根據(jù)氧化物對(duì)酸、堿的反應(yīng)不同,可將氧化物分為酸性、堿性、兩性和不成鹽四類(lèi)。不成鹽氧化物(又稱為惰性氧化物),與水、酸或者堿不起反應(yīng),例如CO、NO、N2O等。與酸性、堿性和兩性氧化物相對(duì)應(yīng),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(gè)通式R(OH)x來(lái)表示,其中x是元素R的氧化數(shù)。在寫(xiě)酸的化學(xué)式時(shí),習(xí)慣上總把氫列在前面;在寫(xiě)堿的化學(xué)式時(shí),則把金屬列在前面而寫(xiě)出氫氧化物的形式。例如硼酸寫(xiě)成H3BO3而不寫(xiě)成B(OH)3,而氫氧化鑭是堿,則寫(xiě)成La(OH)3。
當(dāng)元素R的氧化數(shù)較高時(shí),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(gè)水分子;又如,正磷酸不是P(OH)5或者H5PO5而是脫去了1個(gè)水分子的H3PO4。對(duì)于兩性氧化物的水合物如氫氧化鋁,則既可寫(xiě)成堿的形式Al(OH)3,也可寫(xiě)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?nèi)缦拢?br /> (1)同一周期期中,各主族元素中氧化數(shù)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(shù)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(qiáng)) | (兩性) | (酸性弱) | (酸性中強(qiáng)) | (酸性強(qiáng)) | (酸性最強(qiáng)) |
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(jià)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(qiáng)) | (酸性強(qiáng)) |
(2)同一主族元素的相同氧化數(shù)的氧化物及其水合物,從上到下酸性減弱,堿性增強(qiáng)。如在VA族元素氧化數(shù)為+3的氧化物中,N2O3和P2O3呈酸性,As2O3和Sb2O3呈兩性,而B(niǎo)i2O3則呈堿性,與這些氧化物相對(duì)應(yīng)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(shù)最高的氧化物的水合物中,鉻酸H2CrO4的酸性比鉬酸H2MoO4的強(qiáng);鉬酸的酸性又比鎢酸H2WO4的強(qiáng)。
(3)同一元素(主族的或副族的)形成不同氧化數(shù)的氧化物及其水合物時(shí),高氧化數(shù)的酸性比低氧化數(shù)的要強(qiáng)。例如
HClO | HClO2 | HClO3 | HClO4 |
(酸性弱) | (酸性中強(qiáng)) | (酸性強(qiáng)) | (酸性最強(qiáng)) |
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(lái)說(shuō)明。R(OH)x型化合物總起來(lái)說(shuō)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(jiǎn)單地把R、O、H都看成離子,若考慮正離子Rx+和H+分別與負(fù)離子O2-之間的作用力相對(duì)來(lái)說(shuō)不夠強(qiáng)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(gè)化合物都發(fā)生堿式離解。Al3+由于電荷數(shù)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(gè)氫氧化物,由于Rx+的電荷數(shù)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(qiáng)。HClO4是最強(qiáng)的無(wú)機(jī)酸。
又如,As3+、Sb3+、Bi3+的電荷數(shù)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(qiáng)。
再如,Cl7+、Cl5+、Cl3+、Cl+的電荷數(shù)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(shù)字也不是它所帶的真正電荷,而是形式“電荷數(shù)”。
另外,R(OH)x究竟是進(jìn)行酸式離解還是堿式離解,與陽(yáng)離子的極化作用有關(guān)。G.H.Cartledge提出以“離子勢(shì)”來(lái)衡量陽(yáng)離子極化作用的強(qiáng)弱:
離子勢(shì)(Φ)=陽(yáng)離子電荷(z)/陽(yáng)離子半徑(r)
在R(OH)x中,若R的Φ值大,其極化作用強(qiáng),氧原子的電子云將偏向R,使O-H鍵極性增強(qiáng),則R-O-H發(fā)生酸式解離;若R的Φ值小,R-O鍵極性強(qiáng),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(qiáng)弱也可用Φ1/2值的大小來(lái)判斷。
Φ1/2值 | <7 | 7~10 | >10 |
R-O-H酸堿性 | 堿性 | 兩性 | 酸性 |
當(dāng)金屬離子(R)的電子構(gòu)型相同時(shí),則Φ1/2值愈小,堿性愈強(qiáng);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(guān)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(qiáng)健 | 中強(qiáng)堿 | 兩性 | 弱酸 | 中強(qiáng)酸 | 強(qiáng)酸 | 最強(qiáng)酸 |
同族元素的氫氧化物。由于R的電子層構(gòu)型和電荷數(shù)均相同,其堿性強(qiáng)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(qiáng)。
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(qiáng)。
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(qiáng)堿 | 強(qiáng)堿 | 強(qiáng)堿 | 強(qiáng)堿 |
需要指出的是:利用離子勢(shì)來(lái)判斷氧化物水合物的酸堿性只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。有時(shí)候它對(duì)一些物質(zhì)是不適用的。如Zn(OH)2的Φ1/2值計(jì)算出來(lái)是5.2,用離子勢(shì)來(lái)判斷是堿性,但實(shí)際上Zn(OH)2為兩性。
氫氧化物的堿性強(qiáng)弱也與它們的溶解度有關(guān)。如堿金屬氫氧化物從LiOH到CsOH隨著陽(yáng)離子半徑的增大,陽(yáng)離子和陰離子之間的吸引力逐漸減小,ROH晶格愈來(lái)愈容易被水分子把它們拆開(kāi)。同一周期中,堿土金屬離子比堿金屬離子小,而且?guī)蓚€(gè)正電荷,因此水分子就不容易將它們拆開(kāi),溶解度就小得多。
與水溶液酸堿中和生成鹽的反應(yīng)類(lèi)似,在一定條件下,酸性氧化物也可以與堿性氧化物反應(yīng)生成鹽。例如在高溫條件下,CaO能與SiO2反應(yīng)生成鹽
CaO+ SiO2=CaSiO3
這就是高爐煉鐵過(guò)程中的“成渣”反應(yīng)。