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无机化学考研辅导(上)

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关。若中心原子半径小,电负性大,获得电子的能力强,其含氧酸(盐)的氧化性也就强,反之,氧化性则弱。

同一周期的元素,自左往右,电负性增大,半径减小,所以它们的最高氧化态含氧酸的氧化性依次递增。

同一族元素,从上至下,电负性减小,原子半径增大,所以低氧化态含氧酸(盐)的氧化性依次递减。高氧化态氧化性锯齿形变化,则是由于次级周期性引起的。

(2) 含氧酸分子的稳定性: 含氧酸的氧化性和分子的稳定性有关,一般来说,如果含氧酸分子中的中心原子R多变价,分子又不稳定,其氧化性越强。含氧酸分子的稳定性与分子中R-O键的强度和键的数目有关。键的数目越多,R-O键强度越大,要断裂这些键,使高氧化态的含氧酸还原为低氧化态甚至为单质,就比较困难,所以,稳定的多变价元素的含氧酸氧化性很弱,甚至没有氧化性。

R-O键的强度和数目与R的电子构型、氧化态、原子半径、成键情况以及分子中带正电性的H原子对R的反极化作用等因素有关。

例如:在HClO、HClO2、HClO3、HClO4系列中,由于酸分子中R-O键数目依次增加,R-O键键长减小,稳定性依次增加,因而,氧化性随氯的氧化态增加而依次减弱。HClO>HClO2>HClO3>HClO4

低氧化态含氧酸氧化性强还和它的酸性弱有关,因为在弱酸分子中存在着带正电性的氢原子,对酸分子中的R原子有反极化作用,使R-O键易于断裂,同理可以解释:①为什么浓酸的氧化性比稀酸强?因为在浓酸溶液中存在着自由的酸分子,有反极化作用。②为什么

n++

含氧酸的氧化性比含氧酸强?因为含氧酸盐中M反极化作用比H弱,含氧酸盐比含氧酸稳定。

(3) 其他外界因素的影响: 溶液的酸碱性、温度以及伴随氧化还原反应同时进行的其他非氧化还原过程(如水的生成、溶剂化和反溶剂化作用、沉淀生成、缔合等)对含氧酸的氧化性有影响。

三、含氧酸盐的热稳定性规律 1、同一盐及其酸稳定性次序是:

正盐 > 酸式盐 > 酸 Na2CO3 > NaHCO3 > H2CO3 o

分解温度C~1800 270 室温以下 2、同一酸根不同金属的含氧酸盐,热稳定性次序是:

碱金属 > 碱土金属 > 过渡金属 > 铵盐

K2CO3 CaCO3 ZnCO3 (NH4)CO3 分解温度Co 1800 825 300 58

3、同一酸根同族金属离子盐,热稳定性从上到下依次递增:

BeCO3 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3 o

分解温度C 100 350 825 1350 1450 4、同一成酸元素其高氧化态含氧酸盐比低价态稳定

KClO4> KClO3> KClO2> KClO

5、不同价态的同一金属离子的含氧酸盐,其低价比高价稳定:

Hg2(NO3)2>Hg(NO3)2

6、酸不稳定其盐也不稳定,酸越稳定,其盐也较稳定,碳酸盐,硝酸盐,亚硫酸盐,卤酸盐的稳定性都较差,较易分解,而硫酸盐,磷酸盐较稳定。其酸也较稳定,难分解。

如:盐 Na3PO4 > Na2SO4 > Na2CO3 > NaNO3 分解温度Co 不分解 不分解 1800 380

用离子极化理论可以对上述规律做出定性解释,金属离子的反极化作用越大,该盐的热稳定性就越差。

四、含氧酸的热分解产物

热分解产物,不仅与酸有关,与其正离子的性质也有关,多数情况下分解为酸酐和金属氧化物或其他产物:CaCO3=CaO+CO2↑

(一)对于硝酸盐的热分解有三种情况:

1、碱金属,碱土金属的硝酸盐分解,产生亚硝酸盐和O2, 如:

