Страница 178 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какие закономерности наблюдаются в изменении свойств кислотных оксидов в периодах и группах?

Свойства кислотных оксидов, как и свойства других классов неорганических соединений, закономерно изменяются в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Эти закономерности напрямую связаны с изменением неметаллических свойств и электроотрицательности элементов, образующих данные оксиды.

Изменение свойств кислотных оксидов в периодах

В периодах при движении слева направо кислотные свойства высших оксидов (оксидов, в которых элемент проявляет свою максимальную степень окисления) последовательно усиливаются. Это объясняется тем, что в периоде с ростом заряда ядра и уменьшением атомного радиуса увеличивается электроотрицательность элементов и усиливаются их неметаллические свойства. Чем выше электроотрицательность элемента, тем сильнее он поляризует связь O–H в соответствующем ему гидроксиде (кислородсодержащей кислоте). Это приводит к ослаблению связи O–H, облегчает отщепление протона $H^+$ и, следовательно, усиливает кислотные свойства.

Пример: рассмотрим изменение характера высших оксидов элементов 3-го периода. Характер оксидов изменяется от основного через амфотерный к кислотному, при этом сила кислотных оксидов возрастает:

$Na_2O$ (основный) → $MgO$ (слабоосновный) → $Al_2O_3$ (амфотерный) → $SiO_2$ (слабокислотный) → $P_2O_5$ (кислотный) → $SO_3$ (сильнокислотный) → $Cl_2O_7$ (очень сильнокислотный).

Сила соответствующих им кислородсодержащих кислот также возрастает, что является подтверждением данной закономерности:

$H_2SiO_3$ (очень слабая) < $H_3PO_4$ (средней силы) < $H_2SO_4$ (сильная) < $HClO_4$ (очень сильная).

Ответ: В периодах при движении слева направо (с увеличением порядкового номера элемента) кислотные свойства высших оксидов усиливаются.

Изменение свойств кислотных оксидов в группах

В главных подгруппах (А-группах) при движении сверху вниз кислотные свойства оксидов в одной и той же степени окисления ослабевают. Это связано с тем, что в группе увеличивается число электронных слоев, что приводит к увеличению атомного радиуса и уменьшению электроотрицательности элементов. В результате неметаллические свойства ослабевают, а металлические, наоборот, нарастают. Ослабление неметаллических свойств элемента приводит к ослаблению кислотного характера его оксида и соответствующего ему гидроксида.

Пример: рассмотрим высшие оксиды элементов 15-й (VА) группы:

$N_2O_5$ (оксид азота(V)) — сильный кислотный оксид, которому соответствует сильная азотная кислота $HNO_3$.
$P_2O_5$ (оксид фосфора(V)) — кислотный оксид, которому соответствует фосфорная кислота $H_3PO_4$ средней силы.
$As_2O_5$ (оксид мышьяка(V)) — амфотерный оксид с преобладанием кислотных свойств, которому соответствует слабая мышьяковая кислота $H_3AsO_4$.
$Sb_2O_5$ (оксид сурьмы(V)) — амфотерный оксид.
$Bi_2O_5$ (оксид висмута(V)) — амфотерный оксид с преобладанием основных свойств.

Ответ: В главных подгруппах при движении сверху вниз (с увеличением порядкового номера элемента) кислотные свойства оксидов в одинаковой степени окисления ослабевают.

2. Даны формулы кислотных оксидов:

a) $N_2O_5$, $CO_2$, $Cl_2O_7$ и $SO_3$;

б) $P_2O_5$, $As_2O_5$, $N_2O_5$ и $Sb_2O_5$.

Расположите эти формулы в порядке усиления кислотных свойств оксидов.

а)

Решение

Для того чтобы расположить оксиды $N_2O_5$, $CO_2$, $Cl_2O_7$ и $SO_3$ в порядке усиления их кислотных свойств, необходимо проанализировать положение центральных элементов (C, N, S, Cl) в Периодической системе, их электроотрицательность и степени окисления.

Кислотные свойства оксидов неметаллов определяются двумя основными закономерностями:

1. В периоде (слева направо) кислотные свойства оксидов усиливаются. Это связано с увеличением электроотрицательности неметалла.
2. В группе (сверху вниз) кислотные свойства оксидов ослабевают. Это связано с уменьшением электроотрицательности и увеличением атомного радиуса.
3. Для одного и того же элемента кислотные свойства оксида тем выше, чем выше степень окисления этого элемента.

Рассмотрим данные оксиды:

- $CO_2$: углерод C во 2-м периоде, 14-й группе, степень окисления +4. Соответствующая кислота $H_2CO_3$ (угольная) — очень слабая.
- $N_2O_5$: азот N во 2-м периоде, 15-й группе, степень окисления +5. Соответствующая кислота $HNO_3$ (азотная) — сильная.
- $SO_3$: сера S в 3-м периоде, 16-й группе, степень окисления +6. Соответствующая кислота $H_2SO_4$ (серная) — очень сильная.
- $Cl_2O_7$: хлор Cl в 3-м периоде, 17-й группе, степень окисления +7. Соответствующая кислота $HClO_4$ (хлорная) — одна из самых сильных кислот.

Сравнивая силу соответствующих кислот, мы можем напрямую судить о кислотных свойствах оксидов. Угольная кислота — самая слабая в этом ряду, значит, $CO_2$ — самый слабый кислотный оксид. Азотная, серная и хлорная кислоты — сильные, но их сила возрастает в ряду $HNO_3 < H_2SO_4 < HClO_4$. Это согласуется с увеличением электроотрицательности и степени окисления центрального атома.

Таким образом, располагая оксиды в порядке усиления их кислотных свойств, получаем следующий ряд.

Ответ: $CO_2, N_2O_5, SO_3, Cl_2O_7$.

б)

Решение

В данном ряду представлены оксиды элементов одной подгруппы — 15-й группы (пниктогены): азот (N), фосфор (P), мышьяк (As) и сурьма (Sb). Во всех оксидах ($N_2O_5, P_2O_5, As_2O_5, Sb_2O_5$) центральный элемент имеет одинаковую степень окисления +5.

Основной закономерностью изменения свойств оксидов в одной группе является ослабление кислотных свойств и усиление основных (и металлических) свойств сверху вниз. Это происходит из-за увеличения атомного радиуса и уменьшения электроотрицательности элементов.

Расположим элементы в порядке их нахождения в группе сверху вниз: N → P → As → Sb.

- $N_2O_5$ — оксид азота(V). Азот — самый электроотрицательный в группе, его высший оксид обладает наиболее сильными кислотными свойствами (соответствует сильной азотной кислоте $HNO_3$).
- $P_2O_5$ — оксид фосфора(V). Расположен ниже азота, кислотные свойства слабее (соответствует фосфорной кислоте $H_3PO_4$, кислоте средней силы).
- $As_2O_5$ — оксид мышьяка(V). Кислотные свойства еще слабее (соответствует слабой мышьяковой кислоте $H_3AsO_4$).
- $Sb_2O_5$ — оксид сурьмы(V). Сурьма проявляет черты металла, ее высший оксид имеет амфотерный характер с преобладанием кислотных свойств, которые выражены очень слабо (соответствует очень слабой сурьмяной кислоте).

Таким образом, кислотные свойства оксидов ослабевают в ряду $N_2O_5 > P_2O_5 > As_2O_5 > Sb_2O_5$.

Для того чтобы расположить формулы в порядке усиления кислотных свойств, необходимо записать этот ряд в обратном порядке.

Ответ: $Sb_2O_5, As_2O_5, P_2O_5, N_2O_5$.