许多重要的氧化剂和还原剂是含氧酸或它的盐。氧化还原性是含含氧酸及其盐的又一重要性质。我们可以根据电极电势判断含氧酸及其盐的氧化还原能力力。含氧酸及其盐的这种性质是由它们的结构来决定的。
如果成酸元素是非金属性很强的元素,它们的盐往往具有氧化性,如如卤素的含氧酸盐、硝酸盐等;而且,对于氯、溴、碘碘等非金属性较强的元素的不同氧化值的含氧酸来说,通常不稳定的酸氧化性较强。例如:
电对 | ClO4-/Cl- | ClO3-/Cl- | HClO2/Cl- | HClO/Cl- |
φAθ | 1.38 | 1.45 | 1.57 | 1.49 |
成酸元素是高氧化数的金属,其含氧酸盐也常具有氧化性,如高锰酸盐、重铬酸盐等;
成酸元素处于中间氧化数的含氧酸盐一般具有氧化还原两重性,如亚硝酸盐、亚硫酸盐等。
一些非金属性较弱的成酸元素,其含氧酸盐往往不具有明显的氧化性,如碳酸盐、硅酸盐等。下面以氮的含氧酸盐、铬的含氧酸盐和锰的含氧酸盐来说明它们的氧化还原性及有关规律。
氮的含氧酸盐
氮有两种含氧酸,即HNO3和HNO2,对应的盐也有两种,如KNO3和KNO2。
硝酸由于挥发而产生白烟,故称为发烟硝酸;浓硝酸很不稳定,见光受热易分解。硝酸中常因溶有分解出来的NO2而带有黄色或红棕色。
4HNO3=4NO2↑+O2↑+2H2O
硝酸最典型的性质是它的强氧化性。硝酸能把很多非金属元素氧化为相应的氧化物或含氧酸。例如
S+6HNO3(浓)=H2SO4 + 6NO2↑+2H2O
3C+4HNO3(浓)=3CO2↑+4NO↑+2H2O
硝酸能和金属(除Au、Pt等外)反应,产物与金属活泼性和硝酸浓度有关。浓硝酸主要被还原为NO2,稀稀硝酸常被还原为NO。当与较活泼金属作用,硝酸较稀时,可得到N2O,若硝酸很稀时,还可被还原为NH4+。例如
Cu +4HNO3(浓)=Cu(NO3)2 +2NO2↑+2H2O
3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
4Zn+10HNO3(稀)=4Zn(NO3)2+N2O↑+5H2O
4Zn+10HNO3(很稀)=4Zn(NO3)2+NH4NO3+3H2O
Au、Pt等贵金属可溶于用王水(浓硝酸和浓盐酸体积比=1:3的混合物),这是因为金属离子能形成稳定的配离子,如[AuCl4]-、[PtCl6]2-等,使Au和Pt的电极电势减小,因此在浓硝酸作用下,反应有可能向Au、Pt溶解的方向进行
Au+HNO3+ 4HCl=H[ AuCl4]+NO↑+2H2O
3Pt+4HNO3+18HCl=3H2[PtCl6]+4NO↑+8H2O
冷的浓硝酸可以使Fe、Al、Cr金属表面氧化成一层薄而致密的氧化物保护膜,使其钝化,致使金属不能再与硝酸继续作用。
硝酸与金属或金属氧化物作用可制得相应的硝酸盐。几乎所有的硝酸盐都溶于水。硝酸盐固体或水溶液在常温下都比较稳定,其水溶液没有氧化性。硝酸盐在酸性介质中是强氧化剂,在碱性介质中几乎无氧化性,但在高温时,因分解放出氧气是强氧化剂。故硝酸盐可用作炸药、火药、焰火中的氧化剂。
硝酸盐受热时分解,分解产物因金属离子性质不同而分为为三类(以金属活动顺序中的排序为准):
亚硝酸(HNO2)是弱酸,其强度略大于醋酸。亚硝酸的结构:HNO2中N以两个sp2杂化轨道分别与羟基氧和氧原子形成σ键,N和O原子之间还形成一个π键。HNO2极不稳定,只能存在于稀溶液中,溶液浓缩或加热时,就分解为NO2和NO。
2HNO2→H2O+N2O3→H2O+NO+NO2
亚硝酸盐大多是无色的,除AgNO2外,多易溶于水。在溶液中是稳定的。所有亚硝酸盐都是剧毒的。
亚硝酸盐在酸性介质中具有强氧化性,与还原剂作用时,一般被还原成NO。如
2NaNO2+2KI+2H2SO4=2NO+I2+Na2SO4+K2SO4+2H2O
另一方面,与强氧化剂作用时,又表现出还原性,它本身被氧化成硝酸盐。如
2KMnO4+5KNO2+3H2SO4=2MnSO4+5KNO3+K2SO4+3H2O
形成亚硝酸盐的阳离子金属性越强,亚硝酸盐的稳定性越高。例如:AgNO2<NaNO2。
铬的含氧酸盐
将CrO3溶于水中可以生成铬酸(H2CrO4)和重铬酸(H2Cr2O7),它们只能存在于溶液中,但它们的盐较稳定。
常见的含氧酸盐有铬酸盐(如Na2CrO4)和重铬酸盐(如K2Cr2O7)。几乎所有的铬酸盐都呈黄色,这是CrO42-的颜色。若在铬酸盐溶液中加人酸使其呈酸性,则溶液颜色从黄色变为橙色,再将所得溶液蒸发就可得到橙红色重铬酸盐结晶。溶液颜色的变化是因为溶液中存在着下列平衡
2CrO42-+2H+ ⇌ Cr2O72-+H2O
酸的加人使上述平衡向生成Cr2O72-方向移动,反之,若在重铬酸溶液中加入碱,由于OH-与H+结合成H2O,使平衡向生成CrO42-的方向移动,溶液就从橙色变成黄色。在碱性介质中,氧化数为+6的铬的酸根主要以CrO42-形式存在,而在酸性溶液中,则主要以Cr2O72-形式存在。
在碱性介质中,CrO42-的氧化性很弱,但酸性溶液中Cr2O72-是较强的氧化剂,这可以从它们的电势看出
CrO42-+2H2O+3e ⇌ CrO2-+4OH- φθ=-0.12V
Cr2O72-+14H++6e ⇌ 2Cr3++7H2O φθ=+1.33V
因此,铬的含氧酸盐作为氧化剂,应在酸性介质中进行。如
K2Cr2O7+3Na2SO3+4H2SO4=Cr2(SO4)3+3Na2SO4+K2SO4+4H2O
锰的含氧酸盐
锰的含氧酸盐中应用最广的是高锰酸钾(KMnO4),对应的酸是高锰酸(HMnO4)。高锰酸只能存在于稀溶液中,通常情况下,当浓缩溶液超过20%时,高锰酸即分解生成MnO2和O2。高锰酸是很强的酸,对应的盐KMnO4,无论在酸性介质或在碱性介质中都有较强的氧化性。在酸性介质中氧化能力更强,此时还原产物是Mn2+的盐。如
2KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4=2MnSO4+ 5Na2SO4+K2SO4+3H2O
在弱碱性、中性或微酸性介质中,还原产物是MnO2。如
2KMnO4+3Na2SO3+H2O=2MnO2+3Na2SO4+2KOH
在强碱性溶液中,还原产物是绿色的锰酸钾。如
2KMnO4+Na2SO3+2KOH=2K2MnO4+Na2SO4+H2O