Химия, полный курс для 11 класса

Соединения неметаллов: водородные и кислородные

Неметаллы, располагаясь в правой верхней части Периодической системы, образуют два важнейших класса соединений: с водородом и с кислородом. Знание состава, свойств и закономерностей в изменении этих свойств позволяет предсказать и объяснить химическое поведение множества веществ.

1. Летучие водородные соединения

При взаимодействии неметаллов с водородом образуются летучие водородные соединения. Их состав и химическая природа водных растворов закономерно изменяются в зависимости от положения элемента-неметалла в периоде.

• Неметаллы IVA-группы (C, Si) образуют соединения с ковалентными неполярными связями (CH₄ – метан, SiH₄ – силан). Их водные растворы имеют нейтральную реакцию среды, так как эти вещества практически не взаимодействуют с водой.

• Неметаллы VA-группы (N, P) образуют соединения, в растворах которых проявляются основные свойства. Наиболее важно соединение аммиак (NH₃). Его раствор в воде («нашатырный спирт») имеет щелочную среду due to образованию неустойчивого гидроксида аммония:

  NH₃ + H₂O ⇄ NH₃·H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻

• Неметаллы VIA- и VIIA-групп (O, S, Hal – галогены) образуют соединения, водные растворы которых являются кислотами. Это объясняется высокой электроотрицательностью этих элементов. При растворении в воде молекулы HCl, HBr, HI, H₂S диссоциируют на катионы водорода и анионы кислотного остатка, создавая кислую среду:

  HCl → H⁺ + Cl⁻
  H₂S ⇄ H⁺ + HS⁻

Общий вывод: В периоде слева направо характер летучих водородных соединений изменяется от основного (NH₃) через нейтральный (CH₄) к кислотному (HF, HCl).

2. Кислородсодержащие кислоты хлора

Хлор, как и другие галогены, образует ряд кислородсодержащих кислот. Их сила и окислительная активность тесно связаны со степенью окисления атома хлора.

Закономерность: С ростом степени окисления хлора от +1 до +7 сила кислоты увеличивается. Наибольшей окислительной способностью обладает хлорноватистая кислота (HClO), которая широко используется в качестве отбеливателя и дезинфицирующего средства.

3. Кремниевая и угольная кислоты, их соли

Эти кислоты являются кислородсодержащими кислотами элементов главной подгруппы IV группы.

Угольная кислота (H₂CO₃)
Образуется при растворении углекислого газа в воде:

CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃
H₂CO₃ – слабая, неустойчивая кислота. Она легко разлагается на CO₂ и H₂O. Образует два ряда солей:

• Средние соли – карбонаты (K₂CO₃, Na₂CO₃, CaCO₃). Карбонаты щелочных металлов, кроме лития, термически устойчивы и растворимы в воде. Карбонаты других металлов нерастворимы и разлагаются при нагревании.

• Кислые соли – гидрокарбонаты (KHCO₃, NaHCO₃, Ca(HCO₃)₂). Гидрокарбонаты более растворимы в воде, чем соответствующие карбонаты.

Кремниевая кислота (H₂SiO₃)
H₂SiO₃ – очень слабая, нерастворимая в воде кислота. Её получают действием сильной кислоты на силикат щелочного металла:

Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓
При этом выпадает студенистый осадок. Соли кремниевой кислоты – силикаты (Na₂SiO₃, K₂SiO₃). Водные растворы силикатов щелочных металлов называют «жидким стеклом».

4. Азотная и серная кислоты, их окислительные свойства

Азотная и серная кислоты – сильные минеральные кислоты. Их важнейшая особенность – способность проявлять ярко выраженные окислительные свойства за счет не ионов H⁺, а центральных атомов (N⁺⁵ и S⁺⁶), которые могут восстанавливаться.

Азотная кислота (HNO₃)
HNO₃ – сильный окислитель в любой концентрации. Она взаимодействует почти со всеми металлами (кроме Au, Pt, Ir и некоторых других), а также с неметаллами. При этом водород, как правило, не выделяется. Продукты восстановления азота зависят от концентрации кислоты и активности металла.

• Концентрированная HNO₃ (обычно ~60-70%) пассивирует алюминий и железо. При взаимодействии с малоактивными металлами (например, медью) восстанавливается до NO₂:

  Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

• Разбавленная HNO₃ с медью восстанавливается до NO:

  3Cu + 8HNO₃(разб.) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

• С активными металлами (Zn, Mg) разбавленная кислота может восстанавливаться до N₂O, NH₄NO₃ и других продуктов.

Серная кислота (H₂SO₄)
Окислительные свойства серной кислоты сильно зависят от её концентрации.

• Разбавленная H₂SO₄ проявляет свойства сильной кислоты-неокислителя. Окислителем в ней является ион H⁺. Она взаимодействует с металлами, стоящими в ряду напряжений левее водорода:

  Zn + H₂SO₄(разб.) → ZnSO₄ + H₂↑

• Концентрированная H₂SO₄ (≥70%) – сильный окислитель due to атому S⁺⁶. Она пассивирует алюминий, железо и хром при обычной температуре. При нагревании взаимодействует с большинством металлов (кроме Au, Pt), а также с неметаллами.

  • С медью (малоактивный металл) восстанавливается до SO₂:

    Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

  • С цинком (активный металл) может восстанавливаться до SO₂, S или H₂S в зависимости от условий.

  • Окисляет неметаллы, например, уголь:

    C + 2H₂SO₄(конц.) → CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O

Таким образом, знание специфических окислительных свойств азотной и серной кислот необходимо для предсказания продуктов реакций и безопасной работы с этими веществами.