Repetitor_po_Khimii

Химические свойства

1.Неметаллы как окислители

1.1.Окислительные свойства неметаллов проявляются

впервую очередь при их взаимодействии с металлами.

В табл. 38 показано, какие соединения образуют неметаллы при взаимодействии с металлами.

1.2.Все неметаллы играют роль окислителя при взаимодействии с водородом (см. § 8.2).

1.3.Любой неметалл выступает в роли окислителя в реакциях с теми неметаллами, которые имеют более низкую ЭО. Например:

+5 –2

2Р0 + 5S0 = P2S5

В этой реакции сера — окислитель, а фосфор — восстановитель, так как ЭО фосфора меньше ЭО серы.

1.4.Окислительные свойства неметаллов проявляются

вреакциях с некоторыми сложными веществами. Здесь важно особо отметить окислительные свойства неметалла — кислорода в реакциях окисления сложных веществ:

Общая схема реакций

360

1.5. Не только кислород, но и другие неметаллы (фтор, хлор, бром и другие) также могут играть роль окислителя в реакциях со сложными веществами. Например, сильный окислитель Сl2 окисляет хлорид железа (II) в хлорид железа (III):

2FеСl2 + Сl20 = 2FеСl3

На разной окислительной активности основана способность одних неметаллов вытеснять другие из растворов их солей. Например, бром, как более сильный окислитель (ЭО (Br) > ЭО (I)), вытесняет йод в свободном виде из раствора йодида калия:

–1 –1

2KI + Br20 = 2KBr + I20

2. Неметаллы как восстановители

Следует подчеркнуть, что неметаллы (кроме фтора) могут проявлять и восстановительные свойства. При этом электроны атомов неметаллов смещаются к атомам элементовокислителей. В образующихся соединениях атомы неметаллов имеют положительные степени окисления. Высшая положительная степень окисления неметалла обычно равна

номеру группы.

2.1. Все неметаллы выступают в роли восстановителей при взаимодействии с кислородом, так как ЭО кислорода больше

ЭО всех других неметаллов (кроме фтора):

2.2. Многие неметаллы выступают в роли восстановителей в реакциях со сложными веществами-окислите-

лями:

361

— взаимодействие с кислотами-окислителями:

S0 + 6HNO3 = H2SO4 + 6NO2 + 2Н2О;

конц.

— взаимодействие с солями-окислителями:

6Р0 + 5КСlО3 = 5КСl + 3Р2O5

Наиболее сильные восстановительные свойства имеют неметаллы углерод и водород:

Таким образом, практически все неметаллы могут выступать как в роли окислителей, так и в роли восстановителей. Это зависит от того, с каким веществом взаимодействует неметалл.

3. Реакции самоокисления-самовосстановления

Существуют и такие реакции, в которых один и тот же неметалл является одновременно и окислителем, и восстановителем. Это реакции самоокисления-самовосстанов- ления (диспропорционирования).

Например:

362

Краткая характеристика оксидов неметаллов и соответствующих им гидроксидов

Оксиды неметаллов делятся на две группы: несолеобразующие и солеобразующие оксиды. К несолеобразующим

оксидам относятся: SiO, N2O, NO, CO. Все остальные оксиды неметаллов являются солеобразующими. Например: Р2О5,

Сl2О7, SO3, SO2. Солеобразующие оксиды неметаллов относятся к типу кислотных оксидов. Среди них есть газо-

образные вещества (СО2, SO2, NO2 и др.), жидкие вещества

(SO3, N2O3 и др.) и твердые (P2O5, SiO2 и др.).

Кислотные оксиды — это ангидриды кислот. Например: СО2 — ангидрид угольной кислоты Н2СО3, Р2О5 — ангидрид фосфорной кислоты Н3РО4.

Все кислотные оксиды, кроме SiO2, растворяются в воде. При растворении кислотных оксидов в воде образуются ги-

драты оксидов — гидроксиды, которые по своему характеру являются кислотами, например:

+5 +5

N2O5 + Н2О = 2HNO3 Азотная кислота

Если неметалл образует две или более кислородсодержащие кислоты, то сила этих кислот увеличивается с увеличением степени окисления неметалла:

Краткая характеристика водородных соединений неметаллов

Водородные соединения неметаллов, формулы и названия которых приведены в табл. 39, представляют собой летучие газообразные соединения (кроме Н2О).

Водородные соединения неметаллов характеризуются различным отношением к воде. Метан и силан в воде плохо рас-

363

творимы. Аммиак и фосфин при растворении в воде образуют слабые основания — гидроксид аммония NH4OH и ги-

дроксид фосфония РН4ОН.

При растворении в воде сероводорода H2S, селеноводорода H2Se и теллуроводорода Н2Те, а также галогеноводоро-

дов — фтороводорода HF, хлороводорода НСl, бромоводорода НBr и йодоводорода HI образуются кислоты той же фор-

мулы, что и сами водородные соединения.

