§ 47. Закономерности изменения свойств соединений элементов

Определения и обозначения

Основные оксиды — оксиды, которым обычно соответствуют основания; чаще их образуют металлы. При реакции с кислотами они дают соль и воду. Это определение помогает понять, какой реагент подобрать для проверки основного характера оксида.

Кислотные оксиды — оксиды, которым обычно соответствуют кислоты; многие из них образованы неметаллами. Они реагируют с основаниями с образованием соли и воды. По этому свойству можно отличить их от основных оксидов.

Амфотерные оксиды и гидроксиды проявляют и основные, и кислотные свойства. Например, оксид и гидроксид алюминия взаимодействуют как с кислотами, так и со щелочами. Понятие амфотерности нужно, чтобы не относить все соединения к одной из двух групп.

Гидроксиды — соединения, содержащие одну или несколько групп OH. Среди них есть основания, в том числе растворимые основания — щёлочи, и кислоты, в составе которых присутствует группа OH. По виду формулы нельзя ограничиваться подсчётом групп: нужно учитывать состав соединения и его свойства.

Как это устроено

В периоде слева направо ядро атома сильнее притягивает внешние электроны, а отдавать их элементам становится труднее. Поэтому металлические свойства постепенно ослабевают, а способность проявлять неметаллические свойства возрастает. Соединения элементов отражают эту перемену: в начале периода заметнее основные свойства, а ближе к концу — кислотные.

Высший оксид — оксид, в котором элемент имеет наибольшую для него степень окисления. В начале периода высшие оксиды активных металлов обычно основные; дальше встречаются амфотерные оксиды, а у неметаллов в конце периода преобладают кислотные. Переход происходит потому, что при ослаблении металлического характера элемент всё меньше образует соединения с выраженными основными свойствами.

Характер оксида связан с характером соответствующего гидроксида. Основный оксид при подходящих условиях может образовать основание, например Na₂O с водой даёт NaOH; кислотный оксид с водой образует кислоту, например SO₃ — H₂SO₄. Это соответствие помогает предсказывать тип гидроксида, но нужно учитывать, что не все оксиды непосредственно реагируют с водой.

Амфотерные соединения способны взаимодействовать с веществами противоположного кислотно-основного характера. В реакции с кислотой Al₂O₃ ведёт себя как основный оксид, а в реакции со щёлочью — как кислотный. Такая двойственность связана с промежуточным положением алюминия по металлическим свойствам; поэтому Al₂O₃ и Al(OH)₃ не относят ни только к основным, ни только к кислотным соединениям.

В главных подгруппах при движении сверху вниз металлический характер элементов обычно усиливается. Внешние электроны расположены дальше от ядра и удерживаются слабее, поэтому элементу легче их отдавать. В результате свойства оксидов и гидроксидов часто смещаются в сторону основных, однако сравнивать нужно соединения одной группы и одного типа, а не переносить на них без изменений правило для периода.

Изменение свойств высших оксидов и соответствующих гидроксидов

Сначала найдите положение элемента и сравните его металлический характер с соседями, затем проверьте формулу высшего оксида и соответствующего гидроксида. Таблица показывает общую закономерность, а не заменяет проверку конкретных реакций. Для прогноза в группе сравнивайте элементы, расположенные один под другим.

Разбор задач

1. Определить характер Na₂O и записать реакцию с водой

Натрий находится в начале третьего периода и является активным металлом, поэтому его высший оксид относится к основным. При взаимодействии основного оксида с водой образуется основание; раствор NaOH — щёлочь. Проверим, чтобы число атомов натрия и кислорода совпало в обеих частях уравнения.

1. Определяем, что Na₂O — основной оксид металла.
2. Записываем схему: Na₂O + H₂O → NaOH.
3. Уравниваем натрий, поставив коэффициент 2 перед NaOH.

Ответ: Na₂O — основный оксид; Na₂O + H₂O → 2NaOH.

2. Сравнить Al₂O₃ и SO₃

Алюминий — металл с промежуточным характером свойств, поэтому Al₂O₃ амфотерен. Сера — неметалл, а её высший оксид SO₃ кислотный. Сравнение показывает, что нужно учитывать не только принадлежность элемента к металлам или неметаллам, но и положение элемента и реакции его оксида.

1. Для Al₂O₃ выбираем кислоту и щёлочь, так как оксид амфотерен: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O; Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O.
2. Для кислотного SO₃ выбираем основание: SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O.
3. Проверяем, что в каждом уравнении атомы всех элементов уравнены.

Ответ: Al₂O₃ реагирует и с кислотами, и со щелочами; SO₃ — с основаниями.

3. Предсказать формулу и характер высшего оксида фосфора

Фосфор расположен в главной подгруппе пятой группы и проявляет в высшем оксиде степень окисления +5. Кислороду соответствует степень окисления −2; наименьшее общее число для баланса зарядов — 10, поэтому формула оксида P₂O₅. Фосфор — неметалл, следовательно, его высший оксид кислотный, и для реакции выбираем основание.

1. Записываем формулу высшего оксида: P₂O₅.
2. Выбираем NaOH как основание и составляем продукты: соль Na₃PO₄ и вода.
3. Уравниваем атомы: P₂O₅ + 6NaOH → 2Na₃PO₄ + 3H₂O.

Ответ: P₂O₅ — кислотный оксид; с гидроксидом натрия он образует соль и воду.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все оксиды металлов основными. Так ошибаются, перенося общее правило на каждый металл без проверки. Например, Al₂O₃ — амфотерный оксид. Проверьте себя: реагирует ли оксид не только с кислотой, но и со щёлочью?

Ошибка: называть оксид кислотным только потому, что его образовал неметалл. Происхождение вещества помогает предположить его характер, но само по себе не заменяет проверку свойств. Учитывайте положение элемента, степень окисления и реакции оксида. Для самопроверки установите, образует ли он соль с основанием.

Ошибка: путать амфотерность с нейтральностью. Это происходит, если считать, что слово «не основной и не кислотный» означает отсутствие свойств. Амфотерное соединение проявляет оба характера в разных реакциях, а нейтральное обычно не реагирует с кислотами и основаниями таким образом. Проверьте, способен ли оксид реагировать с каждым из двух типов веществ.

Ошибка: переносить закономерность периода на движение вниз по группе. Направления сравнения различаются: в периоде металлический характер ослабевает слева направо, а в главной подгруппе обычно усиливается сверху вниз. Ошибку допускают, если запоминают только слова «слева направо» и не уточняют направление. Перед выводом назовите, сравниваете ли вы элементы периода или группы.

Связь с другими темами

Для понимания закономерностей нужны знания о строении периодической системы и изменении металлических и неметаллических свойств. Умение составлять формулы оксидов и гидроксидов, определять степени окисления и уравнивать реакции помогает обосновать прогноз. Эти правила пригодятся при сравнении элементов и их соединений, а также при изучении химических свойств кислот, оснований и солей.

Что запомнить

• В периоде слева направо металлический характер элементов ослабевает, а неметаллический усиливается.
• Свойства высших оксидов в периоде обычно меняются от основных через амфотерные к кислотным.
• Основному оксиду обычно соответствует основание, кислотному — кислота.
• Амфотерные оксиды и гидроксиды взаимодействуют и с кислотами, и со щелочами.
• Изменение свойств соединений связано с изменением свойств образующих их элементов.
• Для прогнозирования свойств соединения учитывают положение элемента в периодической системе и формулу соединения.