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次氯酸、亚氯酸、氯酸、高氯酸的性质递变规律

一、氯的含氧酸的种类、氧化数、结构

氯的含氧酸目前有次氯酸HClO、亚氯酸HClO₂、氯酸HClO₃、高氯酸HClO₄四种,氧化数依次为+1、+3、+5、+7。

这四种酸中氯均采取sp³杂化,氯的价电子为3s²3p⁵,发生sp³杂化,1个S轨道和3个p轨道组成4个sp³杂化轨道,氯的7个价电子进入4个sp³杂化轨道,应当有3个sp³杂化轨道为3个电子对占据,1个sp³杂化轨道为1个单电子占据,据此推知,在氯的含氧酸中只有1个氯-氧键是共价键,其余氯-氧键应为配位键,由氯具有孤电子对的sp³杂化轨道与氧的空p轨道作用形成。

次氯酸、亚氯酸、氯酸、高氯酸的性质递变规律

由于第三周期的氯具有3d空轨道,因此还认为在氯的含氧酸中羟基氧外的氧原子,除了与氯形成sp³-P σ键,具有孤电子对的2p轨道与中心氯原子的3d空轨道之间形成了d-p π键

二、稳定性

氯的含氧酸稳定性次序为:HClO<HClO₂<HClO₃<HClO₄;

次氯酸、亚氯酸均只存在于稀溶液中,氯酸和高氯酸可通过减压蒸馏获得较浓溶液。

稳定性次序可解释为,随氧化数升高,形式正电荷数升高,抵抗H⁺反极化作用的能力增强,且带形式负电荷的氧原子数增多,帮助稳定中心氯原子。

解离质子后的酸根离子比酸本身稳定,也就是说,氯的含氧酸不稳定,但各自的盐相对于酸是比较稳定的,究其原因是H⁺的反极化作用会削弱Cl-O键,导致结构变得不稳定;

氯的含氧酸盐有较广泛的应用,例如次氯酸钠和次氯酸钙是常用的氧化剂、消毒剂和漂白剂;亚氯酸钠多作漂白剂;氯酸钾是实验室制氧气的原料,也是制火柴、炸药的原料,氯酸钠可作除草剂;高氯酸铵是火箭燃料的助燃剂。

三、酸性

从次氯酸到高氯酸,酸性逐渐增强:HClO<HClO₂<HClO₃<HClO₄,次氯酸和亚氯酸是弱酸,氯酸、高氯酸是强酸。

究其原因,随氧化数升高,形式正电荷数升高,中心氯原子对羟基氧的吸电子作用越来越强,使羟基氧的电子云密度减小,质子越来越易解离。

四、氧化性

从次氯酸到高氯酸,氧化能力逐渐减弱:HClO>HClO₂>HClO₃>HClO₄

次氯酸不稳定,分解时容易放出氧原子,这也是其表现强氧化性的因素之一,作为自由基的氧原子的氧化性要比氧分子强得多。高氯酸虽然呈最高氧化数,但中心氯原子与4个氧原子形成稳定的正四面体结构,且由于氯的形式正电荷高,氯-氧键不易受到H⁺反极化作用的削弱,但浓高氯酸具有强氧化性,这一点类似于硫酸,稀硫酸无强氧化性,但浓硫酸具有强氧化性。

由于通常使用的是盐,因此实际上的是讨论酸根离子的氧化能力,酸根离子氧化能力的次序和酸相同,ClO⁻>ClO₂⁻>ClO₃⁻>ClO₄⁻,且都是在酸性介质氧化能力最强,中性或碱性介质减弱,ClO₄⁻在稀的酸性溶液中氧化能力也很弱,可以认为几乎不表现氧化性,类似SO₄²⁻。

氯的含氧酸盐的固体均是强氧化剂,且反应往往激烈,容易引起燃烧或爆炸,因此一些氯的含氧酸盐常作为固体氧化剂,用来制炸药或者作为高能燃料的助燃剂。

ClO⁻在碱性介质中也能保持较强氧化性,因此常用次氯酸盐作氧化剂制备一些强氧化剂或高价态物质,比如在碱性介质中用NaClO将+2价Pb氧化成PbO₂:Pb²⁺+ClO⁻+2OH⁻=PbO₂+Cl⁻+H₂O

五、总结

氯的含氧酸及其盐的酸性、氧化性、稳定性等性质,随氧化数的变化而呈现出规律性的变化:随着氧化数的升高,酸和盐的稳定性、酸性在增强,而氧化性在减弱,盐的稳定性比相应的酸的稳定性高,但氧化性比酸弱。

(责任编辑:化学自习室)
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