Вопросы для контроля

1.Сколько элементов относят к неметаллам?

2.Каково процентное содержание неметаллов в организме человека? Какие элементы являются органогенными элементами?

3.Какие газы-неметаллы входят в состав воздуха и каково процентное содержание каждого из них?

4.В каких подгруппах находятся неметаллы?

5.Какие неметаллы относятся к s-семейству, p-семейству?

6.Какое число электронов может быть у атомов неметаллов на внешнем электронном слое?

364

7.Сколько электронов могут принимать атомы неметаллов для завершения октета в зависимости от строения внешнего электронного слоя?

8.Какие степени окисления могут иметь атомы неметаллов в соединениях?

9.Как изменяются сродство к электрону, электроотряцательность

иокислительные свойства неметаллов в периодах и подгруппах?

10.Каков тип химической связи между атомами в кристаллической структуре неметаллов? Чем отличаются простые вещества-неметал- лы от металлов по физическим свойствам?

11.При взаимодействии с какими веществами неметаллы играют роль окислителей? Приведите примеры.

12.При взаимодействии с какими веществами неметаллы играют роль восстановителей? Приведите примеры.

13.Приведите примеры реакций самоокисления — самовосстановления неметаллов.

14.К какому типу солеобразующих оксидов относятся оксиды неметаллов?

15.Что образуется при растворении кислотных оксидов в воде?

16.Как зависит сила кислородсодержащих кислот, образованных одним

итем же неметаллом, от его степени окисления?

17.Охарактеризуйте водородные соединения неметаллов.

Упражнения для самостоятельной работы

1.Какие из указанных ниже элементов относятся к неметаллам: Li, Na, He, N, Pb, P, Si, Xe, As, Fe, Zn, At, I, C?

2.Назовите элементы шестой группы, которые относятся к неметаллам.

3.Какие элементы главной подгруппы четвертой группы относятся к неметаллам?

4.Назовите неметаллы, которые при обычных условиях являются газообразными веществами. Какой неметалл при обычных условиях находится в жидком состоянии?

5.Почему элементы главной подгруппы восьмой группы называются инертными газами?

6.Назовите все неметаллы, атомы которых имеют конфигурацию внешнего слоя: ns2np5; ns2np3.

7.Укажите, в каких из указанных ниже соединений атомы неметаллов

имеют положительные степени окисления: АlCl3, SiH4, CaH2, LiH, PH3, P2O5, Cl2O7, SF6, РСl3, HI, H2S, SCl2, H2Se, MgCl2.

365

8.В каком из следующих состояний атомы неметаллов на внешнем электронном слое имеют октет электронов: S0, S–2, Сl–1, Р0, Si+4, Si0, С0, С–4, N0, N–3, F0, Se–2, Br+3, Те–1?

9.Какова конфигурация внешних электронных слоев атомов неметал-

лов в следующих состояниях: S–2, Сl–1, Si–4, H+1, S–2, P+5?

10.Изобразите электронную конфигурацию атомов неметаллов в следующих состояниях: Сl+7, Se–2, P0, С0, Кг0, Хе+4.

11.Даны пары неметаллов с указанными степенями окисления: a) Si+4 и F–1, б) Р+5 и Сl–1, в) Si–4 и Н+1, г) H+1 и S–2. Составьте формулы со-

единений из каждой пары неметаллов.

12.Напишите химическую формулу каждого из следующих веществ: а) фторида ксенона (IV), б) оксида азота (I), в) хлорида фосфора (V), г) оксида мышьяка (III), д) оксида селена (VI).

13.Составьте уравнения следующих химических реакций:

а) I2 + НNО3 НIO3 + NO; б) WO3 + Н2 W + Н2O.

14.Укажите в каждой из указанных пар кислот более сильную кислоту: H2SeO3 и H2SeO4; HClO и НСlO2; НIO3 и НIO4.

15.Напишите формулы кислот, образующихся при взаимодействии во-

ды со следующими кислотными оксидами: SeO2; Cl2O7; P2O5; SO3; MnO7.

§ 8.2. Водород, его получение, свойства и применение. Пероксид водорода

Водород — элемент с порядковым номером 1, его относительная атомная масса 1,008. Электронная формула атома водорода: 1s1.

Водород занимает двойственное положение в периодической системе элементов, его принято размещать и в I и

вVII группах (в главных подгруппах). Это обусловлено тем, что он имеет черты сходства и со щелочными металлами, и с галогенами. Как и атомы щелочных металлов, атом водорода может отдавать 1 электрон (окисляться) и превращаться

вположительно заряженный ион Н+. С другой стороны, как

иатомы галогенов, атом водорода может присоединять 1 электрон (восстанавливаться), завершая при этом свою электронную оболочку (1s2) и превращаясь в отрицательно заряженный гидрид-ион Н–.

