根據氧化物對酸、堿的反應不同,可將氧化物分為酸性、堿性、兩性和不成鹽四類。不成鹽氧化物(又稱為惰性氧化物),與水、酸或者堿不起反應,例如CO、NO、N2O等。與酸性、堿性和兩性氧化物相對應,它們的水合物也有酸性、堿性和兩性,都可以看作是氫氧化物,即可用一個通式R(OH)x來表示,其中x是元素R的氧化數。在寫酸的化學式時,習慣上總把氫列在前面;在寫堿的化學式時,則把金屬列在前面而寫出氫氧化物的形式。例如硼酸寫成H3BO3而不寫成B(OH)3,而氫氧化鑭是堿,則寫成La(OH)3。
當元素R的氧化數較高時,氧化物的水合物易脫去一部分水而變成含水較少的化合物。例如,硝酸不是N(OH)3或H5NO5而是HNO3,即脫去了2個水分子;又如,正磷酸不是P(OH)5或者H5PO5而是脫去了1個水分子的H3PO4。對于兩性氧化物的水合物如氫氧化鋁,則既可寫成堿的形式Al(OH)3,也可寫成酸的形式
H3AlO3 (正鋁酸) = HAlO2 (鋁酸)+ H2O
周期表中元素的氧化物及其水合物的酸堿性的遞變如下:
(1)同一周期期中,各主族元素中氧化數最高的氧化物及其水合物,從左到右酸性增,堿性減弱。例如第3周期中各元素中氧化數最高的氧化物及其水合物的酸堿性遞變順序如下:
Na2O | MgO | Al2O3 | SiO2 | P2O5 | SO3 | Cl2O7 |
NaOH | Mg(OH)2 | Al(OH)3 | H2SiO3 | H3PO4 | H2SO4 | HClO4 |
(堿性) | (堿性中強) | (兩性) | (酸性弱) | (酸性中強) | (酸性強) | (酸性最強) |
副族及第Ⅷ族元素的氧化物及其水合物的酸堿性變化規(guī)律與主族的相似。以第四周中的ⅢB~ⅦB族元素最高價態(tài)氧化物及其水合物為例,他們的酸堿性遞變順序如下:
Sc2O3 | TiO2 | V2O5 | CrO3 | Mn2O7 |
Sc(OH)3 | Ti(OH)4 | HVO3 | H2CrO4和H2Cr2O7 | HMnO4 |
(堿性) | (兩性) | (酸性弱) | (酸性中強) | (酸性強) |
(2)同一主族元素的相同氧化數的氧化物及其水合物,從上到下酸性減弱,堿性增強。如在VA族元素氧化數為+3的氧化物中,N2O3和P2O3呈酸性,As2O3和Sb2O3呈兩性,而Bi2O3則呈堿性,與這些氧化物相對應的水合物的酸堿性也是如此。
在同一副族中,元素氧化物及其水合物的酸堿性變化規(guī)律也和主族的相似。例如第ⅥB族元素氧化數最高的氧化物的水合物中,鉻酸H2CrO4的酸性比鉬酸H2MoO4的強;鉬酸的酸性又比鎢酸H2WO4的強。
(3)同一元素(主族的或副族的)形成不同氧化數的氧化物及其水合物時,高氧化數的酸性比低氧化數的要強。例如
HClO | HClO2 | HClO3 | HClO4 |
(酸性弱) | (酸性中強) | (酸性強) | (酸性最強) |
氧化物的水合物酸堿性變化規(guī)律,可以粗略地用R(OH)x模型來說明。R(OH)x型化合物總起來說可以按以下兩種方式離解
如果在Ⅰ處(R-O鍵)斷裂,化合物發(fā)生堿式離解;如果在Ⅱ處(O-H)斷裂,就發(fā)生酸式離解。我們可以簡單地把R、O、H都看成離子,若考慮正離子Rx+和H+分別與負離子O2-之間的作用力相對來說不夠強大,不能和H+與O2-之間的作用力相抗衡,則發(fā)生堿式離解。因而,在第三周期中,NaOH和Mg(OH)2這兩個化合物都發(fā)生堿式離解。Al3+由于電荷數更大而半徑更小,與O2-之間的作用力已能和H+與O2-之間的作用力相抗衡,因而Al(OH)3可按兩種方式離解,是典型的兩性氫氧化物。其余4種元素的4個氫氧化物,由于Rx+的電荷數從+4到+7依次增加而半徑依次減小,使Rx+的吸O2-、斥H+能力逐漸增大,因而酸性依次增強。HClO4是最強的無機酸。
