Ответ на вопрос
Кратко — ключевая физика: энергия решёткообразования растёт с произведением зарядов и с уменьшением расстояния между ионами; солюбильность определяется балансом между этой энергией и энергией гидратации ионов. Формула (Born–Landé, приближённо):
\[
U=\frac{N_A M z^+ z^- e^2}{4\pi\varepsilon_0 r_0}\Big(1-\frac{1}{n}\Big),
\]
где \(U\) — энергия решётки, \(z^\pm\) — заряды, \(r_0\) — межионный радиус (сумма радиусов катиона и аниона), \(M\) — Madelung\)-константа, \(n\) — Born-экспонента.
Ионные радиусы (координация VI, приближённо):
\[
r(\mathrm{Na}^+)=1.02\,\text{\AA},\quad r(\mathrm{K}^+)=1.38\,\text{\AA},\quad r(\mathrm{Mg}^{2+})=0.72\,\text{\AA},
\]
\[
r(\mathrm{F}^-)=1.33\,\text{\AA},\quad r(\mathrm{Cl}^-)=1.81\,\text{\AA},\quad r(\mathrm{O}^{2-})=1.40\,\text{\AA}.
\]
Для рассматриваемых солей (все имеют структуру типа NaCl, но с разными \(r_0\) и зарядами) суммарные межионные расстояния:
\[
r_0(\mathrm{NaF})\approx2.35\,\text{\AA},\quad r_0(\mathrm{NaCl})\approx2.83\,\text{\AA},
\]
\[
r_0(\mathrm{KCl})\approx3.19\,\text{\AA},\quad r_0(\mathrm{MgO})\approx2.12\,\text{\AA}.
\]
Последствия для энергии решётки (приближённые экспериментальные/оценочные значения):
\[
U(\mathrm{MgO})\gg U(\mathrm{NaF})>U(\mathrm{NaCl})>U(\mathrm{KCl}),
\]
например
\[
U(\mathrm{NaF})\sim920\ \mathrm{kJ/mol},\quad U(\mathrm{NaCl})\sim786\ \mathrm{kJ/mol},
\]
\[
U(\mathrm{KCl})\sim700\ \mathrm{kJ/mol},\quad U(\mathrm{MgO})\sim3795\ \mathrm{kJ/mol}.
\]
Причины: для MgO произведение зарядов \(z^+z^-=2\cdot2=4\) даёт сильный рост \(U\), а также \(r_0\) у MgO мал. Для галогенидов при тех же зарядах (\(1\cdot1\)) основное различие — величина \(r_0\): меньший \(r_0\) у NaF даёт большую \(U\) по сравнению с NaCl и KCl.
Влияние на растворимость (качественно):
- Растворимость определяется разностью энергии гидратации (выделяемой при гидратации ионов) и энергии решётки (затрачиваемой при разрыве кристалла). Мелкие и/или сильно заряженные ионы дают большие (по модулю) энергии гидратации.
- Последовательность растворимости в воде (уменьшение):
\[
\mathrm{KCl}\approx\mathrm{NaCl}\ (\text{высокая})\;>\;\mathrm{NaF}\ (\text{умеренная/меньшая})\;>\;\mathrm{MgO}\ (\text{очень малая/почти нерастворима}).
\]
Объяснение: у KCl и NaCl низкие \(U\) и сравнительно хорошие гидратационные энергии → легко растворяются. У NaF \(U\) заметно выше из‑за малого F\(^-\); гидратация F\(^-\) сильнее, чем у Cl\(^-\), но не компенсирует полностью большую \(U\), поэтому NaF гораздо менее растворим, чем NaCl. У MgO \(U\) чрезвычайно велико (ионные заряды \(2+/2-\)) — даже очень сильная гидратация Mg\(^{2+}\) не компенсирует разрыв решётки; к тому же O\(^{2-}\) быстро реагирует с водой (образует OH\(^-\)), поэтому MgO практически не растворим.
Дополнительные факторы: поляризуемость и частичная ковалентность. Более поляризуемый большой анион (Cl\(^-\)) снижает эффективную чисто‑ионную энергию связи (чуть уменьшает \(U\)), что способствует растворимости; для сильно заряженных малых ионов (Mg\(^{2+}\), O\(^{2-}\)) может увеличиваться частичная ковалентность и прочность связи, что дополнительно снижает растворимость.
Итог: основные контролирующие параметры — заряды \(z^\pm\) и межионный радиус \(r_0\) (через \(U\)), а также энергия гидратации; это даёт порядок по \(U\) и по растворимости, приведённый выше.
Еще