Почти все химические элементы образуют соединения с кислородом, но не все кислородсодержащие вещества являются оксидами. Оксидом считается такое соединение, в котором атомы кислорода не связаны друг с другом непосредственно и находятся в минимальной степени окисления. Например, Na2O–2, BaO–2 и др.
Оксиды – это сложные неорганические соединения, содержащие атомы двух элементов, один из которых является кислородом в степени окисления –2.
Графические формулы. Для изображения расположения атомов и связей в оксиде используют графические формулы. Например, графические формулы оксидов:
элементов с валентностями один (Na2О), два (NО), три (Al2О3) и четыре (СО2):
элементов с валентностями пять (P2O5), шесть (SO3), семь (Mn2O7) и восемь (OsO4):
Номенклатура оксидов. В соответствии с международной номенклатурой названия оксидов состоят из названия элемента с указанием его валентности и слова «оксид», например: NO – оксид азота (ІІ), MnO2 – оксид марганца (IV). Если элемент проявляет постоянную валентность, то ее обычно не указывают: ВаО – оксид бария, Na2О – оксид натрия. Многие оксиды имеют тривиальные названия. Например: сурик (Pb3O4), глёт (PbO), жженая магнезия (MgO), железная окалина (Fe3O4), негашеная известь (CaO), белый мышьяк (As2O3), веселящий газ (N2O), угарный газ (СО), углекислый газ СО2 и т. д. Для некоторых кислотных оксидов применяется еще полусистематичная номенклатура: название оксида происходит от соответствующей кислоты с добавленим слова «ангидрид». Например, серный ангидрид SO3 (соответствует серной кислоте H2SO4) фосфорный ангидрид P2O5 (соотвествует фосфорной кислоте H3PO4), кремниевый ангидрид SiO2 (соответствует кремниевой кислоте H2SiO3).
Классификация оксидов. По химическим особенностям оксиды подразделяются на несколько групп (рис. 11.2).
Несолеобразущие оксиды, которые не имеют своих гидроксидов (кислот или оснований) и не вступают в реакции ионнного обмена. Среди них выделяют группу индиффирентных оксидов (например, СО, NO, N2O, SiO), которые не образуют солей.
Рисунок 11.2 – Классификация оксидов
Солеобразующие оксиды бывают кислотными, основными и амфотерными.
Основные – это оксиды типичных металлов в степенях окисления +1, +2 и очень редко +3. Основным оксидам соответствуют основания, например, оксидам Na2O, Cu2O, MgO отвечают основания NaOH, CuOH, Mg(OH)2.
Кислотные – это оксиды неметаллов или металлов в высоких степенях окисления (+5, +6, +7). Всем кислотным оксидам соответствуют кислоты. Например, CrO3 – кислотный оксид, ему отвечает хромовая кислота H2CrO4, оксиду SO2 – кислота H2SO3, оксиду SO3 – кислота H2SO4, оксиду СО2 – кислота H2CO3, оксиду Р2О5 – кислота H3PO4. Именно поэтому кислотные оксиды называются ангидридами (что обозначает «без воды»). Так, при отщеплении воды от сернистой кислоты H2SO3 (или SO2.H2O) образуется сернистый ангидрид SO2 – оксид серы (IV).
Амфотерные – это оксиды, которые могут проявлять свойства как кислотных, так и основных оксидов. Амфотерными чаще всего бывают оксиды p- или d-металлов, например, ZnO, Al2O3, Cr2O3, которым соответствуют амфотерные основания Zn(OH)2, Al(OH)3, Cr(OH)3. Единственным амфотерным оксидом s-металла является оксид бериллия ВеО.
Солеподобные оксиды – бывают двух типов:
двойные оксиды, содержащие атомы одного метала в разных степенях окисления. Например: Fe3O4 (или Fe+2O·Fe2+3O3), Co3O4 (или Co+2O·Co2+2O3), Pb3O4 (или Pb+4O2·2Pb+2O), Pb2O3 (или Pb+4O2·Pb+2O);
смешанные оксиды, в состав которых входят атомы металлов и неметаллов. Например: тальк 3MgO·4SiO2·H2O, изумруд 3BeO·Al2O3·6SiO2.
