如何比较非金属氢化物的稳定性

　　一、问题来源 　　氢化物的稳定性是试卷中经常考查的题目，通常考查同周期或同主族元素的对应氢化物的稳定性。一般规律是，同周期从左到右，对应元素的非金属性逐渐增强，氢化物的稳定性逐渐增强；同主族从上到下，对应元素的非金属性逐渐减弱，氢化物的稳定性逐渐减弱。但有时题目中会出现既不同周期也不同主族元素的氢化物稳定性的比较，这时候如何比较呢？日前笔者在为某出版社审核一份原创试卷时，就发现有这么一个题目：“H2O的稳定性比HCl的稳定性弱。”命题者认为这是正确的。 　　笔者将这个问题让全班学生进行讨论，也有很多学生认为这句话是正确的，归纳起来主要有以下几种观点：（1）看状态：常温下，H2O为液态，HCl为气态，液态的物质比气态的物质稳定性强。（2）看作用力：水分子间存在氢键或H2O的氢键数量比HCl的多，水分子间作用力更大，结构更稳定。（3）看反应条件：水是由氧气和氢气制得的，一般在点燃条件下反应，在光照时不反应；氯化氢是由氯气和氢气制得的，在点燃或混合光照的条件下都能发生反应，而且比较剧烈。反应的难易程度与生成物的稳定性有关：反应越容易，生成物越稳定。（4）看氧化性：Cl2的氧化性比O2强，其原因是Cl2只有一个共价键而O2有两个，因此Cl―Cl键更易断裂，也更易反应，所以生成的氯化氢更稳定。 　　二、问题探讨 　　对于观点（1）：我们知道，物理性质和化学性质是物质的两种不同性质，是并列的关系，不能相互影响，因此（1）是错误的。对于观点（2）：物质的物理性质和化学性质是受组成物质的作用力所影响的，有的物质中的作用力同时影响两种性质，如离子晶体中的离子键和原子晶体中的共价键；也有的物质两种性质受不同的作用力影响，如分子晶体中的分子间作用力影响物理性质，分子内的共价键影响化学性质。水在固态时属于分子晶体，水分子间存在氢键，氢键主要影响物质的溶解性、熔沸点、物质的状态等物理性质，而物质的稳定性是化学性质，由水中的共价键所影响，氢键不可能影响化学性质，因此（2）是错误的。（1）与（2）错误的原因是混淆了基本概念之间的关系。 　　对于观点（3）：在中学化学中，通常认为非金属单质与氢气反应越容易，则生成的氢化物越稳定，这可能是命题者和很多学生易犯的错误。我们知道，任何规律都会存在着特殊情况，这里也不例外。对于观点（4）：Cl2只有一个共价键，其Cl―Cl的键能为242.7kJ・mol-1，O2中的O=O化学键的键能为496 kJ・mol-1。键能越大，化学键越牢固，形成的分子越稳定，因此Cl2更易与H2发生反应。观点（3）和（4）中，都是根据比较得出氧气的氧化性比氯气弱，从而确定H2O的稳定性比HCl弱。其实，氢化物的稳定性应与非金属性有关，而非金属性与非金属单质的氧化性有所不同，因而这两种比较实际上是混淆了非金属性与非金属单质的氧化性之间的关系。 　　那么非金属性与非金属单质的氧化性有什么区别与联系呢？ 　　非金属性是指元素的原子获得电子的能力的强弱，通常用元素的电负性来衡量。电负性表示的是元素的原子吸引电子能力的相对强弱，它的大小可以比较准确地反应出元素非金属性的强弱。一般来说，电负性越大，元素的非金属性越强。非金属性的主体是元素的原子，它的强弱只与原子结构（如核电荷数、核外电子层数、外层电子数、原子半径等）有关，而与外界因素无关。 　　非金属单质的氧化性是指非金属单质在化学反应中的反应能力的大小。非金属单质氧化性的主体是非金属单质，它不仅与原子结构有关，还受非金属单质的组成、状态，以及浓度、温度、压强等其他条件的影响。 　　非金属性与非金属单质的氧化性之间有着明显的差异，它们分别指原子的性质和单质的性质。