鹵素含氧酸(Halogen Oxyacids)

鹵素含氧酸(Halogen Oxyacids)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

鹵素含氧酸(Halogen Oxyacids)，是指除了氟以外的鹵素元素和 氧以不同比例形成的含氧酸，表一為所有目前已知鹵素含氧酸。相對於鹵素含氧酸，不含氧但含鹵素的酸類，則稱作氫鹵素含氧酸(hydrohalic acids)，例如氫氟酸(HF)、氫氯酸(HCl)、氫溴酸(HBr)和氫碘酸(HI)。鹵素含氧酸與氫鹵素含氧酸都是單質子酸，在水中會解離出氫離 子。

表一

氫鹵酸當中的鹵素，其氧化數是-1，溶於水中為酸，氣態化合物則稱作鹵化氫。反之，鹵素含氧酸當中的鹵素，根據與其化合之氧的數目增加，氧化數由+1、+3、+5到最高+7價。鹵素含氧酸依照所含的氧的數目，由1到4我們可以依序稱為次鹵酸(hypohalous acid，HXO)、亞鹵酸(halous acid，HOXO)、鹵酸(halic acid，HOXO₂)、過鹵酸(hyperhalic acid，HOXO₃)。而其中的氧，氧化數都是-2。因為鹵素含氧酸的鹵素的氧化數為正，可以透過鹵素的還原，來氧化許多的物質，故鹵素含氧酸都具有強氧化性。

由於氟原子很小，對電子束縛力極大，且有最高電負度，只能接收一個電子變成F^–，唯一氧化數為-1，故不能和其他鹵素元素一樣出現其他的價數。所以次氟酸、氟酸等其他的含氧氟酸不存在。雖然有HOF的存在，但是F的氧化數應該還是-1。

次鹵酸(Hypohalous acid, HOX)可以透過將鹵素(X₂)通入水中，行自身氧化還原(Disproportionation)而得 （式一）。然而次碘酸則必須在碘水當中，加入氧化汞反應才能得到。次鹵素含氧酸與其鹽類一般而言不太穩定，它們還會再進行自身氧化還原，形成氫鹵酸以及鹵酸(Halic acid, HOClO₂)（式二）。它們的強氧化力，是可以拿來做為消毒的好工具；然而，次碘酸根相當不穩定，在水中會迅速自身氧化還原，因此無法作為消毒水。所以常用的還是次氯酸與次溴酸鹽。

X₂ + H₂O → HX + HOX         （式一）
3 HClO → 2 HCl + HOClO₂ （式二）

亞鹵酸(Halous acid, HOXO)則較次鹵素含氧酸更不穩定一些。不過當亞氯酸與鹼反應，形成亞氯酸鹽之後，則有較高的穩定度。而亞溴酸則無法穩定存在，僅見於反應的中間體。亞 碘酸則更為罕見。亞鹵酸一般而言同樣會進行自身氧化還原，形成次鹵酸與鹵酸（式三）。

2 HOXO → HOX + HOXO₂ （式三）

鹵酸(Halic acid, HOXO₂)，相較於次鹵酸、亞鹵酸而言，穩定性高出許多。除了氯酸在超過30%的濃溶液或較高溫 時較不穩定之外，如碘酸，甚至可以穩定以晶體形式存在。氯酸在高濃度時加熱，可以自身氧化還原產生過氯酸和氯氣及氧氣（式四）。溴酸與碘酸則因為較穩定， 因此不太容易發生這類反應。相較於次鹵素含氧酸、亞鹵素含氧酸為弱酸，鹵酸皆屬於強酸，如氯酸其pK_a已經達到約-1左右。

8 HOClO₂ → 4 HOClO₃ + 2 H₂O + 2 Cl₂ + 3 O₂ （式四）

過鹵酸在鹵素含氧酸中具有最強的氧化力，因此與一些可以被氧化的物質混合或者是加熱時有爆炸的危險。過溴酸穩定度低，容易分解成溴酸與氧氣，不能透過溴酸加熱或是置換鹵素而得到。常見的方法，是用二氟化氙或氟氣來氧化溴酸。

參考資料：
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; pp. 918-919.
2. WIKIPEDIA—Hypochlorous acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Hypochlorous_acid
3. WIKIPEDIA—Chlorous acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorous_acid
4. WIKIPEDIA—Chloric acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Chloric_acid
5. WIKIPEDIA—Perchloric acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Perchloric_acid
6. WIKIPEDIA—Hypobromous acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Hypobromous_acid
7. WIKIPEDIA—Bromous acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Bromous_acid
8. WIKIPEDIA—Bromic acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Bromic_acid
9. WIKIPEDIA—Perbromic acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Perbromic_acid
10. WIKIPEDIA—Hypoiodous acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Hypoiodous_acid
11. WIKIPEDIA—Iodic acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Iodic_acid
12. WIKIPEDIA—Periodic acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_acid