許多重要的氧化劑和還原劑是含氧酸或它的鹽。氧化還原性是含含氧酸及其鹽的又一重要性質(zhì)。我們可以根據(jù)電極電勢(shì)判斷含氧酸及其鹽的氧化還原能力力。含氧酸及其鹽的這種性質(zhì)是由它們的結(jié)構(gòu)來(lái)決定的。
如果成酸元素是非金屬性很強(qiáng)的元素,它們的鹽往往具有氧化性,如如鹵素的含氧酸鹽、硝酸鹽等;而且,對(duì)于氯、溴、碘碘等非金屬性較強(qiáng)的元素的不同氧化值的含氧酸來(lái)說(shuō),通常不穩(wěn)定的酸氧化性較強(qiáng)。例如:
電對(duì) | ClO4-/Cl- | ClO3-/Cl- | HClO2/Cl- | HClO/Cl- |
φAθ | 1.38 | 1.45 | 1.57 | 1.49 |
成酸元素是高氧化數(shù)的金屬,其含氧酸鹽也常具有氧化性,如高錳酸鹽、重鉻酸鹽等;
成酸元素處于中間氧化數(shù)的含氧酸鹽一般具有氧化還原兩重性,如亞硝酸鹽、亞硫酸鹽等。
一些非金屬性較弱的成酸元素,其含氧酸鹽往往不具有明顯的氧化性,如碳酸鹽、硅酸鹽等。下面以氮的含氧酸鹽、鉻的含氧酸鹽和錳的含氧酸鹽來(lái)說(shuō)明它們的氧化還原性及有關(guān)規(guī)律。
氮的含氧酸鹽
氮有兩種含氧酸,即HNO3和HNO2,對(duì)應(yīng)的鹽也有兩種,如KNO3和KNO2。
硝酸由于揮發(fā)而產(chǎn)生白煙,故稱為發(fā)煙硝酸;濃硝酸很不穩(wěn)定,見(jiàn)光受熱易分解。硝酸中常因溶有分解出來(lái)的NO2而帶有黃色或紅棕色。
4HNO3=4NO2↑+O2↑+2H2O
硝酸最典型的性質(zhì)是它的強(qiáng)氧化性。硝酸能把很多非金屬元素氧化為相應(yīng)的氧化物或含氧酸。例如
S+6HNO3(濃)=H2SO4 + 6NO2↑+2H2O
3C+4HNO3(濃)=3CO2↑+4NO↑+2H2O
硝酸能和金屬(除Au、Pt等外)反應(yīng),產(chǎn)物與金屬活潑性和硝酸濃度有關(guān)。濃硝酸主要被還原為NO2,稀稀硝酸常被還原為NO。當(dāng)與較活潑金屬作用,硝酸較稀時(shí),可得到N2O,若硝酸很稀時(shí),還可被還原為NH4+。例如
Cu +4HNO3(濃)=Cu(NO3)2 +2NO2↑+2H2O
3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
4Zn+10HNO3(稀)=4Zn(NO3)2+N2O↑+5H2O
4Zn+10HNO3(很稀)=4Zn(NO3)2+NH4NO3+3H2O
Au、Pt等貴金屬可溶于用王水(濃硝酸和濃鹽酸體積比=1:3的混合物),這是因?yàn)榻饘匐x子能形成穩(wěn)定的配離子,如[AuCl4]-、[PtCl6]2-等,使Au和Pt的電極電勢(shì)減小,因此在濃硝酸作用下,反應(yīng)有可能向Au、Pt溶解的方向進(jìn)行
Au+HNO3+ 4HCl=H[ AuCl4]+NO↑+2H2O
3Pt+4HNO3+18HCl=3H2[PtCl6]+4NO↑+8H2O
冷的濃硝酸可以使Fe、Al、Cr金屬表面氧化成一層薄而致密的氧化物保護(hù)膜,使其鈍化,致使金屬不能再與硝酸繼續(xù)作用。
硝酸與金屬或金屬氧化物作用可制得相應(yīng)的硝酸鹽。幾乎所有的硝酸鹽都溶于水。硝酸鹽固體或水溶液在常溫下都比較穩(wěn)定,其水溶液沒(méi)有氧化性。硝酸鹽在酸性介質(zhì)中是強(qiáng)氧化劑,在堿性介質(zhì)中幾乎無(wú)氧化性,但在高溫時(shí),因分解放出氧氣是強(qiáng)氧化劑。故硝酸鹽可用作炸藥、火藥、焰火中的氧化劑。
硝酸鹽受熱時(shí)分解,分解產(chǎn)物因金屬離子性質(zhì)不同而分為為三類(以金屬活動(dòng)順序中的排序?yàn)闇?zhǔn)):
