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谈中学化学常见纯净物的稳定性

来源:未知作者:黄瑞 点击:所属专题: 稳定性
“稳定”一词在中学化学教材中多次出现,是教材的一个重要概念,帮助学生认识、理解和比较某些化学纯净物的稳定性是教学的一个重要内容。 在一定条件(温度、压强、环境介质等)下,物质保持原有的组成、结构不变,我们说该物质在这特定条件下是稳定的,否则是不稳定的,下面

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“稳定”一词在中学化学教材中多次出现,是教材的一个重要概念,帮助学生认识、理解和比较某些化学纯净物的稳定性是教学的一个重要内容。

在一定条件(温度、压强、环境介质等)下,物质保持原有的组成、结构不变,我们说该物质在这特定条件下是稳定的,否则是不稳定的,下面,根据中学教材内容,从两个方面来探讨影响物质稳定性的重要因素,并比较某些同类物质在相同条件下的不同的稳定性和同种物质在不同条件下的不同稳定性,以帮助学生加深对物质稳定性的辩证认识。

一、组成和结构是决定物质稳定性的内因

1.结构稳定性

教材中与结构有关的物质稳定性的比较,常见以下儿种情况:

(1)具有与惰性气体原子相似电子层结构的离子比对应的原子稳定.如Cl离子比Cl原子稳定;Na离子比Na原子稳定.

(2)气态双原子分子比单个原子稳定.如Cl2分子比Cl原子稳定·

(3)不同的双原子分子,谈中学化学常见纯净物的稳定性键能越大分子越稳定.如N2分子中叁键的键能(946KJ·mol-1)比H2分子、O2分子的键能(分别为436.IKJ·mol-1、406KJ·mol-1)都大,因而在通常状况下,N2比H2、O2都要稳定.

(4)同周期或同主族的元素的原子半径越小,其氢化物分子中共价键谈中学化学常见纯净物的稳定性键长就越短、键能越大,键越稳定,氢化物也越稳定.如HI、HBr、HCl、HF的稳定性依次增强·

(6)有机分子中,C一C单键比C=C双键或C谈中学化学常见纯净物的稳定性C叁键都稳定·

从能量的观点看问题,能量越低越稳定.比如,在H原子形成H2分子过程中要放出热量:H+H→H2+436.1KJ,这表明H2分子比H原子能量低,故H:分子比H原子稳定,

上述几种情况也都可以从能量的角度得到解释.

2.价态稳定性

(1)同种元素在同类化合物(如氧化物、酸、碱、盐)中,由于价态的不同,这些同类化合物表现出不同的稳定性,如:

①碳族元素的化合价主要有+4价和+2价.碳、硅、锗、锡的+4价化合物是稳定的,而铅的十2价化合物是稳定的.如CO2比CO稳定,PbO比PbO2稳定.+4价的Ge、Si、Ge、Pb的化合物的稳定性是:Ge>Sn>Pb,而+2价化合物的稳定性是:Ge<Sn<Pb

②卤族元素中,Cl元素的不同价态的含氧酸:HClO、HClO2、HClO3、HClO4以及它们对应的钠盐的稳定性,从左到右都依次增强;若比较相同价态的Cl的含氧酸与其对应钠盐的稳定性,那后者又强于前者.

(2)相同价态的同主族的不同元素的同类化合物,表现出不同的稳定性.如HNO3中十5价n(很不稳定),易被还原,故HNO3在反应中常表现出很强的氧化性;而H3PO4中+5价P几乎不具有氧化性,因此在通常状况下,H3PO4是很稳定的.

(3)价态稳定性实质上还是山结构所决定的,一1价氧的化合物的稳定性与化学键类型有密切关系,如对共价化合物H2O、H2O2来说,前者比后者稳定;而对离子化合物Na2O、Na2O2来说,后者比前者稳定.

二.物质的稳定性与外因有着密切的关系

1.热稳定性

一般来说,物质的稳定性随着温度的降低而增强,随着温度的升高而减弱.如在通常状况下,甲烷是很稳定的,但在隔绝空气加强热到1273K以上时,甲烷就会分解生成炭黑和氢气,又如常温下,碳酸钙不可能自发地分解为氧化钙和二氧化碳,但温度升高超过1200K时,该反应就变得自发了,或者说,碳酸钙在高温下是不稳定的.

不同物质对热的稳定性不同,比如:

(1)常温下较稳定的三种金属氧化物:HgO、CuO、Al2O3,随着温度的升高,热稳定性的差异开始显现出来.当升温达573K时,HgO已完全分解为Hg和O2;继续升温至1273K时,CuO开始缓慢分解为Cu2O和O2;而Al2O3在2273K高温下,也只熔化而不分解.

(2)常温下,H2CO3、H2SO3、HClO就是极不稳定的酸,至今还没有制得纯的这三种酸;HNO3不稳定,稍加热即分解,而H2SO4、H3PO4却是很稳定的酸,要加热到高温下分解.

