Оксиды
Классификация и тенденции
Химический характер оксида определяют по его реакциям с кислотами и основаниями. Основные оксиды реагируют с кислотами, кислотные оксиды — с основаниями. Амфотерные оксиды проявляют и основные, и кислотные свойства, поэтому реагируют как с кислотами, так и со щелочами. Несолеобразующими оксидами называют оксиды, которые в обычных условиях не образуют солей при взаимодействии с кислотами или щелочами.
| Тип | Примеры | Реагирует с |
|---|---|---|
| Основные оксиды | \(\ce{Na2O}\), \(\ce{CaO}\), \(\ce{MgO}\), \(\ce{FeO}\), \(\ce{CrO}\), \(\ce{MnO}\) | с кислотами и кислотными оксидами |
| Амфотерные оксиды | \(\ce{BeO}\), \(\ce{Al2O3}\), \(\ce{ZnO}\), \(\ce{Cr2O3}\), \(\ce{PbO}\), \(\ce{SnO2}\) | с кислотами и щелочами |
| Кислотные оксиды | \(\ce{CO2}\), \(\ce{SiO2}\), \(\ce{P4O10}\), \(\ce{SO3}\), \(\ce{CrO3}\), \(\ce{Mn2O7}\), \(\ce{Cl2O7}\) | с основаниями и основными оксидами |
| Несолеобразующие оксиды | \(\ce{CO}\), \(\ce{NO}\), \(\ce{N2O}\) | не образуют солей ни с кислотами, ни со щелочами |
Характер оксида можно предварительно предсказать по положению элемента в периодической системе. При движении слева направо по периоду электроотрицательность элементов возрастает, а кислотные свойства их оксидов усиливаются. Если один элемент образует несколько оксидов, более высокой степени окисления обычно соответствует более выраженный кислотный характер. Так, \(\ce{MnO}\) является основным оксидом, \(\ce{MnO2}\) обладает амфотерными свойствами, а \(\ce{Mn2O7}\) является кислотным оксидом и ангидридом марганцовой кислоты. Подобным образом изменяются свойства оксидов \(\ce{CrO}\), \(\ce{Cr2O3}\) и \(\ce{CrO3}\): первый является основным, второй — амфотерным, третий — кислотным.
errorГраницы классификации оксидов
Название «несолеобразующий оксид» описывает обычные химические свойства, но не исключает реакций в особых условиях. Так, \(\ce{CO}\) взаимодействует с расплавленной щёлочью под давлением с образованием формиата: \(\ce{CO + NaOH ->[t, p] HCOONa}\). Особенности есть и у кислотных оксидов: \(\ce{NO2}\) не является ангидридом одной кислоты, поскольку при взаимодействии с водой он диспропорционирует: \(\ce{2NO2 + H2O -> HNO2 + HNO3}\).
Кислотные свойства оксидов в высокой степени окисления проявляются, в частности, в их реакциях с водой. При этом образуются соответствующие кислоты.
scienceРеакции кислотных оксидов с водой
- \(\ce{Mn2O7 + H2O -> 2HMnO4}\) — при взаимодействии оксида марганца(VII) (маслянистой жидкости) с водой образуется марганцовая кислота; сам оксид взрывается при нагревании.
- \(\ce{CrO3 + H2O -> H2CrO4}\); \(\ce{2CrO3 + H2O -> H2Cr2O7}\) — при взаимодействии оксида хрома(VI) с водой могут образовываться хромовая и дихромовая кислоты.
- \(\ce{Cl2O7 + H2O -> 2HClO4}\) — при взаимодействии ангидрида хлорной кислоты с водой образуется хлорная кислота.
- \(\ce{P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4}\) — при взаимодействии оксида фосфора(V) с водой образуется ортофосфорная кислота; способность связывать воду делает \(\ce{P4O10}\) сильным осушителем.
Реакции оксидов
Знание химического характера оксида помогает предсказать его реакции, но необходимо учитывать и свойства конкретного вещества. Например, способность реагировать с водой присуща не всем основным и кислотным оксидам.
- Оксиды щелочных металлов и большинство оксидов металлов 2-й группы взаимодействуют с водой. Исключение составляет \(\ce{BeO}\), а \(\ce{MgO}\) реагирует медленно. При гашении извести протекает реакция \(\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}\), которая сопровождается выделением большого количества теплоты.
- Большинство кислотных оксидов, в том числе \(\ce{SO3}\), \(\ce{P4O10}\), \(\ce{N2O5}\) и \(\ce{CO2}\), взаимодействуют с водой. Реакция \(\ce{CO2}\) с водой обратима.