亞硝酸(HNO2)是弱酸,其強(qiáng)度略大于醋酸。亞硝酸的結(jié)構(gòu):HNO2中N以兩個(gè)sp2雜化軌道分別與羥基氧和氧原子形成σ鍵,N和O原子之間還形成一個(gè)π鍵。HNO2極不穩(wěn)定,只能存在于稀溶液中,溶液濃縮或加熱時(shí),就分解為NO2和NO。
2HNO2→H2O+N2O3→H2O+NO+NO2
亞硝酸鹽大多是無(wú)色的,除AgNO2外,多易溶于水。在溶液中是穩(wěn)定的。所有亞硝酸鹽都是劇毒的。
亞硝酸鹽在酸性介質(zhì)中具有強(qiáng)氧化性,與還原劑作用時(shí),一般被還原成NO。如
2NaNO2+2KI+2H2SO4=2NO+I2+Na2SO4+K2SO4+2H2O
另一方面,與強(qiáng)氧化劑作用時(shí),又表現(xiàn)出還原性,它本身被氧化成硝酸鹽。如
2KMnO4+5KNO2+3H2SO4=2MnSO4+5KNO3+K2SO4+3H2O
形成亞硝酸鹽的陽(yáng)離子金屬性越強(qiáng),亞硝酸鹽的穩(wěn)定性越高。例如:AgNO2<NaNO2。
鉻的含氧酸鹽
將CrO3溶于水中可以生成鉻酸(H2CrO4)和重鉻酸(H2Cr2O7),它們只能存在于溶液中,但它們的鹽較穩(wěn)定。
常見(jiàn)的含氧酸鹽有鉻酸鹽(如Na2CrO4)和重鉻酸鹽(如K2Cr2O7)。幾乎所有的鉻酸鹽都呈黃色,這是CrO42-的顏色。若在鉻酸鹽溶液中加人酸使其呈酸性,則溶液顏色從黃色變?yōu)槌壬?,再將所得溶液蒸發(fā)就可得到橙紅色重鉻酸鹽結(jié)晶。溶液顏色的變化是因?yàn)槿芤褐写嬖谥铝衅胶?/span>
2CrO42-+2H+ ? Cr2O72-+H2O
酸的加人使上述平衡向生成Cr2O72-方向移動(dòng),反之,若在重鉻酸溶液中加入堿,由于OH-與H+結(jié)合成H2O,使平衡向生成CrO42-的方向移動(dòng),溶液就從橙色變成黃色。在堿性介質(zhì)中,氧化數(shù)為+6的鉻的酸根主要以CrO42-形式存在,而在酸性溶液中,則主要以Cr2O72-形式存在。
在堿性介質(zhì)中,CrO42-的氧化性很弱,但酸性溶液中Cr2O72-是較強(qiáng)的氧化劑,這可以從它們的電勢(shì)看出
CrO42-+2H2O+3e ? CrO2-+4OH- φθ=-0.12V
Cr2O72-+14H++6e ? 2Cr3++7H2O φθ=+1.33V
因此,鉻的含氧酸鹽作為氧化劑,應(yīng)在酸性介質(zhì)中進(jìn)行。如
K2Cr2O7+3Na2SO3+4H2SO4=Cr2(SO4)3+3Na2SO4+K2SO4+4H2O
錳的含氧酸鹽
錳的含氧酸鹽中應(yīng)用最廣的是高錳酸鉀(KMnO4),對(duì)應(yīng)的酸是高錳酸(HMnO4)。高錳酸只能存在于稀溶液中,通常情況下,當(dāng)濃縮溶液超過(guò)20%時(shí),高錳酸即分解生成MnO2和O2。高錳酸是很強(qiáng)的酸,對(duì)應(yīng)的鹽KMnO4,無(wú)論在酸性介質(zhì)或在堿性介質(zhì)中都有較強(qiáng)的氧化性。在酸性介質(zhì)中氧化能力更強(qiáng),此時(shí)還原產(chǎn)物是Mn2+的鹽。如
2KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4=2MnSO4+ 5Na2SO4+K2SO4+3H2O
在弱堿性、中性或微酸性介質(zhì)中,還原產(chǎn)物是MnO2。如
2KMnO4+3Na2SO3+H2O=2MnO2+3Na2SO4+2KOH
在強(qiáng)堿性溶液中,還原產(chǎn)物是綠色的錳酸鉀。如
2KMnO4+Na2SO3+2KOH=2K2MnO4+Na2SO4+H2O