選擇，能夠用于海水中提取金，在反相分配層析技術中使用TBP治理手段，能夠對聚四氟乙烯粉裝柱加以處理，有針對性地吸附U，從而對廢水中鈾加以提取與精制。鰲形樹脂能夠作為固相絡合劑進行應用，從而非常明顯的表現軟硬酸堿原則。在三廢治理中共沉淀分離和富集得到廣泛應用，對于氫氧化鐵中含鉻和砷的廢水，可以使用共沉淀加以處理，讓鉻變成Cr，再沉淀，并使砷成為砷酸鹽。

1.5環(huán)境衛(wèi)生

通過研究痕量元素毒性系統(tǒng)，可以得出，致毒機理比較復雜，其含有的化合物質（如：砷、鎬、硫酸銅、稀土等），能夠致癌。香煙中的As，Co，Cd會造成辜丸癌發(fā)生，這些軟酸結合蛋白質中的琉基，尼古丁在體內結合成亞硝基堿，可引起大腸癌;柿子中的丹寧，是一種含多經基的硬配位體，其極易和硬酸發(fā)生反應，抑制其吸收;菠菜中的草酸，是一種硬配位體，其極易和鈣反應，而生成沉淀，從而在一定程度上影響鈣的生理功能。胺和亞硝酸鹽結合能夠生成亞硝胺，其屬于交界堿一酸衍生物，其能造成細胞突然變異，致癌作用較強;洋白菜、蘿卜、菜花等中的酶具有分解亞硝胺的作用，可對亞硝胺存在的影響加以消除。

目前，在工業(yè)生產中使用的毒物超過12000種。其中許多急性中毒物都與軟硬酸堿原則存在聯(lián)系，如：CN-農藥、馬錢子堿、CO等。CN-是一種很強的軟堿，容易與體內存在的各種軟酸絡合，會使得微量元素的比例出現失調，并使得新陳代謝機能受到一定程度的影響，而致毒。維生素C為抗壞血酸，對金屬而言其是較好的防銹劑，其部分取代金屬處理中同Cr有關的一些生產工序。鉻酸鹽是一種劇毒屬于強烈的致癌毒物。此外，土壤缺鋅，會導致植物中缺乏葉綠素，果樹會患有“萎黃病”;若缺錳，燕麥會患有“灰斑病”;若缺銅，植物會發(fā)生退綠與枯萎卷葉。

2結語

總之，當前科學技術迅猛發(fā)展，社會經濟進一步發(fā)展，雖使得人們的生活水平得到極大程度的提高，但也讓人們居住的環(huán)境變得越來越差，并對人們的生命健康造成極大的威脅。為能夠對這些問題進行處理。相關人員需要不斷研究與實踐。軟硬酸堿原則簡明直觀，通過不斷深入研究這一基礎理論，有利于環(huán)境科學的系統(tǒng)化。

參考文獻：

[1]蔡巖青.從化學鍵角度對軟硬酸堿理論的思考和解釋[J].文理導航，2019（2）：63-63.

（作者單位：陜西未來能源化工有限公司）