§ 28. Бинарные водородные соединения

Определения и обозначения

Бинарные водородные соединения — вещества, состоящие из водорода и ровно одного другого химического элемента. Слово «бинарный» указывает на два элемента, а не на два атома: например, NH₃ содержит четыре атома, но только азот и водород. Это определение помогает не спутать такие вещества с соединениями, в которых есть ещё один элемент, например NaOH.

Гидрид — бинарное соединение водорода с другим элементом. Состав гидридов меняется в зависимости от природы этого элемента: формулы NaH и H₂S показывают разные соотношения атомов. Термин объединяет вещества по составу, но сам по себе не означает, что у них одинаковые связи и свойства.

Ионные гидриды — соединения водорода с активными металлами, в которых водород представлен отрицательным ионом H⁻. Вещество состоит из положительных ионов металла и гидрид-ионов, упорядоченных в твёрдой кристаллической структуре. Такое представление нужно, чтобы объяснить формулы и реакционную способность гидридов, например NaH.

Ковалентные гидриды — соединения водорода с неметаллами, атомы которых связаны общими электронными парами. К ним относятся HCl, NH₃, CH₄ и H₂S; многие из них состоят из отдельных молекул. Молекулярное строение помогает понять, почему эти вещества могут быть газами или жидкостями и почему их свойства не похожи на свойства ионных кристаллов.

Как это устроено

Тип связи зависит от того, насколько сильно атомы притягивают электроны и насколько охотно отдают или принимают их. Активные металлы расположены в левой части периодической системы и сравнительно легко отдают электроны, а водород в соединении с ними принимает электрон. Между частицами возникают электростатические силы, поэтому для таких соединений характерна ионная связь. Неметаллы сильнее удерживают электроны, поэтому с водородом обычно образуют общие электронные пары — ковалентные связи.

В активном металле электроны внешнего слоя удерживаются слабее, чем в атоме водорода, поэтому передача электрона приводит к образованию катиона металла и H⁻. Так устроены, например, NaH и CaH₂. У неметаллов электронная передача обычно невыгодна: атомам проще совместно использовать электроны, образуя молекулы. Поэтому водород с хлором образует HCl с ковалентной связью, а не соль из H⁻ и Cl⁺.

Индексы в формуле отражают соотношение атомов, которое обеспечивает выполнение валентности или нейтральность вещества. В NaH заряды Na⁺ и H⁻ компенсируются один к одному, а в CaH₂ одному Ca²⁺ соответствуют два H⁻. В ковалентном H₂S атом серы образует две связи с водородом, поэтому на один атом серы приходится два атома водорода. В соединении HCl соотношение равно 1:1.

Разные состав и строение приводят к различиям в агрегатном состоянии, растворимости и химической активности. Ионные гидриды образуют кристаллы; многие ковалентные гидриды состоят из молекул и при обычных условиях являются газами, хотя встречаются и жидкости, например вода. Растворимость зависит от того, насколько хорошо частицы вещества взаимодействуют с водой. Химическое поведение тоже различается: NaH реагирует с водой с выделением водорода, тогда как раствор HCl проявляет кислотные свойства.

Чтобы определить тип соединения и назвать его, сначала проверьте, какие элементы записаны в формуле, затем установите, металл это или неметалл, и оцените соотношение атомов. Формулы можно читать как указание на состав: NaH — гидрид натрия, HCl — хлороводород, H₂S — сероводород. Для некоторых соединений закрепились традиционные названия: NH₃ называют аммиаком, а CH₄ — метаном. Название не заменяет проверку формулы и строения: одного наличия водорода недостаточно, чтобы считать вещество ионным гидридом.

Основные типы бинарных водородных соединений

Сравнивайте вещества по строкам: сначала установите тип связи и частиц, а затем связывайте их с физическими и химическими свойствами. Таблица показывает типичные характеристики, но не означает, что все ковалентные соединения имеют одно и то же агрегатное состояние или одинаковую растворимость. Для конкретного вещества учитывайте его состав и строение.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из формул NaH, HCl, MgO и NH₃ относятся к бинарным водородным соединениям. Нужно проверить не просто наличие водорода, а число различных химических элементов в каждой формуле. Это позволяет исключить вещества, которые не содержат водорода или включают больше двух элементов.

1. NaH содержит натрий и водород — два элемента.
2. HCl содержит водород и хлор — два элемента; NH₃ содержит азот и водород — тоже два.
3. MgO содержит магний и кислород, но водорода в формуле нет.

