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为什么次氯酸钠溶液具有强氧化性,而硝酸钠溶液却没有?

一、问题的提出

次氯酸钠作为常见的氧化剂,可与许多还原剂发生氧化还原反应,如下列10个反应:

1.ClO⁻+2I⁻+H₂O=Cl⁻+I₂+2OH⁻ 

2.ClO⁻+2H⁺+Cl⁻=Cl₂↑+H₂O 

3.ClO⁻+H₂SO₃=Cl⁻+SO₄²⁻+2H⁺ 

4.ClO⁻+SO₃²⁻=Cl⁻+SO₄²⁻ 

5.2Fe³⁺+3ClO⁻+10OH⁻=2FeO₄²⁻+3Cl⁻+5H₂O 

6.H₂S+4ClO⁻=SO₄²⁻+4Cl⁻+2H⁺ 

7.S²⁻+ClO⁻+H₂O=S↓+Cl⁻+2OH⁻ 

8.S₂O₃²⁻+4ClO⁻+H₂O=2SO₄²⁻+4Cl⁻+2H⁺ 

9.2Fe²⁺+ClO⁻+2H⁺=2Fe³⁺+Cl⁻+H₂O 

10.Cu₂O+2ClO⁻+2H₂O=2Cu(OH)₂↓+2Cl⁻

如果将这10个反应中的次氯酸钠全部替换为硝酸钠,逐一分析后会发现:只有第9个反应可以发生。

但如果同时加硫酸,那么大部分反应都有可能发生。

问题来了!为什么只是把体系中的次氯酸根离子更换为硝酸根离子反应就难以发生呢?要回答这个问题,必须从两种阴离子在水溶液中的实际存在形态、空间结构、电荷分布以及热力学驱动力来进行分析。

二、次氯酸钠溶液的组成

次氯酸钠溶液中,ClO⁻在水中发生水解:ClO⁻+H₂O⇌HClO+OH⁻。因此,次氯酸钠溶液中同时存在ClO⁻和HClO等粒子。ClO⁻本身是一个不对称的阴离子,Cl–O为极性键,Cl端带部分正电性,O端带负电。这种电荷分布使得整个离子具有明确的静电势梯度:电子可以从Cl这一侧靠近并被接受,Cl–O键随之断裂,氯从+1价被还原为−1价的Cl⁻,大白话就是电子能找到进攻的地方。

三、硝酸钠溶液的组成

NaNO₃溶液则几乎不水解,水溶液中NO₃⁻难以发生质子化,溶液中几乎不存在HNO₃分子,更不可能存在硝酰离子(NO₂⁺)。 纯粹的NO₃⁻离子是一个平面正三角形结构,三个N–O键完全等价,负电荷均匀分散到三个氧原子上。这种高度对称的几何结构意味着:电子无论从哪个方向接近NO₃⁻,外来电子遭遇的都是带负电的氧原子的库仑排斥,即电子根本无法靠近中心氮原子。换句话说,NO₃⁻周围被负电全方位包裹,没有任何一个方向对电子具有静电吸引力。

四、标准电极电位的定量证据

结构上的差异还反映在标准电极电位上的差异:

酸性条件:HClO+H⁺+2e⁻→Cl⁻+H₂O,E=+1.49V

碱性条件:ClO⁻+H₂O+2e⁻→Cl⁻+2OH⁻,E=+0.89V

酸性条件:NO₃⁻+4H⁺+3e⁻→NO+2H₂O,E=+0.96V

碱性条件:NO₃⁻+2H₂O+2e⁻→NO₂⁻+2OH⁻,E≈+0.01V

五、数据说明三点

酸性条件下,ClO⁻体系的电位(+1.49V)明显高于NO₃⁻酸性体系(+0.96V),前者高出约0.53V。

碱性条件下;次氯酸根离子的标准电极电势仍有+0.89V,足以氧化I₂/I⁻(+0.54V)、Fe³⁺/Fe²⁺(+0.77V)等常见电对;而NO₃⁻在碱性条件电位跌至接近零或负值,完全失去氧化常见还原剂的能力。

NO₃⁻要发挥强氧化性,必须外加H⁺到强酸性,即"溶液中硝酸根离子只在酸性介质才显强氧化性",NaClO在即便在碱性溶液氧化性也比较强。

六、结构决定性质

ClO⁻空间结构的不对称性为电子提供了明确的"入口":Cl端正电吸引电子,电子可以转移,活化能低,反应速率快。而NO₃⁻的对称性和电荷离域使它像一层"电子墙",将电子拒之门外。只有在强酸性条件下,至少可以形成“瞬间”硝酸分子,或可以得到硝𬭩阳离子,此时电子就可以靠近氮原子,NO₃⁻才表现出可观测的氧化活性。

归根结底,某个粒子要得到电子,首先得让电子靠近,这个要求不过分,化学反应最底层的逻辑就是需要接触。

七、结论

次氯酸钠具有强氧化性,是因为其溶液中存在HClO分子,且ClO⁻本身就是不对称的极性阴离子,电子可以从氯端顺利进攻,标准电极电位在碱性与酸性下分别达+0.89V与+1.49V;而硝酸钠在中性水溶液中几乎无硝酸分子、无硝酰离子,纯粹的NO₃⁻离子因平面三角形对称结构和电荷分布特点,使电子从任何方向都无法靠近,且在中性/碱性水溶液中电极电位极低(碱性下接近0或负值的还原倾向),因而在通常条件下不表现氧化性。

那么如果换成亚硝酸钠呢?亚硝酸也是弱酸,亚硝酸钠溶液中也有一定的亚硝酸分子,从这个角度看,亚硝酸钠即便不是在酸性条件下也具有一定的氧化性,但亚硝酸的酸性比次氯酸酸性强得多,因此亚硝酸钠溶液即便能与某些还原剂反应,从反应速率上看也是不快的。但在相同的酸性条件下,亚硝酸钠比硝酸钠的反应速率更快大概没有问题。

这大概也许就是所谓的“结构决定性质”的具体案例

(责任编辑:化学自习室)
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