Вищі оксиди, гідроксиди й леткі сполуки з Гідрогеном за номером групи

Вищий оксид — це оксид, у якому елемент виявляє найвищий додатний ступінь окиснення. Для більшості елементів головних підгруп (короткої форми періодичної системи) цей ступінь окиснення дорівнює номеру групи. Звідси випливають загальні формули вищих оксидів:

Конкретні приклади:

• I група: Na₂O (натрій оксид)

• II група: MgO (магній оксид)

• III група: Al₂O₃ (алюміній оксид)

• IV група: SiO₂ (силіцій(IV) оксид)

• V група: P₂O₅ (фосфор(V) оксид) — найпростіша формула; молекулярна формула — P₄O₁₀

• VI група: SO₃ (сульфур(VI) оксид)

• VII група: Cl₂O₇ (хлор(VII) оксид)

Важливо розуміти: вищий оксид — не будь-який оксид елемента. Наприклад, Сульфур утворює SO₂ (сульфур(IV) оксид) і SO₃ (сульфур(VI) оксид). Вищим є SO₃, оскільки в ньому ступінь окиснення S дорівнює +6 — номеру VI групи. SO₂ — не вищий оксид.

Винятки з правила

Правило «номер групи = найвищий ступінь окиснення» має важливі винятки:

• Оксиген (O) — не утворює вищого оксиду за номером групи (VI). Його сполука з Флуором OF₂ — оксиген дифлуорид, а не оксид.

• Флуор (F) — найелектронегативніший елемент, у сполуках виявляє ступінь окиснення −1, тому не має вищого оксиду. Не приписуй F формулу F₂O₇!

• Інертні (благородні) елементи: He, Ne, Ar сполук не утворюють, тому правило до них не застосовують. Kr, Xe, Rn утворюють небагато сполук, переважно з Флуором і Оксигеном (XeF₂, XeO₃, XeO₄); у XeO₄ ступінь окиснення Xe +8 дорівнює номеру VIII групи. Для VIII групи в рядку «Вищі оксиди» довідкової таблиці наведено загальну формулу RO₄ (там — EO₄).

У короткій періодичній системі є окремий рядок «Вищі оксиди», де наведено загальні формули для кожної групи. Користуйся ним під час НМТ.

Неметалічні елементи IV–VII головних підгруп утворюють з Гідрогеном типові леткі сполуки. Валентність неметалу в цих сполуках дорівнює 8 мінус номер групи (правило октету). Звідси випливають загальні формули:

Конкретні приклади:

• IV група: CH₄ (метан), SiH₄ (силан)

• V група: NH₃ (амоніак), PH₃ (фосфін)

• VI група: H₂O (вода), H₂S (гідроген сульфід)

• VII група: HF (гідроген флуорид), HCl (гідроген хлорид)

Що означає «летка»?

Термін «летка сполука» не означає, що кожна така речовина є газом за кімнатної температури. Наприклад, вода (H₂O) за звичайних умов — рідина, але вона має високу леткість (випаровується). Усі перелічені сполуки мають порівняно низькі температури кипіння порівняно з типовими солями чи оксидами.

Не плутай з гідридами металів

Леткі сполуки з Гідрогеном утворюють лише неметали. Гідриди металів (NaH, CaH₂) мають зовсім іншу будову, хімічний зв'язок і властивості. Їхні формули не підпорядковуються правилу «8 мінус номер групи».

У короткій періодичній системі є рядок «Леткі сполуки з Гідрогеном», де наведено загальні формули для груп IV–VII. Детальні властивості HCl, H₂S, NH₃ та інших сполук вивчають у курсі хімії елементів.

У межах одного малого періоду (наприклад, третього) характер вищих оксидів закономірно змінюється від основного через амфотерний до кислотного. Це пов'язано зі зростанням електронегативності елемента та зменшенням металічних властивостей.

Третій період: вищі оксиди

Як бачиш, у третьому періоді перехід відбувається поступово: Na₂O і MgO — основні оксиди, Al₂O₃ — амфотерний, а SiO₂, P₂O₅, SO₃ та Cl₂O₇ — кислотні. Не узагальнюй цю закономірність на всі сполуки будь-якого елемента: наприклад, Cr утворює оксиди різного характеру залежно від ступеня окиснення.

Відповідні гідроксиди

Кожному вищому оксиду відповідає гідроксид (у широкому хімічному розумінні — сполука, що містить групу OH або здатна її утворювати з водою):

Відповідність оксиду й кислоти не означає, що оксид обов'язково реагує з водою з утворенням цієї кислоти. Наприклад, SiO₂ не реагує з водою, хоча йому відповідає H₂SiO₃. Повні реакції класів неорганічних сполук — окрема тема програми НМТ.

Знаючи загальну формулу вищого оксиду або леткої сполуки з Гідрогеном, можна визначити невідомий елемент за масовою часткою іншого елемента (найчастіше Оксигену).

