多氧化态的成酸元素的含氧酸及其盐的一个特征就是它们具有氧化还原性,这包括一些非金属和金属元素都是如此。例如,N、S、Se和卤素的最高氧化态含氧酸:HNO3、H2SO4、H2SeO4及HClO4等等都是强氧化剂;这些元素的最低氧化态化合物,如NH3、H2S和HCl等为还原剂;而处于中间氧化态的HNO2和H2SO3等既是氧化剂又是还原剂。
一般说来,含氧酸及其盐的氧化能力与它们的稳定性有关。氧化能力强的,稳定性差;反之,稳定性高的,其氧化能力弱。如在ClO-——ClO2-——ClO3-——ClO4-系列中,从左到右,成键的电子数递增,至ClO4-,所有的价电子都成键了,所以ClO4-特别稳定。这稳定性递变规律还可以从键能来看。上述系列,从左到右,π键的作用增长,键的多重性增加,Cl—O键的键能递增,键长缩短(见表15-13)。
表15-13 Cl—O键的性质
含氧阴离子 | 键长/nm | 键能/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 |
由于这个系列的稳定性是从左到右递增,这些含氧酸的氧化性就依次递减。ClO-在任何介质中都有强氧化性,ClO3-在酸性介质中的氧化性也颇强,而ClO4-在稀溶液中几乎无氧化性。
关于含氧酸及其盐的氧化还原性还有一些规律补充如下:
一、介质酸碱度的影响
溶液的pH值为影响含氧酸或其盐的氧化还原性的重要因素之一。同一物质在不同pH条件下,其氧化还原强度不同。含氧酸盐在酸性介质中比在中性或碱性介质中的氧化性强,例如EA°(ClO2-/ClO-)=1.645,EB°(ClO2-/ClO-)=0.66,ClO2-在酸性介质中的氧化性较强。
二、成酸元素(即中心原子)的氧化态
1.在同一周期中,各元素最高氧化态含氧酸的氧化性从左到右增强。例如:H4SiO4和H3PO4几乎无氧化性,但H2SO4在高温和浓度大时表现出强氧化性(HClO4的氧化性不强,但是它的固态盐是强氧化剂)。同类型低氧化态的含氧酸离子也有此倾向,例如,ClO3-和BrO3-的氧化性分别比SO32-和SeO32-的强。
2.在同一族中,含氧酸的氧化还原性如表15-14所示。在最高氧化态的含氧酸中,氧化性多数自上而下递增,次卤酸依次递减。处于中间氧化态的含氧酸,以第4周期元素的最强。
3.对于同一种元素来说,在有些元素的不同氧化态含氧酸中,以低氧化态的氧化性较强。例如,
HClO>HClO2>HClO3>HClO4
HNO2>稀HNO3
H2SO3>稀H2SO4
H2SeO3>稀H2SeO4
三、其他一般说来,浓酸比稀酸的氧化性强:酸又比相应的盐的氧化性强。
尽管标淮电极电势为我们衡量物质的氧化性提供了方便,它能反映物质氧化性的强弱,但氧化还原反应能否发生还涉及到反应机理和动力学上的影响。例如稀H2SeO3溶液和稀H2SeO4溶液的EA°分别为0.74V和1.15V,后者应为较强的氧化剂,但事实上H2SeO3能氧化SO2,而H2SeO4不能。