多氧化態(tài)的成酸元素的含氧酸及其鹽的一個(gè)特征就是它們具有氧化還原性,這包括一些非金屬和金屬元素都是如此。例如,N、S、Se和鹵素的最高氧化態(tài)含氧酸:HNO3、H2SO4、H2SeO4及HClO4等等都是強(qiáng)氧化劑;這些元素的最低氧化態(tài)化合物,如NH3、H2S和HCl等為還原劑;而處于中間氧化態(tài)的HNO2和H2SO3等既是氧化劑又是還原劑。
一般說(shuō)來(lái),含氧酸及其鹽的氧化能力與它們的穩(wěn)定性有關(guān)。氧化能力強(qiáng)的,穩(wěn)定性差;反之,穩(wěn)定性高的,其氧化能力弱。如在ClO-——ClO2-——ClO3-——ClO4-系列中,從左到右,成鍵的電子數(shù)遞增,至ClO4-,所有的價(jià)電子都成鍵了,所以ClO4-特別穩(wěn)定。這穩(wěn)定性遞變規(guī)律還可以從鍵能來(lái)看。上述系列,從左到右,π鍵的作用增長(zhǎng),鍵的多重性增加,Cl—O鍵的鍵能遞增,鍵長(zhǎng)縮短(見(jiàn)表15-13)。
表15-13 Cl—O鍵的性質(zhì)
含氧陰離子 | 鍵長(zhǎng)/nm | 鍵能/kJ·mol-1 |
在ClO-中 | 0.170 | 209 |
在ClO2-中 | 0.164 | 244.5 |
在ClO3-中 | 0.157 | 243.7 |
在ClO4-中 | 0.145 | 363.5 |
由于這個(gè)系列的穩(wěn)定性是從左到右遞增,這些含氧酸的氧化性就依次遞減。ClO-在任何介質(zhì)中都有強(qiáng)氧化性,ClO3-在酸性介質(zhì)中的氧化性也頗強(qiáng),而ClO4-在稀溶液中幾乎無(wú)氧化性。
關(guān)于含氧酸及其鹽的氧化還原性還有一些規(guī)律補(bǔ)充如下:
一、介質(zhì)酸堿度的影響
溶液的pH值為影響含氧酸或其鹽的氧化還原性的重要因素之一。同一物質(zhì)在不同pH條件下,其氧化還原強(qiáng)度不同。含氧酸鹽在酸性介質(zhì)中比在中性或堿性介質(zhì)中的氧化性強(qiáng),例如EA°(ClO2-/ClO-)=1.645,EB°(ClO2-/ClO-)=0.66,ClO2-在酸性介質(zhì)中的氧化性較強(qiáng)。
二、成酸元素(即中心原子)的氧化態(tài)
1.在同一周期中,各元素最高氧化態(tài)含氧酸的氧化性從左到右增強(qiáng)。例如:H4SiO4和H3PO4幾乎無(wú)氧化性,但H2SO4在高溫和濃度大時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)氧化性(HClO4的氧化性不強(qiáng),但是它的固態(tài)鹽是強(qiáng)氧化劑)。同類型低氧化態(tài)的含氧酸離子也有此傾向,例如,ClO3-和BrO3-的氧化性分別比SO32-和SeO32-的強(qiáng)。
2.在同一族中,含氧酸的氧化還原性如表15-14所示。在最高氧化態(tài)的含氧酸中,氧化性多數(shù)自上而下遞增,次鹵酸依次遞減。處于中間氧化態(tài)的含氧酸,以第4周期元素的最強(qiáng)。
3.對(duì)于同一種元素來(lái)說(shuō),在有些元素的不同氧化態(tài)含氧酸中,以低氧化態(tài)的氧化性較強(qiáng)。例如,
HClO>HClO2>HClO3>HClO4
HNO2>稀HNO3
H2SO3>稀H2SO4
H2SeO3>稀H2SeO4
三、其他一般說(shuō)來(lái),濃酸比稀酸的氧化性強(qiáng):酸又比相應(yīng)的鹽的氧化性強(qiáng)。
盡管標(biāo)淮電極電勢(shì)為我們衡量物質(zhì)的氧化性提供了方便,它能反映物質(zhì)氧化性的強(qiáng)弱,但氧化還原反應(yīng)能否發(fā)生還涉及到反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)上的影響。例如稀H2SeO3溶液和稀H2SeO4溶液的EA°分別為0.74V和1.15V,后者應(yīng)為較強(qiáng)的氧化劑,但事實(shí)上H2SeO3能氧化SO2,而H2SeO4不能。