Алгоритм розв'язання

1. Визнач тип формули за номером групи (наприклад, RO₃ — VI група).

2. Запиши масу всіх атомів Оксигену у формулі: для RO₃ це 3·16 = 48.

3. Запиши формульну масу: M = Ar(R) + 48.

4. Склади рівняння для масової частки Оксигену: w(O) = 48 / (Ar(R) + 48).

5. Розв'яжи рівняння, знайди Ar(R).

6. Звір знайдену атомну масу з періодичною системою та переконайся, що елемент належить до тієї групи, яку передбачає формула.

Приклад розрахунку

Нехай вищий оксид має формулу RO₃, а масова частка Оксигену в ньому становить 60 % (0,6).

Складаємо рівняння:

w(O) = 48 / (Ar(R) + 48) = 0,6

48 = 0,6 · (Ar(R) + 48)

48 = 0,6·Ar(R) + 28,8

0,6·Ar(R) = 19,2

Ar(R) = 19,2 / 0,6 = 32

Ar = 32 відповідає Сульфуру (S). Сульфур належить до VI групи, що узгоджується з формулою RO₃. Отже, невідомий елемент — Сульфур, а оксид — SO₃.

Важливі застереження

• Завжди звіряй знайдену атомну масу з номером групи. Наприклад, Ar = 12 (Карбон) і Ar = 28 (Силіцій) обидва належать до IV групи, тому формула RO₂ підходить обом, але треба враховувати додаткові дані.

• Для леткої сполуки RH₃ роби висновок про V головну групу, але без додаткових даних не обирай автоматично N замість P — обидва мають однакову валентність.

• Задачі на складні суміші й виведення формул за продуктами згоряння належать до окремої теми розрахункових задач.

Приклад 1. Логічні пари: вищі оксиди Si, P, Cl

Завдання: Установи відповідність між елементом (1–3) і найпростішою формулою його вищого оксиду (А–Д).

1 Si · 2 P · 3 Cl

А RO · Б RO₂ · В R₂O₅ · Г RO₃ · Д R₂O₇

Розв'язання:

• Si — IV група, вищий оксид RO₂. Отже, 1 → Б.

• P — V група, вищий оксид R₂O₅. Отже, 2 → В.

• Cl — VII група, вищий оксид R₂O₇. Отже, 3 → Д.

Відповідь: 1Б, 2В, 3Д.

Чому інші варіанти неправильні: А (RO) — формула для II групи, не підходить жодному з елементів. Г (RO₃) — формула для VI групи, а серед елементів немає Сульфуру чи Селену.

Приклад 2. Визначення групи за леткою сполукою H₂R

Завдання: Елемент R утворює летку сполуку з Гідрогеном складу H₂R. До якої головної підгрупи (короткої форми) належить цей елемент?

Розв'язання: Формула H₂R показує, що валентність неметалу дорівнює II. За правилом «8 мінус номер групи»: номер групи = 8 − 2 = 6. Отже, елемент належить до VI групи.

Відповідь: VI група.

Чому не II група? Формула H₂R могла б нагадувати гідрид металу II групи (наприклад, CaH₂), але йдеться про летку сполуку, яку утворюють лише неметали. Для металів термін «летка сполука з Гідрогеном» не застосовують. Чому не IV або VII? Для IV групи формула RH₄, для VII — HR.

Приклад 3. Елемент за масовою часткою Оксигену в RO₂

Завдання: Вищий оксид невідомого елемента має формулу RO₂. Масова частка Оксигену в ньому становить 8/15. Визнач елемент.

Розв'язання:

Формула RO₂ відповідає IV групі. Маса Оксигену: 2·16 = 32. Формульна маса: Ar(R) + 32.

Складаємо рівняння: 32 / (Ar(R) + 32) = 8/15

32·15 = 8·(Ar(R) + 32)

480 = 8·Ar(R) + 256

8·Ar(R) = 224

Ar(R) = 28

Ar = 28 відповідає Силіцію (Si). Силіцій належить до IV групи, що узгоджується з формулою RO₂.

Відповідь: Si (Силіцій).

Чому не C (Ar=12)? Карбон теж IV група, але його атомна маса 12, а не 28. Чому не S? Сульфур має Ar=32, але його вищий оксид — SO₃ (RO₃), а не RO₂. Чому не Mg? Магній — метал II групи, його вищий оксид MgO (RO), а не RO₂.

Приклад 4. Ряд «основний, амфотерний, кислотний оксид»

Завдання: У якому рядку формули оксидів розташовані в порядку «основний — амфотерний — кислотний»?

• А) Al₂O₃, MgO, SO₃

• Б) MgO, Al₂O₃, SO₃

• В) SO₃, Al₂O₃, Na₂O

• Г) MgO, SO₃, Al₂O₃

Розв'язання: Згадуємо третій період: Na₂O (основний) → MgO (основний) → Al₂O₃ (амфотерний) → SiO₂ (кислотний) → P₂O₅ (кислотний) → SO₃ (кислотний) → Cl₂O₇ (кислотний).

