17. Важнейшие классы бинарных соединений — оксиды и летучие водородные соединения

Определения и обозначения

Бинарное соединение — вещество, состоящее из атомов двух химических элементов. В формуле такого вещества есть два разных символа элементов, например C и O в CO₂. Числа-индексы показывают, сколько атомов каждого элемента входит в состав частицы или формульной единицы. Это определение помогает сначала проверить состав вещества, а уже затем относить его к классу.

Оксид — бинарное соединение, в котором один из элементов — кислород. Вторым элементом может быть, например, металл или неметалл: MgO и CO₂ относятся к оксидам. В них кислород обычно двухвалентен, то есть его валентность равна II. Это свойство используют, чтобы правильно расставлять индексы в формуле.

Летучее водородное соединение — бинарное соединение водорода с неметаллом, которое существует в газообразном состоянии или легко переходит в газ. К характерным примерам относятся H₂S и NH₃. По составу они отличаются от оксидов: в их формуле нет кислорода, зато есть водород и неметалл. Название указывает и на состав, и на особенность поведения вещества.

Валентность — свойство атома образовывать определённое число связей с другими атомами. Её обозначают римскими цифрами, например I, II или III, и учитывают при записи формул. Так, атом с валентностью III связывается с тремя одновалентными атомами. Валентность нужна, чтобы формула показывала правильное соотношение атомов, а не произвольный набор индексов.

Как это устроено

Оксиды называют бинарными соединениями, потому что в каждом из них только два вида атомов: кислород и ещё один элемент. Формула показывает эти виды символами, а маленькое число справа внизу от символа — индекс — указывает количество атомов данного элемента. Например, в CO₂ есть углерод и кислород, причём на один атом углерода приходятся два атома кислорода. Если в формуле записано больше двух разных символов, вещество не является бинарным и к оксидам в этом смысле не относится.

Валентность кислорода помогает установить соотношение атомов в оксиде, поскольку обычно она равна II. Если элемент одновалентен, двум его атомам соответствуют два атома кислорода, поэтому получается формула E₂O; если оба элемента двухвалентны, соотношение сокращается до одного к одному — EO. Для элемента с валентностью III и кислорода с валентностью II формула имеет вид E₂O₃: две тройки и три двойки дают одинаковое общее число связей. Так появляются, например, Na₂O, MgO и Al₂O₃.

Соединения водорода с неметаллами выделяют в отдельную группу, потому что для них характерно сочетание с водородом и способность существовать в виде газа или легко испаряться. Среди примеров — сероводород H₂S и аммиак NH₃. В оксидах обязательным элементом является кислород, а в летучих водородных соединениях ключевое сочетание — водород с неметаллом. Поэтому при определении класса важно смотреть на все символы формулы, а не только на название вещества или один знакомый элемент.

Чтобы записать формулу водородного соединения, учитывают валентность водорода I и валентность неметалла. Если неметалл трёхвалентен, ему нужны три связи с одновалентными атомами водорода, поэтому записывают NH₃ для азота и водорода. Если валентности двух элементов совпадают и равны I, получается соотношение один к одному, как в HCl. После подбора индексов проверяют, что число связей у каждого элемента соответствует его валентности.

Сравнение CO₂ и H₂S показывает, как определить класс по составу. В CO₂ есть углерод и кислород, поэтому это оксид; в H₂S есть водород и сера, которая является неметаллом, поэтому это летучее водородное соединение. В обоих случаях формула содержит два химических элемента, то есть соединение бинарное. Такой способ сначала проверяет число элементов, а затем — какой именно элемент входит в состав.

Состав и примеры оксидов и летучих водородных соединений

Пользуйся таблицей в два шага: сначала посчитай разные химические элементы в формуле, затем проверь, какой из них определяет класс. Не делай вывод только по наличию кислорода или водорода: бинарность тоже обязательна. Валентности помогают проверить, правильно ли составлена формула.

Разбор задач

Задача 1. Определить, какие из формул CO₂, H₂S, MgO и NH₃ относятся к оксидам, а какие — к летучим водородным соединениям. Сначала для каждой формулы надо определить входящие в неё элементы, а затем проверить их число и сочетание. Важно не принять любое вещество с кислородом за оксид: оно должно быть бинарным. Рассмотрим формулы по очереди.

