§ 47. Закономерности изменения свойств соединений элементов

Определения и обозначения

Высший оксид — бинарное соединение элемента с кислородом, в котором элемент имеет максимальную степень окисления. Например, для серы это SO3, где степень окисления серы равна +6. Понятие нужно, чтобы сравнивать свойства оксидов элементов в периодах и предсказывать их соответствующие кислоты или основания.

Летучее водородное соединение — соединение элемента с водородом, способное переходить в газообразное состояние. Его формула связана с положением элемента в периодической системе: например, элементы шестнадцатой группы образуют соединения типа H2E, к которым относится H2S. По формуле и группе можно сравнивать устойчивость и кислотные свойства таких веществ.

Кислотно-основные свойства — способность оксидов и гидроксидов проявлять основные, амфотерные или кислотные свойства. Основные вещества обычно реагируют с кислотами, кислотные — с основаниями, а амфотерные способны вести себя обоими способами. Это деление помогает связывать строение соединения с его возможными реакциями.

Амфотерный гидроксид — гидроксид, взаимодействующий и с кислотами, и со щелочами. Примером служит Al(OH)3: в реакции с кислотой он ведёт себя как основание, а со щёлочью — как кислота. Термин нужен, чтобы не относить все гидроксиды только к основаниям или кислотам.

Как это устроено

Слева направо в периоде заряд ядра увеличивается, а число электронных слоёв остаётся прежним. Ядро сильнее притягивает внешние электроны, поэтому атомам труднее отдавать их и легче участвовать в образовании связей с неметаллическими свойствами. Поэтому металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются; это отражается на свойствах соединений элемента.

В начале периода элементы легче отдают электроны и образуют оксиды, проявляющие основные свойства. Ближе к середине периода меняется характер связи и появляются амфотерные соединения, например Al2O3 и Al(OH)3. У неметаллов высшие оксиды обычно кислотные, поскольку при взаимодействии с водой могут образовываться кислоты, а сами оксиды реагируют с основаниями.

Сверху вниз в группе добавляются электронные слои, поэтому радиус атома увеличивается. Внешние электроны удерживаются слабее, и металлический характер элементов-металлов обычно возрастает. Их оксиды и гидроксиды чаще проявляют более выраженные основные свойства: например, CaO основнее MgO, а Ca(OH)2 — более сильное основание, чем Mg(OH)2.

Характер высшего оксида связан с положением элемента, потому что оно помогает определить максимальную степень окисления. Кислород в оксидах обычно имеет степень окисления −2, поэтому из максимальной степени окисления элемента можно вывести состав его высшего оксида. Однако степень окисления сама по себе не заменяет проверку кислотно-основного характера: он зависит также от природы элемента.

Формула летучего водородного соединения показывает, сколько атомов водорода связано с атомом элемента, и часто указывает на его группу. Так, для элементов шестнадцатой группы типична формула H2E, а для семнадцатой — HE. Положение в группе позволяет сравнить соединения: у халькогенов, например, кислотные свойства водородных соединений усиливаются от H2S к H2Se, поскольку связь с водородом становится слабее.

Изменение свойств соединений элементов в периоде и группе

Сначала определите, сравниваются ли элементы в одном периоде или в одной группе: направления закономерностей различаются. Затем учтите, металл это или неметалл, и сравните степень окисления, если речь идёт об оксидах. Таблица показывает общие тенденции, а не отменяет проверку свойств конкретного вещества.

Разбор задач

Задача 1

Расположите Na2O, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5 по усилению кислотных свойств и укажите характер каждого оксида. Все элементы, кроме натрия, находятся в третьем периоде, а ряд охватывает переход от металлов к неметаллам. Поэтому нужно проследить изменение характера оксидов слева направо, а не сравнивать число атомов кислорода.

1. Располагаем элементы по периоду: Na, Mg, Al, Si, P.
2. Для Na2O и MgO определяем основной характер; Al2O3 — амфотерный оксид.
3. SiO2 и P2O5 относятся к кислотным оксидам. В данном ряду кислотные свойства усиливаются к правому краю.

Ответ: Na2O < MgO < Al2O3 < SiO2 < P2O5 по усилению кислотных свойств. Na2O и MgO — основные оксиды, Al2O3 — амфотерный, SiO2 и P2O5 — кислотные.