Для определения группы и подгруппы, к которым относится тот или иной оксид, удобно пользоваться графической схемой (рис. 11.3).
Рисунок 11.3 – Определение типа оксида
Физические свойства оксидов очень разнообразны. При обычных условиях они могут находиться в разных агрегатных состояниях. Например, основные оксиды Na2O, CaO, FeO, Fe2O3 и кислотные оксиды As2O3, As2O5, P2O5 – твердые вещества, СО2, NO2, SO2 – газообразные, N2O5, SO3 – жидкие. Плотности, температуры плавления и кипения тоже изменяются в широких пределах. Большинство оксидов проявляют стойкость к нагреванию (кроме HgO и оксидов благородных металлов) и не растворяются в воде. Исключение – некоторые кислотные оксиды и оксиды активных металлов, при растворении которых происходит химическое взаимодействие оксида с Н2О и образование растворимых гидроксидов. Оксиды щелочных, щелочноземельных и некоторых других металлов (Al, Zn, Ti) имеют белый цвет, другие оксиды окрашены в разные цвета (рис. 11.4).
Al2O3
ZnO
MgO
TiO2
Cr2O3
CrO3
MnO
MnO2
PbO
Pb3O4
HgO
SiO2
CuO
Cu2O
VO2
V2O5
NO2
Bi2O3
CdO
Fe2O3
Рисунок 11.4 – Цвет некоторых оксидов
Химические свойства оксидов очень индивидуальны, они зависят от типа оксида, его состава и строения. У солеобразующих оксидов имеются общие характеристики (табл. 11.1).
Таблица 11.1 – Химические свойства солеобразующих оксидов
Основные оксиды
Кислотные оксиды
Амфотерные оксиды
1. Отношение к воде
С водой взаимодействуют только оксиды щелочных и щелочноземельных металлов с образованием щелочей:
Na2O + H2O 2NaOH;
СаО + H2O Са(ОН)2.
Оксиды других металлов при обычных условиях с водой не реагируют:
FeO + H2O реакция не идет
Растворимые кислотные оксиды взаимодействуют с водой и образуют кислородсодержащие кислоты:
SO3 + H2O H2SO4;
SO2 + H2O H2SO3.
Некоторые оксиды с водой могут давать несколько кислот:
Р2О5 + H2O 2НРО3;
Р2О5 + 2H2O Н4Р2О7;
Р2О5 + 3H2O 2Н3РО4
Амфотерные оксиды с водой не взаимодействуют:
ZnO + H2O реакция не идет
2. Отношение к кислотам
C кислотами основные оксиды вступают в реакцию нейтрализации, образуя соль и воду:
Na2O + 2HСl 2NaCl +H2O,
СаО + 2HNO3Ca(NO3)2+ H2O
Кислотные оксиды не взаимодействуют с кислотами:
SO3 + HCl нет реакции.
Исключение: оксиды с гигроскопичными свойствами, способные отщеплять воду от кислородсодержащих кислот, например:
P2O5 + 6HNO3 + 2H2O
2H3PO4 + 3N2O5.
Кроме того, кислотные оксиды могут вступать в окислительно-восстановительные реакции (см. пункт 5)
При взаимодействии с кислотами амфотерные оксиды проявляют основные свойства:
Al2O3 + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H2O,
ZnO + 2HCl ZnCl2 + H2O.
3. Отношение к щелочам
Основные оксиды со щелочами и другими основаними не взаимодействуют:
К2O + NaOH реакция не идет
Кислотные оксиды вступают со щелочами в реакцию нейтрализации с образованием соли и воды:
SO3 + 2NaOH Na2SO4+H2O,
CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O.
