"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Водородные соединения неметаллов — вещества, в молекулах которых атомы водорода связаны с атомами неметаллов. По положению элемента в периодической системе можно предсказать формулу такого соединения, а по прочности связи с водородом — понять, насколько оно устойчиво при нагревании. Свойства водных растворов различаются: одни гидриды проявляют кислотный характер, другие — основной. Водородные связи объясняют необычно высокие температуры кипения воды, аммиака и фтороводорода.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водородные соединения неметаллов — бинарные соединения, состоящие из водорода и неметалла. К ним относятся, например, CH₄, NH₃, H₂O и HCl; по составу и свойствам их удобно сравнивать с учётом группы элемента. Часть таких веществ существует в виде молекул и называется летучими водородными соединениями.
Летучие водородные соединения — молекулярные соединения водорода с неметаллами, способные переходить в газообразное состояние. К ним относятся метан CH₄, аммиак NH₃ и хлороводород HCl. Термин помогает отличать такие вещества от твёрдых ионных гидридов, характерных для многих металлов.
Водородная связь — межмолекулярное притяжение, возникающее, в частности, между молекулами HF, H₂O и NH₃. Она образуется не вместо ковалентной связи внутри молекулы, а между соседними молекулами. Это притяжение влияет на физические свойства: для разделения молекул при кипении требуется больше энергии.
Кислотные свойства водородных соединений — способность некоторых из них отдавать протон H⁺ в водном растворе. Например, HCl передаёт протон воде, а NH₃, наоборот, присоединяет его и проявляет основные свойства. Сравнение галогеноводородов показывает, как кислотность зависит от прочности связи водорода с неметаллом.
Водород с неметаллами обычно образует ковалентную связь: атомы используют общую электронную пару. Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает общие электроны. Если неметалл электроотрицательнее водорода, электронная плотность смещена к нему; в таких соединениях водород часто имеет степень окисления +1, а неметалл — отрицательную. Распределение электронной плотности помогает понять полярность связи и поведение молекул в реакциях.
Типичная формула зависит от числа связей, которое атом неметалла способен образовать с водородом, и от строения его внешнего электронного слоя. В элементах 14-й группы обычно четыре связи, поэтому формула гидрида имеет вид RH₄; для 15-й группы характерно RH₃, для 16-й — H₂R, для галогенов — HR. Например, углерод образует CH₄, фосфор — PH₃, сера — H₂S, хлор — HCl. Эти формулы — закономерность для типичных соединений, а не утверждение, что другие соединения элемента невозможны.
При движении вниз по группе атомный радиус увеличивается. Связь с водородом становится длиннее и в общем случае слабее, поэтому на её разрыв требуется меньше энергии и термическая устойчивость гидрида снижается. Так, устойчивость галогеноводородов убывает от HF к HI; сходная тенденция наблюдается у гидридов элементов 16-й группы от H₂O к H₂Te. Это изменение важно учитывать при сравнении поведения веществ при нагревании.
В водном растворе гидриды ведут себя по-разному, потому что их молекулы по-разному взаимодействуют с водой. HCl передаёт воде протон и образует ионы H₃O⁺ и Cl⁻, поэтому раствор имеет кислотные свойства. NH₃ присоединяет протон с образованием NH₄⁺, поэтому проявляет основные свойства. Вода способна и отдавать, и присоединять протон, то есть проявлять как кислотные, так и основные свойства.
Молекулы HF, H₂O и NH₃ притягиваются друг к другу водородными связями. Эти взаимодействия нужно преодолеть, чтобы молекулы покинули жидкость и перешли в газ, поэтому на кипение требуется больше энергии. В результате температуры кипения этих веществ выше, чем можно было бы ожидать при сравнении с соседними гидридами по молекулярной массе. Например, вода кипит при более высокой температуре, чем H₂S, хотя её молекулярная масса меньше.
| Соединение | Элемент группы | Типичная формула | Свойства водного раствора | Особенность |
|---|---|---|---|---|
| CH₄ и другие гидриды элементов 14-й группы | 14-я группа | RH₄ | Для CH₄ кислотные и основные свойства нехарактерны | Углерод образует четыре связи с водородом |
| NH₃ и другие гидриды элементов 15-й группы | 15-я группа | RH₃ | NH₃ проявляет основные свойства | Молекула аммиака принимает протон |
| H₂O и другие гидриды элементов 16-й группы | 16-я группа | H₂R | Вода может проявлять кислотные и основные свойства | Между молекулами воды образуются водородные связи |
| HF, HCl, HBr, HI | 17-я группа, галогены | HR | Водные растворы проявляют кислотные свойства; от HF к HI кислотность усиливается | Связь H–X ослабевает вниз по группе |
| Изменение термической устойчивости в группе | Группы неметаллов | Сравнивают гидриды вида RHₙ | Не определяет само по себе кислотность раствора | У многих гидридов вниз по группе устойчивость уменьшается |
| Водородные связи и их влияние на температуры кипения | Элементы, образующие HF, H₂O и NH₃ | HF, H₂O, NH₃ | Не является характеристикой кислотности раствора | Межмолекулярное притяжение повышает температуру кипения |
Сначала определите группу неметалла и по типичной формуле сравните состав его гидрида. Затем отдельно рассматривайте свойства раствора и устойчивость при нагревании: это разные характеристики. Последние две строки показывают общие закономерности, а не формулы отдельных веществ.
