"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Неметаллы образуют с водородом бинарные соединения, например HCl, H₂S и NH₃, а с кислородом — оксиды, многие из которых связаны с кислородными кислотами. Состав этих веществ можно предсказать по положению элемента в периодической системе, валентности и степеням окисления. Эти знания помогают правильно записывать формулы и уравнения реакций, а также понимать, как из оксидов получают кислоты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водородное соединение неметалла — вещество, состоящее из атомов водорода и неметалла; такие вещества относятся к бинарным соединениям. Примеры — HCl, H₂S и NH₃. Зная этот термин, можно объединять вещества по составу и сравнивать формулы соединений разных элементов.
Летучее водородное соединение — бинарное соединение водорода с неметаллом, способное переходить в газообразное состояние. К типичным примерам относятся хлороводород HCl, сероводород H₂S и аммиак NH₃. Понятие летучести помогает описывать агрегатное состояние вещества и его поведение при нагревании.
Оксид неметалла — бинарное соединение неметалла с кислородом. Таковы углекислый газ CO₂, диоксид серы SO₂ и оксид азота N₂O₅. Формулы оксидов позволяют судить о соотношении атомов и степени окисления неметалла.
Кислородная кислота — сложное вещество, содержащее атомы водорода, кислорода и ещё одного элемента. Примеры — серная кислота H₂SO₄ и азотная кислота HNO₃. Такое определение помогает отличать кислородные кислоты от бескислородных, например HCl.
Положение неметалла в главной подгруппе помогает предсказать, сколько атомов водорода входит в его соединение. Углерод обычно проявляет валентность IV, поэтому образует CH₄; азоту соответствует валентность III и формула NH₃. У кислорода валентность II, значит, формула соединения — H₂O, а у фтора валентность I и формула HF. Так валентность связывает положение элемента с числом атомов в формуле.
Валентность показывает, сколько химических связей образует атом, и записывается без знака. У водорода она равна I, поэтому, например, с атомом азота валентности III связываются три атома водорода. Элементы одной группы имеют сходное строение внешнего электронного уровня, из-за чего часто проявляют похожую валентность и дают формулы одного типа. Для элементов группы кислорода характерен вид H₂Э, как в H₂O и H₂S.
При взаимодействии с кислородом неметаллы образуют оксиды, но соотношение атомов зависит от степени окисления элемента. Степень окисления — условный заряд атома в соединении; кислороду в большинстве оксидов приписывают −2. В CO₂ углерод имеет степень окисления +4, а в SO₂ сера — +4: два атома кислорода дают суммарно −4. В N₂O₅ пять атомов кислорода дают −10, поэтому на два атома азота приходится суммарно +10, то есть по +5 на каждый.
Некоторые оксиды неметаллов связаны с кислородными кислотами: при присоединении воды к оксиду может образоваться кислота. Так, триоксид серы реагирует с водой по уравнению SO₃ + H₂O → H₂SO₄, а пентаоксид диазота — по уравнению N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃. Коэффициент 2 перед HNO₃ нужен, чтобы сохранить число атомов азота: в оксиде их два. По этим уравнениям видно, что формулы кислот связаны с составом соответствующих оксидов.
Реакция оксида с водой возможна не для каждого вещества, поэтому нельзя автоматически считать любой оксид неметалла кислотным. Например, SO₃ с водой образует серную кислоту, тогда как CO не превращается в кислоту при таком взаимодействии. Причина в том, что свойства определяются конкретным составом и строением вещества, а не только принадлежностью элемента к неметаллам. Поэтому образование кислоты следует подтверждать известным свойством или уравнением реакции.
Таблица помогает сопоставить классы веществ по составу, формуле и степени окисления центрального элемента. Сначала определите, какие элементы входят в формулу, затем проверьте степень окисления по правилу нулевой суммы для нейтрального вещества. В последней строке указана связь с водой или с другим классом веществ; она относится к приведённому примеру, а не обязательно ко всем представителям класса.
| Характеристика | Водородное соединение | Оксид неметалла | Кислородная кислота |
|---|---|---|---|
| Состав | Водород и неметалл | Неметалл и кислород | Водород, кислород и другой элемент |
| Пример формулы | H₂S | SO₃ | H₂SO₄ |
| Пример названия | Сероводород | Оксид серы(VI) | Серная кислота |
| Степень окисления неметалла в примере | Сера: −2 | Сера: +6 | Сера: +6 |
| Связь с водой или другим классом веществ | В воде H₂S образует раствор сероводородной кислоты | SO₃ + H₂O → H₂SO₄ | Кислота соответствует оксиду SO₃ |
Задача 1. Составьте формулы водородных соединений углерода, азота и серы, используя положение элементов в периодической системе. Для этого сопоставим характерные валентности неметаллов с валентностью водорода I. У углерода характерная валентность IV, у азота III, у серы в таком соединении II.