(3)碱金属的氢氧化物(LiOH除外),即使在赤热时,也只挥发而不分解;而难溶的过渡元素的氢氧化物一般对热都不稳定,如混合NaOH溶液与AgNO3溶液瞬间生成的AgOH会很快脱水生成棕色的Ag2O.

(4)在含氧酸盐中,按盐是较不稳定的,钱盐中的碳按在常温下就会分解,随着温度的升高,分解加速.

中学化学常见的以下几种相同含氧酸根的盐的热稳定性是:同周期碱金属的碳酸盐>碱土金属的碳酸盐>过渡元素的碳酸盐;

常见相同金属的阳离子,不同酸根阴离子组成的含氧酸盐的热稳定性是:硫酸盐>碳酸盐>硝酸盐,碳酸盐>碳酸氢盐,碱金属的谈中学化学常见纯净物的稳定性亚硝酸盐>同种金属离子的硝酸盐.

2.介质稳定性

物质不能脱离环境而存在,地球上任何一种化学物质,总是处在一定的介质环境中,最常见的介质是空气、水,二般地说,长期存在于地壳(大气、水域、岩石、土壤)中的天然物质,如游离态的碳、氧、氮、化合态的水、二
氧化碳、二氧化硅,某些谈中学化学常见纯净物的稳定性卤化物、硫酸盐、硅酸盐、磷酸盐等都是相当稳定的.

温度是影响物质稳定性的一个重要外因,而在相同温度下,不同的介质环境对物质的稳定性也会产生不同的影响,介质稳定性探讨的是同种物质在不同的介质环境中所表现的不同的稳定性。

(1)空气

物质在空气中不能稳定存在的常见原因,是这些物质易跟空气中的氧气、或二氧化碳、或水蒸气或同时跟数者发生反应。

大多数的金属单质,特别是活泼的碱金属、碱土金属易被氧化为相应的氧化物,进而转化为碳酸盐.常温下,纯净的铁或铜在干燥的空气中很稳定,但在潮湿的空气中易生成铁锈或铜绿.

教材指出:“过氧化钠比较稳定”,这是相对于氧化钠而言,事实上,露置于空气中的所有的碱金属氧化物或谈中学化学常见纯净物的稳定性过氧化物都是不稳定的,非金属氧化物中的NO在空气中易被氧化为NO2,氢硫酸易被氧化析出硫,亚铁盐与碱溶液反应生成的Fe(OH)2,一旦与空气接触,会迅速被氧化为红褐色的Fe(OH)3.绿矾在空气中久置会逐渐转化为碱式硫酸铁,漂白粉在空气中久置失效就是因为漂白粉中的有效成份Ca(ClO)2与空气中的水蒸汽和二氧化碳作用生成不稳定的HClO,某些结晶水合物,如Na2CO3·10H2O,在干燥空气中反而不稳定,易风化失去结晶水。

(2)水

物质在水中不能存在或不能稳定存在的常见原因,是物质与水发生了如下某种反应:

①水化反应,如可溶性酸性氧化物或碱性氧化物与水反应生成相应的酸或碱.

谈中学化学常见纯净物的稳定性水合反应,如无水硫酸铜溶于水,Cu2+离子立即转化为[Cu(H2O)]2+离子·

③水解反应,如把CaC2、Mg3N2、Al2S3分别溶于水,立即水解生成三组物质:Ca(OH)2、C2H2;Mg(OH)2、NH3;Al(OH)3、H2S.

④氧化一还原反应,如往水中加入碱金属单质或通入氟气,水分别被还原与被氧化;Na2O2、NO2、Cl2等溶于水时,溶质本身发生岐化反应.

水作为常见介质还有更复杂的情况.水溶液的酸碱性对物质的稳定性也会产生不同的影响·如S2O32离子在碱性介质中能够稳定存在,而在酸性介质中很快发生岐化反应;Fe2+离子在酸性介质中比在碱性介质中稳定;溶于
水的卤素单质(F2除外)仅小部分与水反应,这些单质分子在酸性介质中较稳定,而在碱性介质中易发生岐化反应.又如极纯的H2O2在常温下是较稳定的,即使含水10%的H2O2溶液,在323K时,每小时仅0.001%分解,但无论在碱性或酸性介质中都迅速分解并呈现较强的氧化性.

(3)其它介质或条件.

上面已谈到,金属钠无论在干燥空气中或水中,都迅速被氧化,而在煤油中或其它饱和液态烃中却稳定地保存下来.以上这些都说明,物质的稳定性除了决定本身的组成和结构外,还跟所处的介质环境有着密切的关系.

此外,某些物质的稳定性还受压强、光等因素的影响,但本文就不讨论了。

(责任编辑:化学自习室)
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