Условие: используя положение элементов в периодической системе, найдите формулы их типичных водородных соединений. Нужно установить группу каждого неметалла и связать её с характерной валентностью в гидриде. Обозначение R в формулах RH₃, H₂R и HR заменяют символом нужного элемента.
Ответ: PH₃, H₂S и HCl. Проверка проста: в каждой формуле число атомов водорода соответствует типичной валентности неметалла в соединении. Для фосфора это три, для серы — два, для хлора — один.
Условие: сравните кислотные свойства трёх галогеноводородов в водном растворе. Сравнивать нужно прочность связи H–X, потому что кислота проявляет свойства, отдавая протон. В этом ряду размер атома галогена увеличивается от хлора к йоду.
Ответ: HCl < HBr < HI. Не следует выводить кислотность из одной только электроотрицательности: при сравнении галогеноводородов важна ослабевающая вниз по группе связь H–X. В воде HF является исключением по сравнению с остальными галогеноводородами и проявляет более слабые кислотные свойства.
Условие: объясните, почему вода кипит при более высокой температуре, чем сероводород, хотя молекулярная масса H₂O меньше. Простое сравнение масс здесь не даёт ответа, поскольку температура кипения зависит также от притяжения между молекулами. Нужно установить, какие межмолекулярные силы действуют в каждой жидкости.
Ответ: температура кипения H₂O выше, чем H₂S, прежде всего из-за водородных связей. Молекулярная масса не является единственным фактором, который определяет температуру кипения. При сравнении веществ учитывают и силы взаимодействия между их молекулами.
Ошибка: считать все водородные соединения неметаллов кислотами. Её допускают, потому что многие знакомые примеры — HCl и другие галогеноводороды — действительно дают кислые растворы. Проверяйте, отдаёт ли частица протон: NH₃ принимает его и проявляет основные свойства, а свойства воды зависят от партнёра по реакции.
Ошибка: переносить закономерность изменения кислотности на термическую устойчивость. Эти свойства сравнивают по разным признакам: кислотность связана с отдачей протона в воде, а устойчивость — с тем, насколько легко разрушается гидрид при нагревании. Чтобы проверить вывод, уточните, о каком именно свойстве идёт речь, и сравнивайте соответствующую группу веществ.
Ошибка: объяснять высокую температуру кипения воды только её молекулярной массой. Такое объяснение не учитывает притяжение между молекулами и не объясняет, почему H₂O кипит при более высокой температуре, чем более тяжёлый H₂S. Проверьте, могут ли молекулы образовать водородные связи: в воде они существенно влияют на переход в газ.
Ошибка: считать, что кислотность галогеноводородов растёт вместе с прочностью связи H–X. Вероятно, здесь смешивают прочность химической связи с силой кислоты, хотя сильная связь затрудняет отдачу протона. Сравните размеры атомов и прочность связи: вниз по группе связь ослабевает, а кислотные свойства в воде усиливаются от HF к HI.
Для понимания формул гидридов нужны знания о строении атома, внешнем электронном слое и валентности. Электроотрицательность помогает объяснять смещение электронной плотности в ковалентной связи. Тема продолжает изучение химической связи: водородная связь показывает, как взаимодействуют уже сформированные молекулы. Эти знания пригодятся при изучении кислот и оснований, а также свойств неметаллов и их соединений.
Почему водород с одними неметаллами образует формулу RH₃, а с другими — H₂R?
Формула зависит от типичной валентности неметалла, то есть числа связей, которые он образует в соединении. Элементы 15-й группы обычно образуют три связи с водородом (RH₃), а элементы 16-й группы — две (H₂R).
Почему аммиак проявляет основные свойства, а хлороводород — кислотные?
Молекула NH₃ может присоединить протон H⁺: при этом образуется ион NH₄⁺, поэтому аммиак проявляет основные свойства. HCl в воде передаёт протон молекуле воды, образуя ионы H₃O⁺ и Cl⁻, что обусловливает кислотные свойства раствора.
Почему кислотные свойства галогеноводородов усиливаются от HF к HI?
При движении от фтора к йоду атомы галогенов становятся крупнее, а связь H–X — длиннее и слабее. Поэтому молекуле легче отдать протон; в водном растворе кислотные свойства усиливаются в ряду HF, HCl, HBr, HI.
Почему вода кипит при более высокой температуре, чем можно ожидать по её молекулярной массе?
Молекулы воды притягиваются друг к другу водородными связями. Чтобы перевести воду в пар, нужно преодолеть это дополнительное межмолекулярное притяжение, поэтому температура кипения воды выше, чем у H₂S.
Как меняется термическая устойчивость водородных соединений при движении вниз по группе?
У многих неметаллов вниз по группе термическая устойчивость гидридов уменьшается. Атомы становятся крупнее, связь с водородом ослабевает и при нагревании легче разрывается; например, устойчивость гидридов галогенов убывает от HF к HI.
§ 40. Водородные соединения неметаллов
