Водородные соединения и их свойства.

ВОПРОС №29

В табличке собраны некоторые простейшие водородные соединения (гидриды) неметаллов:

 

 

Физические свойства гидридов в целом из­меняются закономерно в пределах каждой груп­пы: чем ниже стоит неметалл, тем выше темпе­ратура кипения его гидрида и тем легче можно превратить газообразный гидрид в жидкость.

Однако поведение аммиака, воды и фтористого водорода нарушает общую логику: температура кипения и плавления этих соединений аномаль­но высока.

Дело в том, что их молекулы ассоциированы и не отвечают их простейшей формуле. Так, даже в кипящем фтористом водороде (+20°) средний состав его отвечает формуле (HF)₄ и лишь при 90° пары состоят из молекул HF. Аналогично, хотя и в меньшей степени, ассо­циированы молекулы жидкого аммиака. Вода в обычных условиях, кроме простейших моле­кул Н₂О, содержит молекулы (Н₂O)₂, (Н₂O)₃...

Связь между молекулами воды в таких «двойных» и «тройных» молекулярных агрега­тах из-за ее относительной прочности нельзя объяснить лишь обычной ориентацией диполей.

Как происходит такая ассоциация молекул?

 

 

Чтобы это было ясно, вспомним, что каждая валентная черточка символизирует общую пару электронов ковалентно связанных атомов. Кро­ме того, атом кислорода имеет и «свободную», только ему принадлежащую пару электронов. Поэтому атом водорода имеет возможность связаться не только со «своим» атомом кислорода, но и с «чужим». Правда, такая связь менее проч­на, чем обычная ковалентная связь. Называют ее водородной связью.

 

 

Таким же образом происходит ассоциация мо­лекул фтористого водорода:

 

 

В этом случае водородная связь оказывается особенно прочной, так что в растворах фтори­стоводородной кислоты, кроме привычных нам ионов:

 

 

 

 

Водородная связь похожа на уже знакомую нам координационную связь, образованную за счет «чужой» пары электронов. Такая связь образуется не обязательно между одинаковыми молекулами. Вот что происходит, например, при растворении аммиака в воде:

 

В свойствах гидридов отчетливо проявляет­ся периодичность. Возьмем, к примеру, гидри­ды неметаллов второго периода. Метан — ве­щество совершенно нейтрального характера, своеобразный «инертный» газ. Далее следует аммиак, способный присоединять ионы водоро­да и потому обладающий основными свойствами. Фтористый водород, как известно, кислота, а вода, стоящая в нашей таблице между аммиа­ком и фтористым водородом, в определенном смысле является амфотерным электролитом. В самом деле, в реакции с аммиаком вода ведет себя как кислота (отдает протон):

 

При взаимодействии же с фтористым водородом она связывает протон, т. е. ведет себя как осно­вание:

 

Чем ниже стоит гидрид в нашей таблице, тем слабее становятся его основные свойства, если измерять их способностью реагировать с кислотами. Действительно, широко известны соли аммония, образующиеся из аммиака и кислот. А гидрид фосфора РН₃, который в принципе тоже способен присоединять протон, давая ион фосфония РН₄⁺, образует лишь не­сколько устойчивых солей с самыми сильными кислотами, например (PH₄)⁺ClO₄^-.

Кислотные же свойства гидридов, наоборот, увеличиваются сверху вниз. Так, кислотные свойства у сероводорода выше, чем у воды, а из галогеноводородных кислот самая слабая фтористоводородная. На примере гидридов не­металлов можно проследить действие важней­шего закона природы: между самыми противо­положными свойствами нет непроходимой гра­ницы, во всяком явлении борются противопо­ложные тенденции, причем в зависимости от условий либо побеждает одна из них, либо происходит их синтез, совмещение, переход од­ной противоположности в другую. Этот закон поможет нам понять некоторые интересные яв­ления, быть может несколько неожиданные и необычные.