§ 19. Важнейшие классы бинарных соединений — оксиды и летучие водородные соединения

Определения и обозначения

Бинарное соединение — вещество, состоящее из атомов двух химических элементов. Например, в CO₂ есть углерод и кислород, хотя всего атомов три. Это определение помогает отличать бинарные соединения от простых веществ, где один элемент, и от соединений с тремя и более элементами.

Оксид — бинарное соединение, в котором один из элементов — кислород. В обычных оксидах кислород имеет степень окисления −2, то есть условный заряд его атома равен −2. По наличию кислорода и этому значению удобно распознавать оксиды и составлять их формулы.

Летучее водородное соединение — бинарное соединение водорода с другим элементом, способное переходить в газообразное состояние. Примеры соединений неметаллов с водородом: HCl, H₂S и NH₃. Такое определение выделяет особую группу среди всех веществ, содержащих водород.

Формула бинарного соединения — запись состава вещества с помощью символов элементов и индексов. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента входит в одну частицу вещества: в H₂S два атома водорода и один атом серы. Если индекс не написан, его считают равным единице.

Как это устроено

Чтобы установить бинарность вещества, найдите в формуле разные символы элементов и пересчитайте именно их. В CO₂ символов два: C и O, поэтому соединение бинарное, несмотря на три атома. В O₂ записан только один элемент, значит, это простое вещество, а NaCl содержит два элемента и является бинарным соединением.

В формулах оксидов кислород обычно записывают со степенью окисления −2, потому что его атом присоединяет два условных отрицательных заряда. Соединение в целом электронейтрально, поэтому положительные и отрицательные степени окисления должны взаимно компенсироваться. Для Al(III) и O(−II) два атома алюминия дают +6, а три атома кислорода — −6, поэтому формула имеет вид Al₂O₃.

Формулу летучего водородного соединения неметалла определяют по его положению в периодической системе и валентности. Водород обычно одновалентен, поэтому с одновалентным хлором образует HCl, с двухвалентной серой — H₂S, а с трёхвалентным азотом — NH₃. Индексы показывают, сколько атомов водорода нужно для полного соединения с одним атомом неметалла.

Оксиды всегда содержат кислород и ещё один элемент, которым может быть металл или неметалл: MgO, CO₂. Летучие водородные соединения содержат водород и другой элемент, чаще неметалл: HCl, H₂S, NH₃. Поэтому вода H₂O относится к оксидам, хотя в её составе есть водород, а H₂S к оксидам не относится, поскольку кислорода в нём нет.

Название вещества читают по его формуле, называя элементы в принятом порядке: NaCl — хлорид натрия, MgO — оксид магния, CO₂ — оксид углерода(IV). Если у элемента бывают разные степени окисления, её указывают римской цифрой в скобках. Обратно, при составлении формулы по названию нужно записать символы в правильном порядке и подобрать индексы по валентностям.

Оксиды и летучие водородные соединения

Сначала сравните состав вещества с первой строкой: есть ли в нём кислород или водород и второй элемент. Затем проверьте индексы по валентностям, чтобы понять, правильно ли составлена формула. Таблица особенно полезна при сравнении двух классов, потому что показывает их общий бинарный состав и главное различие.

Разбор задач

Задача 1

Определите, какие из формул CO₂, H₂O, NaCl и O₂ являются бинарными соединениями и какие из них относятся к оксидам. Сначала нужно выяснить число разных элементов в каждой формуле. Затем среди бинарных веществ найти те, где есть кислород.

1. CO₂ содержит C и O, поэтому это бинарное соединение и оксид.
2. H₂O содержит H и O, поэтому это бинарное соединение и оксид.
3. NaCl содержит Na и Cl, поэтому это бинарное соединение, но не оксид.
4. O₂ содержит только кислород, поэтому это простое вещество, а не бинарное соединение.

Ответ: бинарные соединения — CO₂, H₂O и NaCl; оксиды среди них — CO₂ и H₂O. O₂ не входит ни в одну из этих групп.

Задача 2

Составьте формулы оксидов магния и алюминия, если Mg имеет валентность II, Al — III, а O — II. Валентности показывают, сколько связей должен образовать атом, поэтому суммарные значения для элементов в формуле должны совпасть. Индексы выбирают как наименьшие числа, дающие такое равенство.

1. Для магния и кислорода обе валентности равны II, поэтому достаточно одного атома каждого элемента: MgO.
2. Для алюминия и кислорода наименьшее общее число валентностей равно 6.
3. Два атома Al дают 2 × III = VI, а три атома O дают 3 × II = VI.
4. Записываем формулу Al₂O₃ и проверяем: 2 × 3 = 3 × 2.

Ответ: оксид магния — MgO, оксид алюминия — Al₂O₃. Индексы 2 и 3 сокращать нельзя, потому что у них нет общего делителя.

Задача 3

Составьте формулы водородных соединений серы и азота по их валентностям, назовите вещества и определите, какие из них летучие. Валентность водорода равна I, серы в данном примере — II, азота — III. Поэтому сначала уравниваем число связей, а затем сравниваем получившиеся вещества с определением класса.

1. Для серы(II) нужны два атома водорода(I): формула H₂S.
2. Для азота(III) нужны три атома водорода(I): формула NH₃.
3. H₂S называется сероводородом, NH₃ — аммиаком.
4. Оба вещества являются бинарными соединениями водорода с неметаллом и относятся к летучим водородным соединениям.

Ответ: H₂S — сероводород, NH₃ — аммиак; оба соединения летучие.

Типичные ошибки

Иногда бинарным считают любое вещество, в формуле которого два атома. Это неверно: бинарность определяется числом разных элементов, поэтому O₂ — простое вещество, а H₂O — бинарное соединение. Проверьте себя, выписав разные символы элементов без повторов.

Другая ошибка — записывать кислород в оксиде со степенью окисления −1. Для рассматриваемых оксидов используют значение −2, иначе не получится правильное соотношение атомов. После составления формулы проверьте, совпадают ли суммарные положительные и отрицательные значения.

Индекс иногда путают с коэффициентом. Индекс относится к символу элемента и показывает число его атомов, а коэффициент перед формулой показывает число частиц вещества. В записи 3H₂O цифра 3 относится ко всей формуле, а индекс 2 — только к водороду.

Не каждое соединение водорода автоматически называют летучим водородным соединением этой темы. Нужно проверить, что оно бинарное, содержит водород с другим элементом и способно переходить в газообразное состояние. Сначала пересчитайте элементы, затем определите, к какому классу относится вещество.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать химические символы и уметь читать формулы. Также важно различать простые и сложные вещества, иначе можно принять O₂ за бинарное соединение.

При составлении формул пригодятся знания о валентности и периодической системе. Положение элемента помогает предположить его валентность, а затем выбрать правильные индексы.

Классификация бинарных соединений станет основой для изучения кислот, оснований и солей. По составу вещества легче понять его свойства и возможные химические превращения.

Что запомнить

• Бинарное соединение содержит атомы двух разных химических элементов.
• Оксид — бинарное соединение кислорода с другим элементом.
• В оксидах кислород обычно имеет степень окисления −2.
• Летучие водородные соединения — бинарные соединения водорода с другими элементами.
• Индексы в формуле показывают число атомов соответствующего элемента.
• Формулу бинарного соединения составляют с учётом валентностей элементов.