Задача 2

Сравните основные свойства MgO и CaO, а также кислотные свойства H2S и H2Se. Здесь сравниваются пары соединений элементов одной группы, поэтому рассматриваем движение сверху вниз. При этом для первой пары важны основные свойства оксидов металлов, а для второй — кислотные свойства водородных соединений неметаллов.

1. Магний и кальций находятся во второй группе, причём кальций расположен ниже магния.
2. Вниз по группе металлические свойства обычно усиливаются, поэтому CaO проявляет более выраженные основные свойства, чем MgO.
3. Сера и селен относятся к шестнадцатой группе. Кислотные свойства их водородных соединений усиливаются вниз по группе: H2Se кислотнее H2S.

Ответ: основные свойства CaO сильнее, чем у MgO; кислотные свойства H2Se сильнее, чем у H2S. Не следует переносить на обе пары одну и ту же химическую характеристику: в первом случае сравниваются основания, во втором — кислоты.

Задача 3

Для элемента с порядковым номером 16 определите формулу высшего оксида, соответствующего гидроксида и летучего водородного соединения; охарактеризуйте их свойства. Порядковый номер 16 соответствует сере, элементу шестнадцатой группы и третьего периода. Нужно отдельно установить максимальную степень окисления, типичную формулу водородного соединения и кислотно-основный характер веществ.

1. Сера может иметь максимальную степень окисления +6; кислород в оксидах имеет −2. Для уравнивания зарядов получаем высший оксид SO3.
2. При взаимодействии SO3 с водой образуется соответствующий гидроксид неметалла — серная кислота H2SO4; она обладает кислотными свойствами.
3. Для элемента шестнадцатой группы летучее водородное соединение имеет формулу H2E, значит, для серы это H2S. Это газообразное соединение с кислотными свойствами в водном растворе.

Ответ: высший оксид — SO3, соответствующая кислота — H2SO4, летучее водородное соединение — H2S. SO3 — кислотный оксид, H2SO4 — кислота, H2S — летучее водородное соединение с кислотными свойствами.

Типичные ошибки

Ошибка — считать кислотными все оксиды неметаллов или, наоборот, основными все оксиды металлов. Так рассуждают, запомнив общую закономерность, но забывая исключения и амфотерные вещества. Проверьте себя по конкретной формуле и положению элемента: Al2O3 амфотерен, а CrO3 — кислотный оксид металла.

Нельзя путать изменение свойств слева направо в периоде с изменением сверху вниз в группе. В периоде обычно растут неметаллические свойства, а у металлов при движении вниз по группе усиливаются металлические. Перед сравнением найдите элементы в таблице и установите направление перехода от одного к другому.

Характер оксида нельзя определять по одному лишь числу атомов кислорода. Одинаковое соотношение атомов не гарантирует одинаковые свойства: нужно учитывать элемент и его степень окисления. Для самопроверки назовите элемент, установите тип оксида и сопоставьте его с известным классом соединений.

Не каждый гидроксид является щёлочью: щёлочами называют только растворимые основания. Ошибка возникает из-за привычки использовать слова «гидроксид» и «щелочь» как синонимы. Проверяйте, растворимо ли основание в воде; например, Al(OH)3 амфотерен и не относится к щёлочам.

Связь с другими темами

Для работы с закономерностями нужны знания о строении периодической системы, периодическом законе и степенях окисления. Также важно уметь составлять формулы оксидов и гидроксидов по зарядам и валентностям. Это помогает предсказывать формулы высших оксидов, оснований, кислот и летучих водородных соединений.

Тема связывает свойства металлов и неметаллов с классами неорганических веществ. Она пригодится при изучении химических реакций оксидов, кислот и оснований, а также генетических связей между ними. По положению элемента можно заранее предположить свойства соединений и проверить предположение уравнениями реакций.

Что запомнить

• Слева направо в периоде металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются.
• В периоде свойства высших оксидов изменяются от основных через амфотерные к кислотным.
• Сверху вниз в группе основные свойства оксидов и гидроксидов металлов обычно усиливаются.
• Высший оксид соответствует максимальной степени окисления элемента.
• Амфотерные соединения проявляют свойства и кислот, и оснований.
• Положение элемента в периодической системе позволяет предсказать свойства его соединений.