又如,As3+、Sb3+、Bi3+的電荷數相同,而半徑依次增大,R3+的吸O2-、斥H+能力依次減弱,因此它們的氫氧化物的酸性依次減弱,堿性依次增強。
再如,Cl7+、Cl5+、Cl3+、Cl+的電荷數依次減少而半徑依次增大,Rx+的吸O2-、斥H+能力依次減弱,因此HClO4、HClO3、HClO2、HClO的酸性依次減弱。
需要注意,在許多R(OH)x中并非真正存在Rx+,R右上角的數字也不是它所帶的真正電荷,而是形式“電荷數”。
另外,R(OH)x究竟是進行酸式離解還是堿式離解,與陽離子的極化作用有關。G.H.Cartledge提出以“離子勢”來衡量陽離子極化作用的強弱:
離子勢(Φ)=陽離子電荷(z)/陽離子半徑(r)
在R(OH)x中,若R的Φ值大,其極化作用強,氧原子的電子云將偏向R,使O-H鍵極性增強,則R-O-H發(fā)生酸式解離;若R的Φ值小,R-O鍵極性強,則R-O-H發(fā)生堿式解離;因此,有人提出一般氫氧化物和含氧酸的酸堿性強弱也可用Φ1/2值的大小來判斷。
Φ1/2值 | <7 | 7~10 | >10 |
R-O-H酸堿性 | 堿性 | 兩性 | 酸性 |
當金屬離子(R)的電子構型相同時,則Φ1/2值愈小,堿性愈強;表5-13表明了第三周期元素氧化物的水合物的酸堿性與Φ1/2值大小的關系。
表5-13 第三周期元素氧化物水合物的酸堿性
元素 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl |
氧化物的水合物 | NaOH | Mg(OH)2 | Al(OH)3 | H2SiO3 | H3PO4 | H2SO4 | HClO4 |
Rn+半徑/nm | 0.102 | 0.072 | 0.0535 | 0.040 | 0.038 | 0.029 | 0.027 |
Φ1/2值 | 3.13 | 5.27 | 7.49 | 10 | 11.5 | 14.4 | 16.1 |
酸堿性 | 強健 | 中強堿 | 兩性 | 弱酸 | 中強酸 | 強酸 | 最強酸 |
同族元素的氫氧化物。由于R的電子層構型和電荷數均相同,其堿性強弱的變化,主要取決于離子半徑的大小。所以堿金屬、堿土金屬氫氧化物的堿性,均隨R離子半徑的增大而增強。
從表5-14所表示的Φ1/2值可知Be(OH)2是兩性氫氧化物,其余堿土金屬氫氧化物均為堿性氫氧化物,而且堿性依Be到Ba的順序而增強。
表5-14 堿土金屬元素氫氧化物的酸堿性
元素 | Be | Mg | Ca | Sr | Ba |
氧化物的水合物 | Be(OH)2 | Mg(OH)2 | Ca(OH)2 | Sr(OH)2 | Ba(OH)2 |
Rn+半徑/nm | 0.045 | 0.072 | 0.100 |
0.118 |
0.136 |
Φ1/2值 | 6.67 | 5.27 | 4.47 | 4.12 | 3.83 |
酸堿性 | 兩性 | 中強堿 | 強堿 | 強堿 | 強堿 |
需要指出的是:利用離子勢來判斷氧化物水合物的酸堿性只是一個經驗規(guī)律。有時候它對一些物質是不適用的。如Zn(OH)2的Φ1/2值計算出來是5.2,用離子勢來判斷是堿性,但實際上Zn(OH)2為兩性。
氫氧化物的堿性強弱也與它們的溶解度有關。如堿金屬氫氧化物從LiOH到CsOH隨著陽離子半徑的增大,陽離子和陰離子之間的吸引力逐漸減小,ROH晶格愈來愈容易被水分子把它們拆開。同一周期中,堿土金屬離子比堿金屬離子小,而且?guī)蓚€正電荷,因此水分子就不容易將它們拆開,溶解度就小得多。
與水溶液酸堿中和生成鹽的反應類似,在一定條件下,酸性氧化物也可以與堿性氧化物反應生成鹽。例如在高溫條件下,CaO能與SiO2反應生成鹽
CaO+ SiO2=CaSiO3
這就是高爐煉鐵過程中的“成渣”反應。