Если оксиду отвечает многоосновная кислота, то в результате реакции образуются не только средние, но и кислые соли:
Р2О5 + 6КОН 2К3РО4 + 3H2O,
Р2О5 + 4КOН 2К2НРО4 + H2O,
Р2О5 + 2КOН + H2O 2КН2РО4
При сплавлении амфотерных оксидов с твердыми щелочами образуются средние соли:
Al2O3 + 2NaOH 2NaAlO2 + H2O,
ZnO + 2KOH K2ZnO2 + H2O,
а при взаимодействии с растворами щелочей – комплексные соли:
Al2O3 + 4КOН + 3H2O 2K3[Al(OH)6].
ZnO + 2КOН+ H2O K2[Zn(OH)4].
Реакции между оксидами
С кислотными оксидами:
К2O + CO2 K2CO3,
СаО + CO2 CaCO3.
С амфотерными оксидами:
Na2O + BeO Na2BeO2,
Na2O + Al2O3 2NaAlO2
С основными оксидами:
SO2 + CaO CaSO3,
Р2О5 + 3Na2O 2Na3PO4.
С амфотерными оксидами:
SO3 + BeO BeSO4,
3SO3 + Al2O3 Al2(SO4)3
С кислотными оксидами:
Cr2O3 + CaO Ca(CrO2)2.
С основными оксидами:
ZnO + Na2O Na2ZnO2
Окислительно-восстановительные реакции
Восстановление основных оксидов до металлов:
Fe2+3O3+2Al02Fe0+Al2+3O3;
3Cu+2O + 2N–3H3
3Cu0 + N20+ 3H2O
и окисление до высших оксидов:
4Fe+2O + O20 2Fe2+3O3–2
Кислотные оксиды, содержащие атомы элемента в высоких степенях окисления, проявляют окислительные свойства:
S+6O3 + 2НІ–1І20 + S+4O2 + Н2О;
S+4O2+ 2Н2S–2 3S0 +2Н2О.
Если элемент находится в невысокой степени окисления, то кислотный оксид проявляет восстановительные свойства:
5S+4O2+2HI+5O3+ 4Н2О
5H2S+6O3+І20
Почти все амфотерные оксиды способны восстанавливаться до металла:
Pb+2O + C+2O Pb0 + C+4O2.
Окисление характерно для амфотерных оксидов, содержащих металл в промежуточной степени окисления:
Cr2+3O3 + 3Br20 + 10NaOH
2Na2Cr+6O4 + 6NaBr–1 + 5Н2О
Отдельно нужно рассмотреть кислотные оксиды NO2 и SiO2, которые имеют особенные свойства. Так, оксид азота (ІV) является ангидридом двух кислот одновременно (азотной HNO3 и азотистой HNO2), поэтому при его взаимодействии с водой образуется смесь кислот, а со щелочами – смесь солей:
2NO2 + H2O HNO3+ HNO2,
2NO2 + 2NaOH NaNO3+ NaNO2 + H2O.
Оксид кремния (ІV) SiO2 не растворяется в воде и в растворах щелочей:
SiO2+ H2О реакция не идет,
SiO2+ NaOH реакция не идет.
Способы получения оксидов приведены в табл. 11.2.
Таблица 11.2 – Способы получения оксидов
1. Прямое окисление простых веществ в атмосфере кислорода
Этот метод нельзя применять для получения оксидов щелочных металлов, а также оксидов металлов Sr и Ва, которые окисляются до пероксидов и надпероксидов:
2Na + O2 Na2O2,
2K + 2O2 K2O4.
Исключение – литий, который при контакте с кислородом дает оксид:
2Li + O2 Li2O
Окисление металлов
2Mg + O2 2MgO
Окисление неметаллов
S+ O2 SO2?,
2As + 3O2 2As2O3
2. Окисление или горение бинарных водородсодержащих соединений
Углеводородов
CH4 + 2O2 CO2? + 2H2O
Сероводорода
2H2S + 3O2 2SO2? + 2H2O
Аммиака
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O
Фосфина
2PH3 + 3O2 P2O3 + 3H2O
3.Обжиг серосодержащих бинарных соединений
Сульфидов
2ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2?,
CS2 + 3O2 CO2 + 2SO2?
