СОЕДИНЕНИЯ НЕМЕТАЛЛОВ С ВОДОРОДОМ

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕМЕТАЛЛОВ.

Поскольку у неметаллов высокая электроотрицательность, их простые вещества могут выступать окислителями.

При этом восстановителями могут быть –

а) металлы: O₂⁰ + Mg→ MgO^–2 (оксид магния),

N₂⁰ + Li→ Li₃N^–3 (нитрид лития),

S⁰ + Zn→ ZnS^–2 (сульфид цинка);

б) менее активные неметаллы: O₂⁰ + C→ CO₂^–2,

O₂⁰ + P→ P₂O₅^–2,

O₂⁰ + S→ SO₂^–2,

в) сложные вещества: O₂⁰ + C₂H₅OH→ CO₂^–2 + H₂O^–2,

Br₂⁰ + Ni(OH) ₂ + KOH→ KBr^–1 + Ni₂O₃⋅xH₂O.

Степень окисления, в которую при этом переходит неметалл-окислитель, легко определить по правилу n–8, где n– номер группы.

Неметаллы бывают восстановителями только в реакциях с более активными неметаллами:

H₂⁰ + N₂ NH₃⁺¹,

S⁰ + F₂ → S⁺⁶F₆,

 

а также с сильными окислителями:

P⁰ + KClO₃ (при ударе) → P₂⁺⁵O₅ + KCl,

S⁰ + KNO₃ (при нагревании) → KNO₂ + S⁺⁴O₂.

Углерод при высоких температурах способен восстанавливать даже некоторые оксиды металлов, например, кокс – железную руду:

3С⁰ + Fe₂O₃ = 3C⁺²O + Fe.

Эта реакция возможна за счёт образования газообразного продукта CO.

При взаимодействии с водойряда наиболее активных неметаллов происходит их диспропорционирование:

Cl₂⁰ + H₂O HCl^–1 + HOCl⁺¹,

I₂⁰ + H₂O HI^–1 + HIO₃⁺⁵.

Однако эти реакции идут в незначительной степени и равновесия сильно смещены влево.

Поскольку в реакциях образуются кислоты, можно добиться смещения равновесия введением щёлочи:

Cl₂⁰ + 2NaOH = NaCl^–1 + NaOCl⁺¹ + H₂O.

При нагревании раствора устойчивее более высокие степени окисления галогенов:

Cl₂⁰ + KOH(раствор, нагревание) → KCl^–1 + KClO₃⁺⁵ (бертолетова соль).

По такой же схеме (с диспропорционированием) при нагревании в щелочах растворяются и некоторые менее активные неметаллы:

3S⁰ + 3NaOH = 2Na₂S^–2+ Na₂S⁺⁴O₃,

2P⁰ + 2NaOH + H₂O = P^–3H₃+ Na₂[P⁺³O₃H].

Неметаллы с минимальной электроотрицательностью растворяются в щелочах с выделением водорода:

Si⁰ + 2NaOH + 2H⁺¹₂O = Na₂[H₂Si⁺⁴O₄] + 2H⁰₂↑.

Углерод реагирует с водяным паром только выше 900 °С:

C⁰ + H⁺¹₂O = C⁺²O + H⁰₂.

Во фторе вода горит с выделением кислорода:

F₂⁰ + H₂O^–2 = HF^–1 + O⁰₂.

Из-за высокой прочности молекул водорода при комнатной температуре с ним реагирует только фтор (со взрывом):

H₂ + F₂ → 2HF(фтороводород).

При нагревании взрывают также смеси H₂ с Cl₂ и с O₂:

2H₂ + O₂ (гремучая смесь) → 2H₂O.

Активно идёт взаимодействие с Br₂ и H₂. В остальных случаях реакция идёт с трудом или вообще не идёт. Тем не менее, для связывания атмосферного азота в аммиак применяют следующий процесс:

N₂ + 3H₂ 2NH₃.

Его обычно проводят при 500 °С и 300 атм, используют катализатор (губчатое железо с активирующими добавками). При этих условиях равновесие смещено влево, но аммиак легко извлечь из смеси, пропустив её через воду.

Часто прямая реакция неметалла с водородом вообще невозможна, а соединение получают косвенным путём:

Mg₂Si + HCl = MgCl₂ + SiH₄↑.

Все соединения неметаллов с водородом состоят из молекул.

 

Простейшие молекулы содержат один центральный атом и число атомов водорода, определяемое правилом 8–n (n– номер группы Периодической системы):

HCl, H₂S, PH₃.

У бора такой простой формы нет.

 

Есть и более сложные формы: B₄H₁₀ – тетраборан, N₂H₄ – гидразин, Si₂H₆ – дисилан, многочисленные углеводороды, например, октан C₈H₁₈, бензол C₆H₆ и другие.

Связь водорода с центральным атомом: ковалентная полярная, общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому:

H :F.

Обычно водород слабее удерживает свой электрон и приобретает положительный заряд. И лишь в силанах и боранах – наоборот.

Часть водородных соединений при растворении в воде даёт кислоты.

Формула	Название	Сила кислоты	Kонстанта диссоциации	Соли
HF	плавиковая	средней силы	6,6⋅10–4	фториды
HCl	соляная	сильная	1⋅10+7	хлориды
H2S	сероводородная	слабая	6⋅10–8	сульфиды
H2Te	теллуроводородная	средней силы	1⋅10–3	теллуриды

 

В подгруппе сверху вниз сила этих кислот увеличивается, из галогеноводородных слабее всех – плавиковая, сильнее всех – иодоводородная. Причина состоит в увеличении длины и снижении прочности связи H–Э.

При взаимодействии кислотных водородных соединений со щелочами получаются соли:

H₂S + 2NaOH→ Na₂S + 2H₂O.

Наоборот, действием сильной или нелетучей кислоты на такую соль можно получить водородное соединение:

ZnS + 2HCl→ ZnCl₂ + H₂S↑,

KCl(сухой) + H₃PO₄(конц.) (нагревание) → KH₂PO₄ + HCI↑,

Из водородных соединений основную природу имеет только аммиак. В его растворе устанавливаются равновесия:

NH₃ + H₂O NH₃⋅H₂O NH₄⁺ + OH^–.

При взаимодействии аммиака с кислотами получаются соли, содержащие ион NH₄⁺ (ион аммония):

NH₃ + HCl(в растворе) → NH₄Cl.

Ион NH₄⁺ имеет форму правильного тетраэдра, как и молекула метана CH₄, все связи N–Hв нём равноценны. Образование четвёртой ковалентной связи можно объяснить донорно-акцепторным механизмом: один из атомов (в данном случае, азот) предоставляет целую электронную пару (является донором), другой (ион водорода H⁺) имеет выгодную по энергии свободную орбиталь (является акцептором).

Аммиак – слабое основание, поэтому может вытесняться из солей более сильными:

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ (нагревание) → 2NH₃↑ + CaCl₂ + 2H₂O.

Соли аммония разлагаются при нагревании –

А) по обменному механизму:

NH₄Cl→ NH₃ + HCl,

Б) с редокс-реакцией, если анион может быть окислителем:

(N^–3H₄) ₂Cr⁺⁶₂O₇ → N⁰₂ + Cr⁺³₂O₃ + 4H₂O.

Водородные соединения ряда неметаллов в обычных условиях практически не проявляют ни кислотных, ни основных свойств (фосфин, углеводороды, силаны, бораны).

Все водородные соединения неметаллов, кроме галогеноводородов, сгорают в кислороде:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O,

2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O,

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O.