Ответ: CH₄, NH₃, H₂S. Сера и кислород находятся в одной группе, поэтому их водородные соединения имеют сходный вид H₂Э.
Задача 2. Определите формулы высших оксидов серы и азота, если степени окисления элементов равны соответственно +6 и +5. Кислород в оксидах имеет степень окисления −2, а нейтральное соединение должно иметь нулевую сумму степеней окисления. Используем эти условия для подбора индексов.
Ответ: высший оксид серы — SO₃, высший оксид азота — N₂O₅.
Задача 3. Запишите получение серной кислоты из соответствующего оксида и найдите объём SO₃ для получения 9,8 г H₂SO₄ при избытке воды. Сначала нужно составить уравнение, затем по массе кислоты определить количество вещества и связать его с количеством оксида по коэффициентам. Считаем, что газ измерен при нормальных условиях.
Ответ: SO₃ + H₂O → H₂SO₄; потребуется 2,24 л SO₃ при нормальных условиях.
Ошибка — выбирать индексы в водородном соединении только по знакомой формуле и не учитывать группу элемента. Так можно перепутать, например, NH₃ и NH₂. Проверяйте себя: вспомните характерную валентность неметалла и сопоставьте её с валентностью водорода I.
Ошибка — считать, что индекс кислорода всегда равен числу атомов неметалла. Индексы определяют по степеням окисления, чтобы их сумма в нейтральном веществе была равна нулю. Проверка для N₂O₅: 2 · (+5) + 5 · (−2) = 0.
Валентность и степень окисления — не одно и то же, хотя обе характеристики помогают составлять формулы. Валентность записывают римской цифрой без знака, а степень окисления может иметь знак плюс или минус. Проверяйте себя по записи: −2 у кислорода в оксиде — это степень окисления, а II — валентность.
Нельзя утверждать, что любой оксид неметалла при взаимодействии с водой образует кислоту. Такое обобщение возникает из примеров SO₃ и N₂O₅, но свойства веществ различаются. Проверяйте для каждого оксида, известна ли реакция с водой и какое вещество получается; например, CO кислоту так не образует.
Для составления формул нужны знания о периодической системе, валентности, степенях окисления и бинарных соединениях. Эти понятия уже применялись при записи формул; здесь они помогают сравнивать водородные соединения и оксиды. Умение составлять уравнения реакций понадобится при изучении кислот, химических свойств оксидов и генетических связей между классами неорганических веществ.
Тема также подготавливает к изучению свойств и применения аммиака, хлороводорода и сероводорода. Знание формулы помогает понять состав вещества, а затем связать его строение с химическими свойствами. При решении задач этот материал соединяется с расчётами по уравнениям реакций и молярным массам.
Как по группе неметалла определить формулу его водородного соединения?
Для элементов главных подгрупп используют характерную валентность неметалла в соединении с водородом: например, у углерода IV, у азота III, у кислорода II, у фтора I. У водорода валентность I, поэтому из соотношения валентностей получают формулы CH₄, NH₃, H₂O и HF. Это правило помогает определить состав, но для конкретных элементов нужно учитывать характерные для их группы соединения.
Почему у неметаллов одной группы могут быть водородные соединения сходного состава?
У элементов одной главной подгруппы одинаковое число электронов на внешнем уровне, поэтому они часто проявляют сходную валентность. В результате водород связывается с ними в одинаковом соотношении: например, элементы группы кислорода образуют соединения вида H₂Э. Сходство состава не означает, что свойства веществ тоже одинаковы.
Как определить индексы в формуле оксида неметалла?
Сначала указывают степень окисления неметалла и принимают степень окисления кислорода равной −2. Затем подбирают индексы так, чтобы сумма степеней окисления всех атомов в нейтральном соединении была равна нулю. Например, для серы со степенью окисления +6 получается формула SO₃.
Как из формулы оксида понять, какая кислородная кислота ему соответствует?
Для некоторых оксидов соответствующую кислоту можно получить присоединением воды и записать уравнение реакции. Например, SO₃ + H₂O → H₂SO₄, а N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃. По формуле оксида можно установить состав кислоты, но образование кислоты водой нужно проверять для конкретного оксида.
Все ли оксиды неметаллов реагируют с водой с образованием кислот?
Нет, так ведут себя многие, но не все оксиды неметаллов. Например, SO₃ реагирует с водой с образованием H₂SO₄, а CO не образует кислоту при таком взаимодействии. Поэтому нельзя делать вывод только по тому, что элемент в составе оксида является неметаллом.
§ 14. Водородные и кислородные соединения неметаллов