2KNO3=2KNO2+O2↑

2、电化学序在Mg-Cu之间的金属,因亚硝酸盐不稳定,其分解产物为M氧化物,NO2和O2,如:

2Pb(NO3)=2PbO+4NO2↑+O2↑

3、电位顺序Cu以后的M,因其M氧化物不稳定,分解产生M单质,如:

2AgNO3=2Ag+2NO2+O2↑

(二)对于铵盐的热分解产物与含氧酸根是否具有氧化性密切相关,若无氧化性,分解成酸酐

和其他产物,有氧化性要进一步分解为低价产物。

2(NH4)2CO3=2NH3↑+CO2↑+H2O 4NH4ClO4=2N2↑+6H2O+4HCl+6O2↑ 2NH4NO3=N2↑+4H2O+O2

(三)对于稳定酸的酸式盐,热分解失水,形成偏酸盐或焦酸盐。如:

NaH2PO4=NaPO3+H2O 2Na2HPO4=Na4P2O7+H2O

五.P区元素的次级周期性

次级周期性是指元素周期表中,每族元素的物理化学性质,从上向下并非单调的直线式递变,而是呈现起伏的”锯齿形”变化.对于P区元素,主要是指第二.第四.第六周期元素的正氧化态,尤其是最高氧化态的化合物所表现的特殊性. 1.第二周期P区元素的特殊性

(1)N.O.F的含氢化合物容易形成氢键,离子性较强。

(2)它们的最高配位数为4,而第3周期和以后几个周期的元素可以超过4。 (3)多数有生成重键的特性。

与同族元素相比,除稀有气体外,B、C、N、O、F内层电子少,只有1s2,原子半径特别小(同一族中,从第二周期到第三周期原子半径增加幅度最大),价轨道没有d轨道等特点,所以第二周期元素的电子亲和能(EA)反常地比第三周期同族元素的小。在形成化合键时,在键型、键数和键能等方面也有不同于同族元素的特殊性,影响到这些元素的单质和化合物的结构和性质。

2.第四周期P区元素的不规则性

最突出的反常性质是这些元素最高氧化态化合物(如氧化物;含氧酸及其盐)的稳定性小,而氧化性则很强.

第四周期p区元素,经过d区长周期中的元素,此外成增加了10个d电子,次外层结2610

构是3s3p3d,由于d电子屏蔽核电荷能力比同层的s、p电子的要小,这就使从Ga→Br,最外层电子感受到有效核电荷Z*比不插入10个d电子时要大,导致这些元素的原子半径和第三周期同族元素相比,增加幅度不大。由原子半径引起的这些元素的金属性(非金属性)、电负性、氢氧化物酸碱性、最高氧化态含氧酸(盐)的氧化性等性质都出现反常现象,即所谓“不规则性”。最突出反常性质是这些元素最高氧化态化合物(如氯化物、含氧酸及其盐)的稳定性小,而氧化性则很强。如ⅦA高溴酸(盐)氧化性比高氯酸(盐)、高碘酸(盐)强得多。ⅥAH2SeO4的氧化性比H2SO4(稀)强,中等浓度的H2SeO4就能氧化Cl-→Cl2,而浓H2SO4和NaCl反应→HCl;ⅤAH2AsO4有氧化性,在酸性介质中能将I-氧化为I2,而H3PO4

-基本上没有氧化性,浓H3PO4和I反应只生成HI。

导致第四周期p区元素性质不规则性的本质因素是因为第三周期过渡到第四周期,次外

262610

层电子从2s2p变为3s3p3d,第一次出现了d电子,导致有效核电荷Z*增加得多,使最外层的4s电子能级变低,比较稳定。 3.P区金属6S2电子的稳定性

周期表中P区下方的金属元素,即第六周期的Tl;Pb;Bi;Po在化合物中的特征氧化态应依次为+Ⅲ;+ Ⅳ;+Ⅴ和+Ⅵ,但这四种元素的氧化态表现反常,它们的低氧化态化合物,既Tl(Ⅰ);Pb(Ⅱ);Bi(Ⅲ);Po(Ⅳ)的化合物最稳定.长期以来,学者们认为这是由于这四种元素存在6S2惰性电子对之故,这种现象为西奇威克最先注意到,并称之为”惰性电子对效应”.