Персульфидов
4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2?
4. Разложение кислородсодержащих соединений при нагревании
Оснований.
Исключение: гидроксиды щелочных металлов (при нагревании не разлагаются, а переходят в жидкое состояние) и NH4OH, при разложении которого оксиды не образуются
Cu(OH)2 CuO + H2O,
2Fe(OH)3 Fe2O3 + 3H2O,
2Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O
Кислот
H2SiO3 SiO2 + H2O;
4HNO3 4NO2? + 2H2O + O2?
Средних солей (особенно нитратов и карбонатов)
BaCO3 BaO + CO2?,
2Cu(NO3)2 2CuO + 4NO2? + O2?,
2AgNO3 2Ag + 2NO2? + O2?,
4FeSO4 2Fe2O3 + 4SO2? + O2?
Кислых солей
Ca(HCO3)2 CaO + 2CO2? + H2O;
Основных солей
(ZnOH)2CO3 2ZnO + CO2? + H2O
5. Из оксидов
Окисление низших оксидов в высшие и восстановление высших до низших
4FeO + O2 2Fe2O3
Fe2O3 + CO 2FeO + CO2?
6. Взаимодействие некоторых металлов с водой
Только при высокой температуре
2Al + 3H2O Al2O3 + 3H2?,
Zn + H2O ZnO + H2?
7. Взаимодействие солей с кислотными оксидами
Реакция идет только при нагревании, выделяется летучий оксид
Ca3(PO4)2 + 3SiO2 3CaSiO3 + P2O5?
8. Взаимодействие металлов с окислительными кислотами
См. § «Кислоты»
Zn + 4HNO3(конц.) Zn(NO3)2 + 2NO2? + 2H2O
Ключевые слова и термины
Русский
Украинский
Английский
Французский
Арабский
бинарный
бінарий
binary
binaire
?????
избыток
надлишок
surplus
exc?s
????
кислородсодержащая кислота
оксигеновмісна кислота
oxyacid
oxyde
?????? ?????
кислота
кислота
acid
acide
????
обжиг
випалювання
roasting, burning;
tir
?????,?????
основание
основа
base
de base
?????
реакция нейтрализации
реакція нейтралізації
neutralization reaction
r?action de neutralisation
????? ???????
солеобразующий
солетворні
salifiable
salufiable
????? ????
(??? ????)
щелочь
луг
alkali
alcalin
??????
Контрольные вопросы
На какие основные классы подразделяются сложные неорганические соединения?
Какие соединения называются бинарными? Назовите типы бинарных соединений, в состав которых входят атомы элементов N, S, Si, C, P. Приведите примеры.
Дайте определение понятию «оксиды».
По каким признакам оксиды подразделяются на отдельные группы? Охарактеризуйте каждую группу оксидов.
Какие реакции протекают при взаимодействии с водой растворимых основных и кислотных оксидов?
С какими веществами основные и кислотные оксиды вступают в реакции нейтрализации?
Определите главный химический признак амфотерных оксидов.
Задания для самостоятельной работы
Предложенные задания имеют по четыре варианта ответов, из которых правильных может быть один или несколько.
Выберите формулу оксида:
а) K2O4; б) KO3; в) K2O2; г) K2O.
Какому оксиду отвечает тривиальное название «угарный газ»:
а) СО2;б) CO; в) P2O5; г) NО2?
Какие типы оксидов могут быть образованы металлами:
а) только кислотные; б) только основные; в) только амфотерные; г) кислотные, основные и амфотерне?
К какой группе оксидов относятся соединения: Na2O, CaO, CuO:
Cr2O3
HgO
CuO
V2O5
NO2
CdO
2NaOH;
2NaAlO2 + H2O,
HNO3+ HNO2,