Ответ: NaH, HCl и NH₃ — бинарные водородные соединения. MgO к ним не относится, потому что водорода в его составе нет.

Задача 2. Составьте формулы бинарных соединений водорода с натрием, кальцием и хлором. Для натрия и кальция используйте типичные заряды ионов, а для хлора — соотношение атомов в ковалентном соединении. Сначала определите, металл перед вами или неметалл, затем проверьте нейтральность формулы.

1. Натрий образует Na⁺, а в гидриде водород — H⁻; заряды уравновешены в соотношении 1:1, значит, формула NaH.
2. Кальций образует Ca²⁺; для компенсации заряда нужны два H⁻, поэтому формула CaH₂.
3. Хлор с водородом образует ковалентное соединение с соотношением атомов 1:1, формула HCl.

Ответ: гидрид натрия — NaH, гидрид кальция — CaH₂, хлороводород — HCl. Индексы получены из зарядов или соотношения атомов, а не перенесены механически из названий.

Задача 3. Сравните NaH и HCl по типу связи, частицам, физическим свойствам и взаимодействию с водой. По положению элементов можно предположить, что натрий отдаёт электрон, а хлор связывает электронную пару с водородом. Затем нужно связать предполагаемое строение с наблюдаемыми свойствами и проверить уравнение реакции.

1. NaH — ионный гидрид: кристалл содержит Na⁺ и H⁻; HCl — молекулярное вещество с ковалентной связью.
2. NaH — твёрдое кристаллическое вещество. Хлороводород при обычных условиях — газ, хорошо растворимый в воде.
3. Гидрид натрия реагирует с водой: NaH + H₂O → NaOH + H₂↑. HCl растворяется в воде с образованием кислого раствора; условно процесс можно записать HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻.

Ответ: различия в свойствах связаны с ионным строением NaH и молекулярным строением HCl. В уравнении реакции NaH с водой число атомов каждого элемента и суммарный заряд сбалансированы; при растворении HCl образуются ионы, характерные для кислой среды.

Типичные ошибки

Считать бинарным любое вещество с водородом. Так можно по ошибке отнести к бинарным NaOH, хотя в нём три элемента: натрий, кислород и водород. Ошибка возникает, когда проверяют лишь наличие H, а не полный состав. Проверьте число разных химических символов: их должно быть ровно два.

Путать степень окисления водорода. В гидридах активных металлов водород обычно имеет −1, а с большинством неметаллов — +1. Путаница появляется из-за привычки считать водород всегда положительным. Определяйте степень окисления по типу соединения и проверяйте, что сумма степеней окисления в нейтральной формуле равна нулю.

Механически переносить индексы из названия. Название не сообщает напрямую, какой индекс нужно поставить: формулу определяют по зарядам или валентности. Из-за этого можно получить состав, который не соответствует нейтральности вещества. Запишите заряды частиц, подберите наименьшее соотношение и проверьте итоговый баланс.

Считать все бинарные соединения водорода ионными гидридами. Этот вывод неверен для соединений с неметаллами, например HCl и NH₃, где связи ковалентные. Ошибка возникает, когда словом «гидрид» называют любой состав с водородом и не учитывают второй элемент. Установите положение элемента в периодической системе и определите, металл он или неметалл.

Связь с другими темами

Для понимания темы понадобятся знания о строении атома, периодическом законе, электроотрицательности, валентности и степенях окисления. С их помощью можно объяснить, почему металл отдаёт электрон, как неметалл связывается с водородом и откуда берутся индексы в формулах. Эти же знания позволяют проверять состав и предсказывать тип связи.

Тема пригодится при изучении кислот, оснований, окислительно-восстановительных реакций и свойств соединений элементов главных подгрупп. Например, реакция гидрида с водой связана с образованием водорода, а водный раствор HCl проявляет кислотные свойства. Сравнение соединений показывает, как состав и строение влияют на химическое поведение.

Что запомнить

• Бинарное соединение содержит атомы ровно двух химических элементов.
• Свойства соединений водорода зависят от природы второго элемента и типа химической связи.
• В гидридах активных металлов водород обычно имеет степень окисления −1.
• В соединениях водорода с большинством неметаллов водород обычно имеет степень окисления +1.
• Формулу соединения составляют с учётом соотношения атомов, а не только по названию.
• Одинаковое наличие водорода в составе не означает одинакового строения и свойств веществ.