366

Электроотрицательность водорода 2,1, что является промежуточной величиной между ЭО типичных металлов и типичных неметаллов.

В своих соединениях водород обычно имеет степень окисления +1 и реже — 1.

Стабильные изотопы водорода: протий 1Н (легкий водород; 99,985 %) и дейтерий 2Н, или Д (тяжелый водород; 0,015 %); радиоактивный изотоп — тритий 3Н, или Т (на Земле его содержится всего около 2 кг).

Нахождение в природе

Водород — наиболее распространенный элемент в космосе (в состав космической материи входит 63 % Н, 36 % Не и 1 % остальных элементов). На Земле водород встречается главным образом в химически связанном виде (вода, живые организмы, нефть, уголь, минералы). Следы свободного водорода обнаружены в верхних слоях атмосферы.

Получение

Существует достаточно много способов получения водорода. Рассмотрим наиболее широко используемые лабораторные (первые три) и промышленные способы.

1.Взаимодействие металлов, находящихся в ряду напряжений до водорода, с кислотами-неокислителями (НСl, разб. H2SO4); например:

Zn + 2НСl = ZnCl2 + Н2

2.Взаимодействие металлов, образующих амфотерные оксиды и гидроксиды (Al, Zn и др.), с растворами щелочей; например:

2Аl + 2NaOH + 6Н2О = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

или упрощенно:

2Аl + 2NaOH + 2Н2О = 2NaAlO2 + 3H2

3.Взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов

сводой; например:

Са + 2Н2О = Са(ОН)2 + Н2

367

4.Электролиз разбавленных растворов щелочей, серной кислоты, хлоридов щелочных металлов; например:

электролиз

2NaCl + 2Н2O Н2 + Сl2 + 2NaOH

(на катоде) (на аноде)

5. Восстановление водяного пара такими металлами, как магний, цинк, железо; например:

t°

3Fe + 4Н2О(г) = Fe3O4 + 4Н2

6. Восстановление водяного пара раскаленным коксом (угле-

родом):

t°

С + Н2О(г) = СО + Н2.

Образующаяся при этом смесь оксида углерода (II) и водорода называется водяным газом. Он широко используется

как горючий газ, в качестве сырья для синтеза различных химических продуктов (аммиака, метанола и др.). Для выделения водорода из водяного газа содержащийся в нем СО превращают при нагревании с водяным паром в СО2 (конверсия водяного газа):

t°

СО(г) + Н2О(г) СО2(г) + Н2(г).

Затем СО2 удаляют, пропуская реакционную смесь через горячий раствор карбоната калия.

7.В настоящее время в промышленности водород получают главным образом из природного газа, основным компо-

нентом которого является метан СH4. Реакция, протекающая при смешивании природного газа с водяным паром и кислородом и нагревании этой смеси до 800—900 °С, может быть выражена следующим уравнением:

t°

2СН4 + О2 + 2Н2О = 2СО2 + 6Н2.

Углекислый газ из образующейся смеси газов удаляют описанным выше способом (см. п. 6).

Физические свойства

В свободном виде водород образует одно простое вещество, состоящее из двухатомных молекул Н2, в которых два

368

атома водорода связаны ковалентной одинарной связью: Н—Н.

Водород Н2 — газ без цвета и запаха, плотность при н. у. 0,09 г/л (в 14 раз легче воздуха). Температура кипения — 252,8 °С (это один из самых трудносжижаемых газов). В воде очень плохо растворим. Хорошо растворяется в некоторых металлах (палладий, платина, никель).

Химические свойства

Связь в молекуле Н2 очень прочная, поэтому химически водород малоактивен. Его реакционная способность значительно повышается в присутствии таких катализаторов, как платина и никель. Это объясняется тем, что, растворяясь в этих металлах, молекулы водорода распадаются на атомы. Образующийся атомарный водород значительно активнее молекулярного. Атомарным является также водород в момент выделения (лат. in statu nascendi). Поэтому некоторые реакции проводят так, чтобы реагент взаимодействовал с водородом, образующимся непосредственно в реакционной смеси, например, в ходе реакции: Zn + 2НСl = ZnCl2 + 2Н. Атомы водорода при этом не успевают соединяться в молекулы Н2,

авступают в реакцию с реагентом.

Вхимических реакциях водород может быть как восстановителем (что для него более характерно), так и окислителем.

1.Реакции с простыми веществами

Водород взаимодействует как восстановитель:

а) с кислородом при поджигании или внесении в водород- но-кислородную смесь Pt-катализатора:

+1

2Н20 + О2 = 2Н2О + 572 кДж

Смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 при поджигании взрывается (так называемый «гремучий газ»);

б) с серой при нагревании (реакция обратима):

150—300 °C +1

Н20 + S Н2S;

369