Водневі сполуки неметалів

Водневими сполуками називають бінарні сполуки Гідрогену з іншими хімічними елементами. Водневі сполуки неметалів можна розділити на такі групи: а) сполуки, що розчиняються в воді без гідролітичного розкладу; б) сполуки, що розкладаються водою; в) сполуки, які з водою не взаємодіють.

Максимальна кількість атомів Гідрогену, які можуть входити в склад таких водневих сполук, визначається кількістю вакантних місць на зовнішньому енергетичному рівні неметалу. Таким чином, в водневих сполуках неметал проявляє властивий йому найнижчий негативний ступінь окиснення, наприклад:

NН3	Н2O	HF
PН3	Н2S	HCl
	Н2Se	HBr
		НІ

Отже, кількість атомів Н в молекулах таких водневих сполук збільшується в періоді справа наліво. Електронна будова молекул водневих сполук другого періоду:

Н Н Н Н	Н Н Н	Н Н	Н
метан	аміак	вода	фторо-водень

Атоми в молекулах зв’язані ковалентним полярним або слабо полярним (СН₄, PН₃) зв’язком. Полярність зв’язку в молекулах водневих сполук в періоді посилюється зліва направо, а в підгрупі – знизу вгору. Енергія зв’язку атомів в молекулі збільшується в тому ж напрямку. В цьому ж напрямку зростає і їх розчинність у воді.

Розглянемо зміну кислотно-основних властивостей водневих сполук в періодах на прикладі сполук ІІ періоду:

В молекулі метану всі валентності насичені атомами Гідрогену. Полярність зв’язку С–Н незначна. Тому метан – це міцна, стійка на повітрі сполука, не взаємодіє ні з кислотами, ні з основами, практично не розчиняється в воді.

В аміаку полярність зв’язку N–Н більша, ніж зв’язку С–Н. Крім того, в Нітрогену є неподілена пара електронів. В зв’язку з цим при розчиненні аміаку в воді утворюється основа: NН₃+Н₂O  NН₄⁺+OН^–. Отже, вода по відношенню до аміаку виступає в ролі кислоти.

Полярність зв’язку H–F більша, ніж N–Н. При розчиненні цієї речовини в воді утворюється кислота: HF+Н₂O  Н₃O⁺+F^–. Вода по відношенню до фтороводню проявляє властивості основ. Здатність молекул води в залежності від умов проявляти властивості кислоти чи основи вказує на її подвійну, амфотерну природу.

Таким чином, в періоді зліва направо посилюються кислотні і послаблюються оснóвні властивості водневих сполук.

Розглянемо зміну кислотно-основних властивостей в групах на прикладах сполук V групи:

Оснóвні властивості водневих сполук V групи послаблюються із збільшенням порядкового номеру елементу. Так, фосфін PН₃, на відміну від аміаку, хоча й утворює донорно-акцепторний зв’язок із протоном, що призводить до утворення аналогічних аміаку солей фосфонію з багатьма кислотами, але їх міцність менша, ніж у сполук з іоном NН₄⁺. Ця відмінність фосфіну від аміаку зумовлена значно більшим радіусом атому Фосфору в зрівнянні з атомом Нітрогену. Послаблення оснóвних властивостей рівносильне посиленню кислотних властивостей. В VІІ і VІ групах кислотні властивості водневих сполук p-елементів теж посилюються із збільшенням порядкового номеру елементу.

а) До групи водневих сполук неметалів, що розчиняються у воді без гідролітичного розкладу відносяться сполуки, утворені неметалами, електронегативність яких більша, ніж у Н, наприклад H₂F₂, HCl, HBr, HI, H₂O, H₂S, H₂Se, H₂Te, H₃N. Окрім H₃N, всі вказані сполуки при взаємодії з H₂O віддають Н⁺, наприклад: HCl + H₂O = HClН₂О  Н₃О⁺+ Cl^–, тоді як H₃N відбирає Н⁺ у НОН: NH₃+HOН = NH₃НОН  NH₄⁺+ОН^–. Отже, водні розчини таких сполук є або кислотами, або основами. За звичайних умов ці сполуки є газами, окрім H₂F₂, H₂O, H₃N, які мають аномально високі температури плавлення та кипіння внаслідок утворення асоційованих молекул за рахунок водневого зв’язку.

Відомі і водневі сполуки, в яких неметали проявляють не максимальний негативний ступінь окиснення: N₂Н₄ – гідразін, Н₂О₂ – пероксид гідрогену.

В зв’язку з тим, що в водневих сполуках майже всі неметали проявляють негативну ступінь окиснення, ці сполуки виступають в окисно-відновних реакціях в ролі сильних відновників. Наприклад:

4HCl+MnO₂  MnCl₂+Cl₂+2H₂O

4NH₃+3O₂  2N₂+6H₂O

2H₂S+SO₂  3S+2H₂O

Відновні властивості посилюються в групах із збільшенням порядкового номеру елементу, а в періодах вони слабшають зліва направо.

