C
解:A、电子层结构相同的离子,离子半径随着原子序数的增大而减小,所以其离子半径:O2->Na+>Mg2+,故A正确;
B、同周期从左到右金属失电子能力减弱,对应最高价氧化物对应水化物形成的碱的碱性减弱,碱性:Al(OH)3<Mg(OH)2<NaOH,故B正确;
C、非金属性Cl>S>P,所以热稳定性:HCl>H2S>PH3,故C错误;
D、酸性:H2SO4>H2CO3>HCO3-,对应的酸越强,则酸根离子得到质子的能力越弱,则结合质子能力:CO32->HCO3->SO42-,故D正确.
故选C.