如我们通常认为可由单质与氢气化合的难易程度来判断非金属性的强弱：化合越容易，非金属性越强。其实根据这个反应事实，得到的应该是非金属单质的氧化性的强弱，而不是非金属性的强弱。 　　那么，氢化物的稳定性可以从什么角度进行比较呢？ 　　三、问题解决 　　稳定性主要是指热稳定性。对热是否稳定，其实质就是非金属元素原子和氢原子之间产生的化学键强弱的问题，化学键越强，键能越大，越不容易断开，就越难分解，稳定性就越强。而对于气态氢化物来讲，化学键的强弱也与元素的非金属性强弱有关，通常来讲，电负性越大，非金属性越强，与氢结合就越牢固，氢化物就越稳定。因此，我们可以从电负性角度和键能角度进行比较。 　　（1）电负性：氢的电负性是2.20，氧的电负性是3.44，氯的电负性是3.16，氧的电负性比氯大，说明氧的非金属性比氯强。另外，构成分子的两种电负性相差越大，分子越稳定。根据电负性相差的大小，显然水中两种元素的电负性相差较大，所以水比氯化氢稳定。 　　（2）键能角度：我们知道，O原子的半径比Cl原子小，故O―H键的键长比Cl―H键小，键长越小，键能越大，则O―H键的键能比Cl―H的键能大。查阅资料可知，水分子中O―H键的键能为468kJ・mol-1，而Cl―H键的键能为430 kJ・mol-1，O―H键的键能大于Cl―H键的键能，故O―H比Cl―H更难断裂，也即水更难分解，水的稳定性就更高。事实也是如此：水在约1470℃分解1.1%，而氯化氢在1120℃分解约1.7%。 　　那么，是不是所有非金属元素的氢化物的稳定性都可以用电负性和键能来比较呢？ 　　答案是否定的。 　　我们知道，氮是非金属性很强的元素，电负性为3.04，而碳的非金属性没有氮强，只有2.55（均为鲍林数据），氮明显比碳强。按电负性规律应该是氨气比甲烷稳定，但事实却是相反的。经过实验，甲烷在1000℃才会发生分解，1200℃大量分解；氨气在500℃以上会发生少量分解，700℃以上明显分解，800℃大量分解。 　　这是为什么呢？这跟它们的分子结构有关。 　　因为甲烷分子是稳定的正四面体结构：一个C以sp3杂化位于正四面体中心，4个H位于正四面体的4个顶点上，这就导致甲烷分子中C―H键不容易断裂，结果就是甲烷化学性质比较稳定，热稳定性也很高。 　　事实上C―H键的键能也大于N―H键的键能，前者为413 kJ・mol-1，后者为391 kJ・mol-1。氨分子的空间结构是三角锥形，三个氢原子处于锥底，氮原子处在锥顶，稳定性弱于甲烷分子的正四面体结构。 　　综上所述，氢化物的稳定性跟非金属元素的非金属性的强弱、电负性的高低，有着密切的关系；同时也跟化合物的分子结构有关。因此比较氢化物的稳定性的方法主要有： 　　（1）键能：键能越大，氢化物越稳定。用氢化物中原子间的键能大小来比较氢化物的稳定性是比较合适的方法，但是键能的数值一般不容易记住，因此可通过键长的大小来进行比较，同时再要看一下分子的结构，这样就不容易错了。 　　（2）非金属性：非金属性越强，氢化物越稳定。在中学化学中，一般只考查一些常见氢化物的稳定性，通常可用非金属性来比较。从元素周期表中的递变规律也可以看出，元素的非金属性与其氢化物的稳定性基本一致，而元素的非金属性与其单质的氧化性也基本一致，因此，在中学阶段，通常用非金属单质的氧化性的大小来判断氢化物的稳定性是可以的。但是任何事情都有例外，非金属单质的氧化性与非金属性也有不一致的情况，如氧的非金属性比氯强，但氧气的氧化性比氯气弱，因此对于H2O与HCl是不能用非金属单质的氧化性强弱来比较它们的稳定性的。教师在命题时一定要注意舍弃特殊情况，命制一些没有异议的试题。