Потрібен рядок, де перший оксид основний, другий амфотерний, третій кислотний. Цю умову виконує лише варіант Б: MgO, Al₂O₃, SO₃.

Відповідь: Б (MgO, Al₂O₃, SO₃).

Чому не інші варіанти? У варіанті А першим стоїть амфотерний Al₂O₃, у варіанті В порядок обернений (кислотний — амфотерний — основний), а у варіанті Г кислотний SO₃ стоїть перед амфотерним Al₂O₃. Ряд Na₂O, Al₂O₃, SO₃ теж відповідає умові, але серед наведених варіантів його немає.

• Використовувати номер групи за нумерацією 1–18 (наприклад, 16 для Сульфуру) як валентність. У довідкових матеріалах НМТ є коротка й довга форми періодичної системи, але рядки «Вищі оксиди» та «Леткі сполуки з Гідрогеном» є лише в короткій. Номер групи за нумерацією 1–18 (для Сульфуру — 16) не дорівнює вищому ступеню окиснення (+6): орієнтуйся на римський номер групи (VI).

• Приписувати Флуору вищий оксид F₂O₇. Флуор — найелектронегативніший елемент, у сполуках він завжди має ступінь окиснення −1. Він не утворює вищих оксидів. OF₂ — оксиген дифлуорид, а не оксид Флуору.

• Називати SO₂ вищим оксидом Сульфуру. У SO₂ ступінь окиснення S дорівнює +4, а номер групи — VI. Вищий оксид Сульфуру — SO₃ (S⁺⁶). Завжди перевіряй, чи відповідає ступінь окиснення номеру групи.

• Вважати, що відповідність кислоти оксиду доводить пряму реакцію з водою. Наприклад, SiO₂ не реагує з водою, хоча йому відповідає H₂SiO₃. Відповідність — це лише формальне співвідношення ступенів окиснення, а не механізм утворення.

• Визначати елемент лише за атомною масою без перевірки групи. Наприклад, Ar = 28 може відповідати Si (IV група), але якщо формула оксиду RO, то це мав би бути елемент II групи, а Si туди не належить. Завжди звіряй і Ar, і номер групи.

Тема 1.4 програми НМТ з хімії вимагає вміння прогнозувати формули вищих оксидів, гідроксидів і летких сполук з Гідрогеном за положенням елемента в періодичній системі, а також визначати кислотно-основний характер цих сполук.

Під час НМТ ти можеш користуватися довідковими матеріалами в електронній формі: там є коротка й довга форми періодичної системи. У короткій формі є рядки «Вищі оксиди» (для груп I–VIII) і «Леткі сполуки з Гідрогеном» (для груп IV–VII) із загальними формулами. Не ігноруй цю підказку.

Стратегія виконання

• Орієнтуйся на римський номер групи (I–VIII), а не на нумерацію 1–18: саме з ним пов'язані формули вищих оксидів і летких сполук з Гідрогеном.

• Пам'ятай про винятки: Оксиген, Флуор та інертні елементи не підпорядковуються правилу «номер групи = найвищий ступінь окиснення».

• У задачах на масову частку обов'язково звіряй знайдену атомну масу з номером групи, який випливає з формули оксиду або леткої сполуки.

• Для визначення характеру оксиду/гідроксиду згадай третій період як еталонний приклад переходу від основного через амфотерний до кислотного.

Формати завдань

Завдання з вибором однієї правильної відповіді з чотирьох (А–Г) — це завдання 1–18 тесту. Кожне оцінюють у 0 або 1 бал.

Завдання на логічні пари — це завдання 19–20 тесту. У них потрібно встановити відповідність між трьома елементами лівої колонки (1–3) і п'ятьма варіантами правої (А–Д), серед яких два зайві. Кожна правильно встановлена пара дає 1 бал, максимум — 3 бали за завдання.

• Формулу вищого оксиду пов'язують із короткою головною групою: I → R₂O, II → RO, III → R₂O₃, IV → RO₂, V → R₂O₅, VI → RO₃, VII → R₂O₇. Винятки: Оксиген, Флуор та інертні елементи.

• Для IV–VII груп типові леткі сполуки з Гідрогеном: RH₄, RH₃, H₂R, HR. Валентність неметалу дорівнює 8 мінус номер групи.

• У малому періоді (наприклад, третьому) основний характер оксидів через амфотерний переходить у кислотний: Na₂O, MgO (основні) → Al₂O₃ (амфотерний) → SiO₂, P₂O₅, SO₃, Cl₂O₇ (кислотні).

• Атомну масу елемента, знайдену з масової частки Оксигену, обов'язково звіряй і з формулою оксиду, і з номером групи.