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[综合交流] HOMO-LUMO gap 值是否可以判断溶剂体系中金属离子沉淀难易程度

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本帖最后由 cyr 于 2024-4-23 10:24 编辑

在某一溶剂体系中,Ni2+、Co2+、Mn2+会与溶剂A中离子形成沉淀,Li+不会形成沉淀。想请教老师,我利用HOMO-LUMO gap值的大小比较,可以间接说明这个问题吗,或者如果这个不行,那可以用溶剂化自由能说明吗?


分析:比较A、A-Li和A-Co的HOMO-LUMO 能隙值,我们发现A的HOMO-LUMO能隙值最高,反映出最强的化学稳定性,而A-Co的HOMO-LUMO能隙值最低,反映出最弱的化学稳定性,即最容易发生化学反应。A-Li的值比A-Co的值高,说明A-Li的化学稳定性比A-Co的强,不容易发生化学反应,验证了实验中Co沉淀,而Li没有沉淀的现象。



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发表于 Post on 2025-2-12 17:33:16 | 只看该作者 Only view this author
zyhhh 发表于 2025-2-12 10:10
好的老师,就是我看高斯无法算单独的离子,又因为我的溶液中没有其他阴离子,我能不能用六水合二价(钴、 ...

如果一定要用计算解释的话,确实应该用水合离子。但原因不是因为“高斯无法算单独的离子”,高斯只是不能算氢离子这种没有电子的体系,不要擅自推广到所有离子。有电子的单独的离子是可以算的。
不过说实话这种问题根本不需要计算,用实验的氧化还原电势就能解释,既节省时间,又没有计算误差的影响
Zikuan Wang
山东大学光学高等研究中心 研究员
BDF(https://bdf-manual.readthedocs.io/zh_CN/latest/Introduction.html)、ORCA(https://orcaforum.kofo.mpg.de/index.php)开发团队成员
Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?hl=zh-CN&user=XW6C6eQAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4540-8734
主页:http://www.qitcs.qd.sdu.edu.cn/info/1034/1702.htm
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发表于 Post on 2025-2-12 17:10:36 | 只看该作者 Only view this author
wzkchem5 发表于 2025-2-11 20:54
既然要解释物种被氧化的难易,那只可能和HOMO有关,而和LUMO无关

好的老师,就是我看高斯无法算单独的离子,又因为我的溶液中没有其他阴离子,我能不能用六水合二价(钴、镍、锰)来进行计算呢?还有因为我的羟基自由基是通过电催化PMS产生的,这种纯溶液体系的羟基自由基该怎么计算homo呢?

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发表于 Post on 2025-2-11 20:54:37 | 只看该作者 Only view this author
zyhhh 发表于 2025-2-11 13:45
想问一下老师,能不能用homo-lumo gap去解释羟基自由基氧化金属离子Mn2+形成黄色的MnOOH,而不能氧化同一 ...

既然要解释物种被氧化的难易,那只可能和HOMO有关,而和LUMO无关
Zikuan Wang
山东大学光学高等研究中心 研究员
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发表于 Post on 2025-2-11 20:45:52 | 只看该作者 Only view this author
sobereva 发表于 2024-4-23 11:07
没法说明,和出现沉淀的机理的关系过于间接
能否形成沉淀得从配合物的结构、配位作用、溶质-溶剂作用等方 ...

想问一下老师,能不能用homo-lumo gap去解释羟基自由基氧化金属离子Mn2+形成黄色的MnOOH,而不能氧化同一溶液中的Ni2+、Co2+,溶剂是硫酸钠溶液

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2024-4-24 10:07:29 | 只看该作者 Only view this author
卡开发发 发表于 2024-4-24 07:14
1、HOMO-LUMO gap和金属“盐”溶解度可能存在一定关系,这种关系建立在软硬酸碱理论上,但是可靠性有限, ...

好的老师,我再仔细考虑考虑

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2024-4-24 10:05:16 | 只看该作者 Only view this author
sobereva 发表于 2024-4-24 06:37
光靠溶解自由能过于片面,这只体现溶质-溶剂作用,当前问题不可能不考虑溶质-溶质之间相互作用的差异。论 ...

