根据氧化物对酸、碱的反应不同,可将氧化物分为酸性、碱性、两性和不成盐四类。不成盐氧化物(又称为惰性氧化物),与水、酸或者碱不起反应,例如CO、NO、N2O等。与酸性、碱性和两性氧化物相对应,它们的水合物也有酸性、碱性和两性,都可以看作是氢氧化物,即可用一个通式R(OH)x来表示,其中x是元素R的氧化数。在写酸的化学式时,习惯上总把氢列在前面;在写碱的化学式时,则把金属列在前面而写出氢氧化物的形式。例如硼酸写成H3BO3而不写成B(OH)3,而氢氧化镧是碱,则写成La(OH)3。
当元素R的氧化数较高时,氧化物的水合物易脱去一部分水而变成含水较少的化合物。例如,硝酸不是N(OH)3或H5NO5而是HNO3,即脱去了2个水分子;又如,正磷酸不是P(OH)5或者H5PO5而是脱去了1个水分子的H3PO4。对于两性氧化物的水合物如氢氧化铝,则既可写成碱的形式Al(OH)3,也可写成酸的形式
H3AlO3 (正铝酸) = HAlO2 (铝酸)+ H2O
周期表中元素的氧化物及其水合物的酸碱性的递变如下:
(1)同一周期期中,各主族元素中氧化数最高的氧化物及其水合物,从左到右酸性增,碱性减弱。例如第3周期中各元素中氧化数最高的氧化物及其水合物的酸碱性递变顺序如下:
Na2O | MgO | Al2O3 | SiO2 | P2O5 | SO3 | Cl2O7 |
NaOH | Mg(OH)2 | Al(OH)3 | H2SiO3 | H3PO4 | H2SO4 | HClO4 |
(碱性) | (碱性中强) | (两性) | (酸性弱) | (酸性中强) | (酸性强) | (酸性最强) |
副族及第Ⅷ族元素的氧化物及其水合物的酸碱性变化规律与主族的相似。以第四周中的ⅢB~ⅦB族元素最高价态氧化物及其水合物为例,他们的酸碱性递变顺序如下:
Sc2O3 | TiO2 | V2O5 | CrO3 | Mn2O7 |
Sc(OH)3 | Ti(OH)4 | HVO3 | H2CrO4和H2Cr2O7 | HMnO4 |
(碱性) | (两性) | (酸性弱) | (酸性中强) | (酸性强) |
(2)同一主族元素的相同氧化数的氧化物及其水合物,从上到下酸性减弱,碱性增强。如在VA族元素氧化数为+3的氧化物中,N2O3和P2O3呈酸性,As2O3和Sb2O3呈两性,而Bi2O3则呈碱性,与这些氧化物相对应的水合物的酸碱性也是如此。
在同一副族中,元素氧化物及其水合物的酸碱性变化规律也和主族的相似。例如第ⅥB族元素氧化数最高的氧化物的水合物中,铬酸H2CrO4的酸性比钼酸H2MoO4的强;钼酸的酸性又比钨酸H2WO4的强。
(3)同一元素(主族的或副族的)形成不同氧化数的氧化物及其水合物时,高氧化数的酸性比低氧化数的要强。例如
HClO | HClO2 | HClO3 | HClO4 |
(酸性弱) | (酸性中强) | (酸性强) | (酸性最强) |
氧化物的水合物酸碱性变化规律,可以粗略地用R(OH)x模型来说明。R(OH)x型化合物总起来说可以按以下两种方式离解
如果在Ⅰ处(R-O键)断裂,化合物发生碱式离解;如果在Ⅱ处(O-H)断裂,就发生酸式离解。我们可以简单地把R、O、H都看成离子,若考虑正离子Rx+和H+分别与负离子O2-之间的作用力相对来说不够强大,不能和H+与O2-之间的作用力相抗衡,则发生碱式离解。因而,在第三周期中,NaOH和Mg(OH)2这两个化合物都发生碱式离解。Al3+由于电荷数更大而半径更小,与O2-之间的作用力已能和H+与O2-之间的作用力相抗衡,因而Al(OH)3可按两种方式离解,是典型的两性氢氧化物。其余4种元素的4个氢氧化物,由于Rx+的电荷数从+4到+7依次增加而半径依次减小,使Rx+的吸O2-、斥H+能力逐渐增大,因而酸性依次增强。HClO4是最强的无机酸。