1. В CO₂ записаны углерод и кислород — два элемента; это оксид.
2. В H₂S записаны водород и сера, неметалл; это летучее водородное соединение.
3. В MgO записаны магний и кислород — два элемента; это оксид.
4. В NH₃ записаны азот и водород; это летучее водородное соединение.

Ответ: CO₂ и MgO — оксиды; H₂S и NH₃ — летучие водородные соединения. Классификация основана на составе, а не на том, сколько атомов каждого элемента указано индексами.

Задача 2. Составить формулы оксидов элементов с валентностями I и II, а также III и II. Валентность кислорода в обоих случаях принимаем равной II. Чтобы не гадать с индексами, подбираем наименьшее число атомов, при котором число связей каждого элемента совпадёт. Элементы обозначим буквой E, а кислород — O.

1. Для валентностей I и II нужны два атома E на один атом O: две связи от E уравновешивают две связи кислорода. Получаем E₂O.
2. Для валентностей III и II ищем общее число связей, которое делится и на 3, и на 2; наименьшее такое число — 6.
3. Два атома E дают 2 × 3 = 6 связей, а три атома O — 3 × 2 = 6. Получаем формулу E₂O₃ и проверяем, что индексы уже нельзя сократить.

Ответ: E₂O и E₂O₃. В конкретном соединении вместо E записывают символ соответствующего элемента.

Задача 3. Составить формулу летучего водородного соединения элемента с валентностью III и определить класс вещества. Валентность водорода равна I, поэтому один атом элемента с валентностью III может образовать связи с тремя атомами водорода. Для примера возьмём азот, который в таком соединении имеет валентность III. После составления формулы проверим её состав.

1. Записываем символы азота и водорода: N и H.
2. Ставим индекс 3 у водорода, чтобы учесть его валентность I: получаем NH₃.
3. Проверяем: в формуле два элемента, водород и неметалл азот; кислорода нет.

Ответ: NH₃ — аммиак, летучее водородное соединение. Формула бинарная, а индексы соответствуют валентностям III и I.

Типичные ошибки

Ошибка — считать оксидом любое вещество, в формуле которого встречается кислород. Причина в том, что кислород сразу бросается в глаза, а число элементов легко не проверить. Оксид в этой теме должен быть бинарным, то есть содержать только два разных элемента. Для самопроверки выпиши все символы элементов и пересчитай их: например, формула с тремя разными символами не отвечает условию бинарного соединения.

Иногда кислороду приписывают валентность I, перенося значение, знакомое для водорода. В оксидах кислород обычно двухвалентен, поэтому такая ошибка приводит к неверному соотношению атомов. Проверяй, какое значение валентности задано для элемента именно в данном классе соединений. Например, для оксида трёхвалентного элемента и кислорода требуется соотношение E₂O₃, а не формула с единичной валентностью кислорода.

Летучее водородное соединение можно спутать с оксидом, если ориентироваться только на то, что формула начинается с водорода или содержит знакомый неметалл. Эти классы различают по элементам: для оксида обязателен кислород, а для водородного соединения характерны водород и неметалл. Проверь, какие два символа присутствуют в формуле. H₂S — не оксид, потому что кислорода в нём нет.

Неверные индексы возникают, если их подбирают наугад или забывают сократить. В этом случае валентности элементов не соответствуют числу связей, которое показывает формула. После записи умножь индекс каждого элемента на его валентность: результаты должны совпасть. Если все индексы можно разделить на одно и то же число, сократи их, чтобы получить наименьшие целые числа.

Связь с другими темами

Перед этой темой нужно знать символы элементов, уметь читать химические формулы и определять валентность по изученным правилам. Эти знания позволяют не только распознать состав вещества, но и самостоятельно подобрать индексы. Далее они пригодятся при классификации неорганических веществ и изучении их названий. Формулы оксидов и водородных соединений также понадобятся при разборе химических реакций и свойств веществ.

Что запомнить

• Бинарное соединение состоит из атомов двух химических элементов.
• Оксид — бинарное соединение кислорода с другим элементом.
• В оксидах кислород обычно двухвалентен.
• Летучие водородные соединения образованы водородом и неметаллом.
• Формулу бинарного соединения составляют с учётом валентностей элементов.
• По составу формулы можно определить, к какому классу относится соединение.