В якості окисників водневі сполуки неметалів можуть виступати за рахунок наявності в молекулах атому Н в ступені окиснення +1:

2HCl+Zn  ZnCl₂+H₂

2H₂O+2Na  2NaOH+H₂

Водневі сполуки неметалів можуть вступати і в реакції, які протікають без зміни ступеня окиснення. Наприклад:

CuSO₄+5H₂O  CuSO₄·5H₂O

HCl+NH₃  NH₄Cl

K₂O+H₂O  2KOH

Окремі представники:

HF – рідина (t_кип.= 19,9^оС) з різким характерним запахом, з водою змішується в любих співвідношеннях (розчин називають плавиковою кислотою)

HCl – безбарвний газ (з.у.) з характерним різким задушливим запахом, добре розчиняється у воді (1:500), утворюючи розчин соляної кислоти (максим.конц.–38%)

HBr – безбарвний газ (з.у.) з різким запахом, добре розчиняється у воді (1:500)

НІ – безбарвний газ (з.у.) з різким запахом, добре розчиняється у воді (1:500)

H₂S – безбарвний газ (з.у.) з запахом тухлих яєць, отруйний: сильний відновник, погано розчиняється у воді (1:2,5), розчин називають сірководневою водою

NH₃ – безбарвний газ з різким характерним запахом, добре розчиняється в воді (1:700); розчин називають аміачною водою або нашатирним спиртом (максим.конц. 25%); при розчиненні у воді утворюється гідроксид амонію NH₄ОН (NH₄⁺ – амоній-іон), який проявляє властивості слабої основи

б) До водневих сполук неметалів, що розкладаються водою, відносять сполуки Бору та Силіцію. Оскільки ці елементи мають менше значення електронегативності, ніж Н, то в своїх водневих сполуках вони проявляють позитивний ступінь окиснення, тоді як Н – негативний (–1).

Відомо багато сполук Бору з Гідрогеном (наприклад, В₂Н₆, В₄Н₁₀, В₅Н₉, В₆Н₁₀, В₁₀Н₁₄, В₂₀Н₁₆), вони дістали загальну назву борани. Наявність Н, який має ступінь окиснення –1 зумовлює той факт, що борани є надзвичайно сильними відновниками. Так, борани:

• окислюються киснем повітря (окремі з них самозапалюються);

• окислюються галогенами: В₂Н₆+Cl₂  2ВCl₃+6НCl;

• розкладаються водою з виділенням Н₂: В₂Н₆+6H₂O  2Н₃ВО₃+6Н₂;

В₄Н₁₀+12H₂O  4Н₃ВО₃+11Н₂;

• частково відновлюються лугами: В₂Н₆+2КОН  2КОВН₃+Н₂;

В₄Н₁₀+4КОН  4КОВН₃+Н₂;

Борани утворюють продукти приєднання з аміаком: В₂Н₆+2NH₃ В₂Н₆2NH₃

Всі борани одержують тільки непрямим шляхом, головним чином із боридів металів:

4Mg₂B+16HCl  B₄H₁₀+8MgCl₂+3H₂

Аналогічно сполуки Силіцію з Гідрогеном дістали назву силани. Загальна формула силанів Si_nH_2n+2, де n приймає значення від 1 до 6. Хімічні властивості силанів аналогічні боранам. Так, вони можуть самозапалюватися на повітрі; розкладатися водою з виділенням водню і утворенням відповідної кислоти; показовою є реакція галогенування силанів галогеноводнями (а не галогенами, як вуглеводнів): Si₂H₆+2HBr  Si₂H₄Br₂+2H₂.

в) До водневих сполук неметалів, що не взаємодіють з водою, відносяться сполуки Н з С (вуглеводні) та Р (фосфіни). Вуглеводнів відомо дуже багато (їх властивості вивчає органічна хімія), тоді як фосфінів – декілька: РН₃, Р₂Н₄, Р₁₂Н₆.

Фосфін РН₃ – газ, дуже погано розчинний у воді. Утворює нестійкі сполуки приєднання з галогеноводнями. Одержують гідролізом фосфідів металів: Са₃Р₂+НОН  Са(ОН)₂+РН₃.

Оксиди

Електронегативність всіх неметалів, окрім Флуору, менша, ніж у Оксигену. Це означає, що в сполуках з Оксигеном неметали мають позитивний ступінь окиснення, а Оксиген – негативний; зв'язок між Оксигеном і неметалом – ковалентний полярний. У сполуці з Флуором OF₂ Оксиген проявляє позитивну ступінь окиснення і її можна розглядати як фторид оксигену. Сполуки елементу з Оксигеном, ступінь окиснення якого –2, відносять до класу оксидів. Молекули оксидів побудовані так, що в них наявні зв'язки тільки між елементом та Оксигеном. Сполуки елементів з Оксигеном, у молекулах яких між двома атомами Оксигену є зв’язок, називають пероксидами (Н₂О₂– пероксид гідрогену (Н–О–О–Н).

Назви оксидів складають з двох слів: оксид+назва елементу в родовому відмінку. Відомі оксиди, в яких неметал проявляє властивий йому вищий ступінь окиснення (наприклад, В₂О₃, СО₂, N₂O₅, SO₃, Cl₂O₇), а також нижчі (наприклад, СО, N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, СlO₂). Якщо елемент утворює декілька оксидів, то після назви елемента вказують його ступінь окиснення (римською цифрою в дужках): оксид сульфуру(ІV) – SO₂, оксид сульфуру(VI) – SO₃. Окремі оксиди мають і тривіальні назви: СО – чадний газ, СО₂ – вуглекислий газ, SiO₂ – пісок, N₂O – веселящий газ.

За хімічними властивостями оксиди поділяють на солетворні та несолетворні. Несолетворними називають оксиди, які не взаємодіють з водою і не утворюють солей, їх є небагато: СО, SiO, N₂O, NO. Оксиди, що під час хімічних реакцій утворюють солі, є солетворними. До них належить більшість оксидів. Оксиди неметалів при взаємодії з водою утворюють відповідні кислоти, тому їх відносять до кислотних оксидів, а також називають ангідридами відповідних кислот.