又如,As3+、Sb3+、Bi3+的电荷数相同,而半径依次增大,R3+的吸O2-、斥H+能力依次减弱,因此它们的氢氧化物的酸性依次减弱,碱性依次增强。
再如,Cl7+、Cl5+、Cl3+、Cl+的电荷数依次减少而半径依次增大,Rx+的吸O2-、斥H+能力依次减弱,因此HClO4、HClO3、HClO2、HClO的酸性依次减弱。
需要注意,在许多R(OH)x中并非真正存在Rx+,R右上角的数字也不是它所带的真正电荷,而是形式“电荷数”。
另外,R(OH)x究竟是进行酸式离解还是碱式离解,与阳离子的极化作用有关。G.H.Cartledge提出以“离子势”来衡量阳离子极化作用的强弱:
离子势(Φ)=阳离子电荷(z)/阳离子半径(r)
在R(OH)x中,若R的Φ值大,其极化作用强,氧原子的电子云将偏向R,使O-H键极性增强,则R-O-H发生酸式解离;若R的Φ值小,R-O键极性强,则R-O-H发生碱式解离;因此,有人提出一般氢氧化物和含氧酸的酸碱性强弱也可用Φ1/2值的大小来判断。
Φ1/2值 | <7 | 7~10 | >10 |
R-O-H酸碱性 | 碱性 | 两性 | 酸性 |
当金属离子(R)的电子构型相同时,则Φ1/2值愈小,碱性愈强;表5-13表明了第三周期元素氧化物的水合物的酸碱性与Φ1/2值大小的关系。
表5-13 第三周期元素氧化物水合物的酸碱性
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+半径/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 |
酸碱性 | 强健 | 中强碱 | 两性 | 弱酸 | 中强酸 | 强酸 | 最强酸 |
同族元素的氢氧化物。由于R的电子层构型和电荷数均相同,其碱性强弱的变化,主要取决于离子半径的大小。所以碱金属、碱土金属氢氧化物的碱性,均随R离子半径的增大而增强。
从表5-14所表示的Φ1/2值可知Be(OH)2是两性氢氧化物,其余碱土金属氢氧化物均为碱性氢氧化物,而且碱性依Be到Ba的顺序而增强。
表5-14 碱土金属元素氢氧化物的酸碱性
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+半径/nm | 0.045 | 0.072 | 0.100 |
0.118 |
0.136 |
Φ1/2值 | 6.67 | 5.27 | 4.47 | 4.12 | 3.83 |
酸碱性 | 两性 | 中强碱 | 强碱 | 强碱 | 强碱 |
需要指出的是:利用离子势来判断氧化物水合物的酸碱性只是一个经验规律。有时候它对一些物质是不适用的。如Zn(OH)2的Φ1/2值计算出来是5.2,用离子势来判断是碱性,但实际上Zn(OH)2为两性。
氢氧化物的碱性强弱也与它们的溶解度有关。如碱金属氢氧化物从LiOH到CsOH随着阳离子半径的增大,阳离子和阴离子之间的吸引力逐渐减小,ROH晶格愈来愈容易被水分子把它们拆开。同一周期中,碱土金属离子比碱金属离子小,而且带两个正电荷,因此水分子就不容易将它们拆开,溶解度就小得多。
与水溶液酸碱中和生成盐的反应类似,在一定条件下,酸性氧化物也可以与碱性氧化物反应生成盐。例如在高温条件下,CaO能与SiO2反应生成盐
CaO+ SiO2=CaSiO3
这就是高炉炼铁过程中的“成渣”反应。