产生惰性电子对效应,原因是多方面的,仅从结构上考虑主要有:从第四周期过渡到第五周期,原子的次外层结构相同,所以同族元素相应的化合物性质改变较有规律。从第五到第六周期,次外电子层虽相同,但倒数第三层电子结构发生改变,第一次出现了4f电子,

由于f电子对核电荷的屏蔽作用比d电子更小,以使有效电荷Z*也增加得多,6s2也变得稳定,所以第六周期p区元素和第五周期元素相比,又表现出一些特殊性。

六.无机化合物的水解性

无机物的水解是一类常见且十分重要的化学性质。在实践中我们有时利用他的水解性质(如制备氢氧化铁溶胶等),有时却又必须避免它的水解性质(如配置SnCl2溶液等)。

无机化合物中除强酸强碱盐外一般都存在着水解的可能性。众所周知,一些典型盐类溶于水可发生如下的电离过程:

+-+-MA+(x+y)H2O≒[M(OH2)x]+[A(H2O)Y]

+-+

上式中[M(OH2)x]和[A(H2O)Y]表示相应的水合离子,这个过程显然是可逆的,如果M离子夺

—+—+—

取水分子中的OH离子而释放出H,.或者A离子夺取水分子中的H而释放出OH离子。那将破坏水的电离平衡,从而产生一种弱酸或弱碱,这种过程即盐的水解过程。 1.影响水解的因素 (1)电荷和半径

+-从水解的本质可见:MA溶于水后是否发生水解作用,主要决定于M和A离子对配位水分子

影响(极化作用)的大小,显然金属离子或阴离子具有高电荷和较小的离子半径时,他们对水分子有较强的极化作用,因此容易发生水解,反之低电荷和较大离子半径的离子在水中不易发生水解,如:AlCl3,SiCl4遇水都极易水解:

AlCl3 +3H2O=Al(OH)3+3HCl SiCl4+4H2O=H4SiO4+4HCl

相反,NaCl, BaCl2在水中基本不发生水解。 (2)电子层结构

我们知道Ca2+,Sr2+和Ba2+ 等盐一般不发生水解,但是电荷相同的Zn2+,Cd2+ Hg2+ 等离

2+2+2+-子在水中却会水解,这种差异主要是电子层结构不同而引起的。Zn,Cd,Hg等离子是18e

2+2+2

离子,他们有较高的有效核电荷,因而极化作用强,容易使配位水发生水解。而Ca,Sr和Ba+-等离子是8e离子,它们具有较低有效核电荷和较大的离子半径,极化作用较弱,不易使配位水发生分解作用,即不易水解。

总之,离子的极化作用越强该离子在水中就越容易水解。有人找到了水解常数的负对数PKh

2+2

同表示离子的极化能力的Z/R之间的关系, Na的Z/R=2.2×1028C2.M_,PKh=14.48,它基本上不

3+2282_

水解,Al的Z/R=43.6×10C.M,PKh=5.14它显著水解,其水解反应式如下:

Al3++6 H2O→[Al(H2O)6] 3+→H3O++[Al(H2O)5OH] 2+

2+-生成的配离子[Al(H2O)5OH]还可以逐级水解。此外还可以看到非稀有气体构型(18e,9

—17e-,18+2e-)的金属离子,他们的盐都容易发生水解。 (3)空轨道

我们知道碳的卤化物如CF4和CCl4遇水不发生水解,但是比碳的原子半径大的硅其卤化物却易水解,如:

SiX4+4H2O= H4SiO4+4HX

对于四氟化硅来讲,水解后所产生的HF与部分四氟化硅生产氟硅酸: 3SiF4+4 H2O= H4SiO4+4H++2SiF62—

这种区别是因为碳原子只能利用2S和2P轨道成键,这就使其最大共价数限制在4,并阻碍水分子中氧原子将电子对给予碳原子,所以碳的卤化物不水解。然而硅不仅有可利用的3S和3P轨道形成共价键,而且还有空的3d轨道,这样,当遇到水分子时,具有空的3d轨道的Si4+

接受水分子中氧原子的孤电子对,而形成配位键,同时使原有的键削弱,断裂。这就是卤化硅水解的实质,由于相同的理由,硅也容易形成包含SP3d2杂化轨道的SiF62—配离子。

NF3不易水解,PF3却易水解也可以用同样的理由解释。 硼原子虽然利用2S和2P轨道成键,但是因为成键后在2P轨道中还有空轨道存在,所以硼原子还有接受电子对形成配位键的可能,这就是硼的卤化物为什么会强烈水解的原因。如:BCl3的水解反应可认为是从氧原子的孤电子对给予硼原子开始的;

H2O+BCl3→[H2O→BCl3] →HOBCl2+HCl

↓2 H2O

B(OH)3+2HCl

除结构因素影响水解反应以外,增高温度往往使水解加强,例如,

MgCl2.6 H2O→Mg(OH)Cl+HCl↑+5H2O Mg(OH)Cl→MgO+HCl↑

再如,FeCl3在水中有部分水解,可以写成为: [Fe(H2O)6]3++H2O→[Fe(OH)(H2O)5]2++H3O+ 或简写为:

Fe3++H2O→Fe(OH)2++H+

但加热后,会进一步水解,最后得到红棕色凝胶状的[Fe(OH)3(H2O)3]沉淀。 由于水解反应是一个可逆平衡,所以溶液的酸度也会影响水解反应的进行。 2.水解产物的类型

一种化合物的水解情况主要决定于正负两种离子水解情况。负离子的水解一般比较简单,下面主要讨论正离子水解的情况。水解产物的类型大致可分为以下几种: (1)碱式盐

多数无机盐水解后生成碱式盐,这是一种最常见的水解类型。如: SnCl2+H2O=Sn(OH)Cl↓+3HCl BiCl3+3H2O=BiOCl↓+3HCl (2)氢氧化物

有些金属盐类水解后最终产物是氢氧化物,这些水解反应常需要加热以促进水解的完成,如:

AlCl3 +3H2O=Al(OH)3↓+3HCl FeCl3+3H2O=Fe(OH)3↓+3HCl (3)含氧酸

许多非金属卤化物和高价金属盐类水解后生成相应的含氧酸,如: BCl3+H2O=H3BO3+3HCl PCl5+4H2O=H3PO4+5HCl SnCl4+3H2O=H2SnO3+4HCl

水解后所产生的含氧酸,有些可以认为是相应氧化物的水合物,如H2SnO3,可以认为是SnO2.H2O,TiCl4的水解产物H2TiO3也可以认为是TiO2. H2O。

无机物水解产物类型上的差别,主要是化合物中正离子和负离子对配位水分子的极化引起的。现将离子极化作用和水解产物关系对比如下:

Ⅰ Ⅱ 极

2+2-(1)[H2O·M·OH2] (1)[H2O·A·H2O] 化

(2)[H2O·M·OH]+ 作

-(3)[HO·M·OH] (2)[H2O·A·H] 用

-(4)[HO·M·O] 增

2-(5)[O·M·O] (3)[H·A·H] 强

水解反应有时伴有其他反应而使产物复杂化,这些反应有聚合,配合,脱水和氧化还原等。 (4)聚合和配合

有些盐发生水解时首先生成碱式盐,接着这些碱式盐聚合成多核阳离子,如:

Fe3++H2O = [Fe(OH)]2++H+

2Fe3++2H2O

[Fe2(OH)2]4++ 2H+ [Fe2(OH)2]4+多聚配阳离子有如下的结构:

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