§ 48. Водородные соединения неметаллов

Определения и обозначения

Водородное соединение неметалла — бинарное соединение, состоящее из водорода и неметалла. Его формула связана с положением неметалла в периодической системе и типичными валентными возможностями: например, хлор образует HCl, а сера — H₂S. Это помогает предсказывать состав соединения по элементу.

Летучее водородное соединение — молекулярное соединение водорода с неметаллом, способное переходить в газообразное состояние. К таким веществам относятся HCl, H₂S и NH₃; некоторые из них при обычных условиях являются газами, а HF — жидкость, легко переходящая в пар. Понятие летучести позволяет описывать агрегатное состояние и переход вещества в пар.

Электронная пара связи — пара электронов, общая для двух атомов в ковалентной связи. Если один атом сильнее притягивает эту пару, распределение электронов становится неравномерным и связь — полярной. По смещению электронной пары можно понять, где возникают частичные заряды.

Водородная связь — взаимодействие атома водорода одной молекулы с электроотрицательным атомом другой молекулы, обычно кислородом, азотом или фтором. Она усиливает притяжение между молекулами и влияет на температуры кипения и плавления. Поэтому физические свойства вещества не всегда объясняются только массой его молекул.

Как это устроено

Формула водородного соединения определяется тем, сколько связей обычно образует атом неметалла, чтобы получить устойчивую электронную оболочку. У галогенов семь электронов на внешнем уровне, поэтому им достаточно одной связи с водородом: получается HX. У кислорода, серы и селена обычно две связи, поэтому формулы имеют вид H₂E; азот и фосфор образуют три связи с водородом, как в NH₃ и PH₃. Это закономерность для распространённых соединений, а не правило, исключающее другие вещества.

Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает электронную пару. В полярной связи электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому: на нём появляется частичный отрицательный заряд, а на водороде — частичный положительный. Направление и степень смещения зависят от пары атомов, поэтому связи H–F и H–I имеют разную полярность. Полярность отдельной связи также не всегда означает, что вся молекула полярна: нужно учитывать её форму.

При движении вниз по группе атомы неметалла становятся крупнее. Связь с водородом удлиняется, перекрывание электронных оболочек ослабевает, а разорвать связь становится легче. Поэтому термическая устойчивость ряда HCl–HBr–HI уменьшается в указанном направлении; так же ведёт себя ряд H₂O–H₂S–H₂Se. Термическая устойчивость характеризует способность вещества сохраняться при нагревании, а не его растворимость или кислотность.

Физические свойства молекулярных веществ зависят от притяжения между их молекулами. Полярность способствует взаимодействию с полярной водой и часто повышает растворимость, но важны также строение частиц и химические процессы в растворе. Особенно сильное влияние оказывает водородная связь: молекулы воды притягиваются друг к другу, поэтому для их разделения при кипении требуется много энергии. Следовательно, температуры кипения нельзя объяснять одной молярной массой.

Попадая в воду, одни водородные соединения передают протон молекулам воды и образуют кислую среду, а другие принимают протон и дают основную среду. HCl, HBr и HI в воде проявляют сильные кислотные свойства, HF — более слабые; H₂S — слабая кислота, а NH₃ ведёт себя как основание. Различия связаны с прочностью связей и устойчивостью частиц, образующихся в растворе. Поэтому принадлежность веществ к одному ряду не означает одинаковой силы их кислотных или основных свойств.

Сравнение водородных соединений неметаллов

Сначала сравнивайте вещества внутри одного ряда: так заметнее влияние положения элемента в группе. Затем сопоставляйте строение и межмолекулярные взаимодействия — они помогают объяснить исключения в температурах кипения. Растворимость и свойства раствора рассматривайте отдельно от термической устойчивости.

Разбор задач

1. Определите формулы водородных соединений хлора, серы и азота, используя положение элементов в периодической системе.

Решение. Нужно определить группу каждого элемента и число типичных связей с водородом. В простых водородных соединениях хлор образует одну связь, сера — две, азот — три.

1. Хлор находится в группе галогенов и имеет семь электронов на внешнем уровне. Ему не хватает одного электрона до устойчивой оболочки, поэтому формула соединения с водородом — HCl.
2. Сера относится к халькогенам и обычно образует две ковалентные связи. С двумя атомами водорода получается формула H₂S.
3. Азот обычно образует три связи с водородом. Поэтому формула его водородного соединения — NH₃.

Ответ: хлор — HCl, сера — H₂S, азот — NH₃. Проверка: число атомов водорода согласуется с типичной валентностью каждого неметалла в этих соединениях.