好的,感谢老师解答

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2024-4-24 10:04:57 | 只看该作者 Only view this author
wzkchem5 发表于 2024-4-23 15:39
计算上的溶解自由能一般代表气相溶质的溶解自由能,但你这里是固体,所以不行。
其实这个问题根本不需要 ...

好的,谢谢老师

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发表于 Post on 2024-4-24 07:14:28 | 只看该作者 Only view this author
本帖最后由 卡开发发 于 2024-4-24 07:18 编辑
cyr 发表于 2024-4-23 12:30
不好意思老师,我忽略了体系的关键条件,该体系中主要溶剂是水,起沉淀作用的离子是硫酸根离子和铵根离子 ...

1、HOMO-LUMO gap和金属“盐”溶解度可能存在一定关系,这种关系建立在软硬酸碱理论上,但是可靠性有限,解释的也比较笼统。
2、晶体的溶解自由能其实就对应于溶解反应的Ksp,晶体的溶解自由能可以借助Hess定律,将这个过程拆分成离子晶体升华为气态离子,然后离子溶解变为溶液中的离子。第一个过程仍然要通过Born-Haber循环,拆分成晶体升华为电中性的片段,再由电中性的片段分别计算电子亲和能和电离能,然后进行累加。实际会遇到的问题是:
(1)沉淀不一定是晶体,可能是特定的胶体/胶团/絮状物。
(2)晶体部分的自由能不容易算准,谐振近似会引入误差,电子能的部分其实如果只是GGA也很难算的很好看。
(3)电离能和电子亲和能不容易计算准确,尤其是高价态的情况。
(4)实际牵扯到各种副反应和pH等影响,比如实际情况你的A和金属离子可能都还会各自存在多级酸碱平衡和配位平衡。
3、2当中提到溶解自由能或是Ksp这些都只是热力学因素,实际问题还牵扯到动力学因素,比如形成很稳定胶体不沉淀等,热力学方面的计算也只是一个角度。
所以不是非要这么做建议不做为好。
日常打哑谜&&探寻更多可能。
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发表于 Post on 2024-4-24 06:37:34 | 只看该作者 Only view this author
cyr 发表于 2024-4-23 12:30
不好意思老师,我忽略了体系的关键条件,该体系中主要溶剂是水,起沉淀作用的离子是硫酸根离子和铵根离子 ...

光靠溶解自由能过于片面,这只体现溶质-溶剂作用,当前问题不可能不考虑溶质-溶质之间相互作用的差异。论坛首页google框搜 溶解度 计算。之前有很多讨论
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发表于 Post on 2024-4-23 15:39:01 | 只看该作者 Only view this author
cyr 发表于 2024-4-23 05:30
不好意思老师,我忽略了体系的关键条件,该体系中主要溶剂是水,起沉淀作用的离子是硫酸根离子和铵根离子 ...

计算上的溶解自由能一般代表气相溶质的溶解自由能,但你这里是固体,所以不行。
其实这个问题根本不需要从计算上解释,就说一价离子总体上比二价离子难沉淀就行了,这恐怕是高中课本就有的结论
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sobereva 发表于 2024-4-23 11:07
没法说明,和出现沉淀的机理的关系过于间接
能否形成沉淀得从配合物的结构、配位作用、溶质-溶剂作用等方 ...

不好意思老师,我忽略了体系的关键条件,该体系中主要溶剂是水,起沉淀作用的离子是硫酸根离子和铵根离子,最后生成的沉淀是硫酸铵镍、硫酸铵钴、硫酸铵锰的混合物,硫酸铵锂没有沉淀出来,那么可以用这几种沉淀在水中的溶解自由能说明问题吗

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发表于 Post on 2024-4-23 11:07:59 | 只看该作者 Only view this author
没法说明,和出现沉淀的机理的关系过于间接
能否形成沉淀得从配合物的结构、配位作用、溶质-溶剂作用等方面考虑,HOMO-LUMO gap根本体现不出什么来。而且没有A和其它离子的细节没法确切分析讨论。这种隐藏关键条件的提问方式是很忌讳的事。
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