2. Расположите HCl, HBr и HI по возрастанию термической устойчивости и объясните выбранный порядок.

Решение. Все три вещества относятся к одной группе соединений, поэтому сравниваем прочность связей H–Cl, H–Br и H–I. При переходе от хлора к брому и далее к иоду радиус атома увеличивается, связь с водородом становится длиннее и слабее. Для разрыва более слабой связи нужно меньше энергии, поэтому соответствующее соединение менее устойчиво к нагреванию.

1. H–I — самая слабая связь в ряду, значит, HI имеет наименьшую термическую устойчивость.
2. Связь H–Br прочнее H–I, поэтому HBr устойчивее HI.
3. Связь H–Cl наиболее прочна из трёх, поэтому HCl наиболее устойчив.

Ответ: HI < HBr < HCl. Знак «<» здесь показывает возрастание термической устойчивости, а не порядок кислотной силы в воде.

3. Сравните H₂O и H₂S по температуре кипения и растворимости в воде; объясните, почему свойства отличаются сильнее, чем можно ожидать только по молярной массе.

Решение. Если учитывать только молярную массу, можно ожидать, что более тяжёлый H₂S будет кипеть при более высокой температуре. Однако температура кипения определяется ещё и силой притяжения между молекулами. У воды есть особое межмолекулярное взаимодействие — водородные связи.

1. Молекулы H₂O образуют друг с другом водородные связи. Чтобы превратить воду в пар, нужно преодолеть это дополнительное притяжение, поэтому вода кипит при гораздо более высокой температуре, чем H₂S.
2. H₂S растворяется в воде, но растворимость ограничена и не объясняется одной лишь полярностью. Вода хорошо взаимодействует с полярными веществами, однако H₂S не образует с ней такой сети водородных связей, как молекулы воды друг с другом.
3. Растворённый H₂S частично проявляет кислотные свойства. Этот факт относится к поведению вещества в растворе и сам по себе не определяет температуру его кипения.

Ответ: температура кипения H₂O значительно выше, чем у H₂S, главным образом из-за водородных связей между молекулами воды. H₂S растворяется в воде, но его растворимость и взаимодействие с водой отличаются от поведения самой воды.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все водородные соединения неметаллов имеют одинаковый тип связи. Так думают, если запоминают только общую формулу «неметалл плюс водород», не сравнивая электроотрицательности. Между тем полярность связей H–F и H–I различна, а у некоторых связей смещение электронов невелико. Проверяйте себя: определите, какой атом сильнее притягивает общую электронную пару.

Ошибка: объяснять температуру кипения только молярной массой. Этот подход кажется удобным, потому что с ростом массы часто усиливаются межмолекулярные взаимодействия. Но водородные связи способны заметно изменить закономерность, как показывает вода. Проверяйте объяснение: учитывайте не только массу молекул, но и строение вещества, полярность и возможные межмолекулярные связи.

Ошибка: переносить кислотные свойства одного соединения на весь ряд. Её допускают, когда судят о веществах только по формуле или по одному знакомому примеру. Но HF — слабая кислота, тогда как HCl, HBr и HI в воде — сильные; H₂S тоже является слабой кислотой. Проверяйте себя: сравнивайте каждое вещество отдельно и уточняйте, идёт ли речь о водном растворе.

Ошибка: путать термическую устойчивость с растворимостью или кислотностью. Эти свойства могут меняться по-разному, потому что зависят от разных процессов и факторов. Например, прочность связи влияет на разложение при нагревании, а растворимость связана с взаимодействием вещества с растворителем. Проверяйте вывод: уточните, какое именно свойство сравниваете и каким строением или процессом оно объясняется.

Связь с другими темами

Для изучения водородных соединений нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях и положении неметаллов в периодической системе: они помогают предсказывать формулы и типичные валентности. Также важно уметь распознавать ковалентную связь и оценивать её полярность по электроотрицательности атомов. Эти знания пригодятся при изучении кислот и оснований, свойств водных растворов и закономерностей изменения свойств элементов в группах. Новые свойства веществ можно объяснять через связь строения молекул с их поведением.

Что запомнить

• Состав водородного соединения связан с положением неметалла в периодической системе.
• Полярность связи зависит от различия электроотрицательностей атомов.
• Вниз по группе прочность связи неметалла с водородом обычно уменьшается.
• Термическая устойчивость соединений в ряду часто снижается вниз по группе.
• Свойства раствора водородного соединения нельзя определять только по его формуле.
• Водородные связи могут заметно влиять на физические свойства вещества.