С водой не реагируют \(\ce{SiO2}\), \(\ce{Al2O3}\), \(\ce{Fe2O3}\), \(\ce{CuO}\) и большинство оксидов переходных металлов. Поэтому одного указания на основной или кислотный характер оксида недостаточно, чтобы утверждать, что он реагирует с водой.
Основные и кислотные оксиды могут взаимодействовать друг с другом с образованием солей. Для реакции твёрдых оксидов часто требуется нагревание или сплавление. Например, при нагревании образуется силикат кальция: \(\ce{CaO + SiO2 ->[t] CaSiO3}\). Силикат кальция входит в состав шлака. При нагревании также протекает реакция \(\ce{Na2O + Al2O3 ->[t] 2NaAlO2}\), в которой проявляются кислотные свойства амфотерного оксида. В результате взаимодействия \(\ce{BaO}\) с \(\ce{SO3}\) образуется сульфат бария: \(\ce{BaO + SO3 -> BaSO4}\).
boltВытеснение летучего оксида при сплавлении
При сплавлении нелетучий кислотный оксид может вытеснить летучий оксид из его соли. Так, \(\ce{SiO2}\) вытесняет \(\ce{CO2}\) из карбоната натрия: \(\ce{Na2CO3 + SiO2 ->[t] Na2SiO3 + CO2 ^}\). Эту реакцию используют при варке стекла. В водном растворе направление взаимодействия иное: угольная кислота сильнее кремниевой, поэтому протекает реакция \(\ce{Na2SiO3 + CO2 + H2O -> Na2CO3 + H2SiO3 v}\).
Реакции оксидов применяют и для получения веществ, и для переработки сырья. При этом оксид может не только образовывать соль или взаимодействовать с водой, но и участвовать в окислительно-восстановительной реакции.
scienceОксиды в технологии
- \(\ce{CaCO3 ->[t] CaO + CO2}\), \(\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}\) — при нагревании карбоната кальция получают негашёную известь, из которой взаимодействием с водой получают гашёную известь.
- \(\ce{Fe2O3 + 3CO ->[t] 2Fe + 3CO2}\) — в доменном процессе оксид железа(III) восстанавливается оксидом углерода(II).
- \(\ce{SiO2 + 2C ->[t] Si + 2CO}\) — при восстановлении оксида кремния углеродом получают технический кремний.
- \(\ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O}\) — взаимодействие оксида кремния с фтороводородом используют для травления стекла.
Оксиды с подвохом
До сих пор речь шла об оксидах, в которых атомы элемента, соединённого с кислородом, имеют одну степень окисления. Однако существуют смешанные оксиды, содержащие атомы одного элемента в разных степенях окисления. Поэтому по их общей формуле нельзя приписывать всем атомам этого элемента одну и ту же степень окисления.
edit_noteСмешанные оксиды
Магнетит \(\ce{Fe3O4}\) можно представить как \(\ce{FeO*Fe2O3}\). При его взаимодействии с соляной кислотой образуются две соли железа: \(\ce{Fe3O4 + 8HCl -> FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O}\). Сурик \(\ce{Pb3O4}\) можно представить как \(\ce{2PbO*PbO2}\). При его взаимодействии с азотной кислотой образуется растворимая соль свинца и выпадает нерастворимый диоксид свинца: \(\ce{Pb3O4 + 4HNO3 -> 2Pb(NO3)2 + PbO2 v + 2H2O}\). Оксиды \(\ce{Mn3O4}\) и \(\ce{Co3O4}\) также являются смешанными. По типу кристаллической структуры они относятся к шпинелям, как и \(\ce{Fe3O4}\).
При записи реакций с кислотами нужно учитывать ещё одно свойство оксидов — способность быть окислителями. В таком случае взаимодействие не сводится к образованию соли и воды.
errorОкислительные свойства оксидов
При взаимодействии \(\ce{MnO2}\) и \(\ce{PbO2}\) с соляной кислотой хлорид-ионы окисляются до хлора. Реакция \(\ce{MnO2 + 4HCl -> MnCl2 + Cl2 ^ + 2H2O}\) позволила Шееле в 1774 году впервые получить хлор. Подобным образом протекает реакция \(\ce{PbO2 + 4HCl -> PbCl2 + Cl2 ^ + 2H2O}\).
Наконец, само присутствие кислорода в формуле соединения ещё не означает, что вещество следует называть оксидом. Название зависит от того, какой элемент в соединении является более электроотрицательным.
auto_awesomeДифторид кислорода и оксиды
Соединение \(\ce{OF2}\) называется дифторидом кислорода, а не оксидом фтора. Фтор электроотрицательнее кислорода, поэтому кислород в \(\ce{OF2}\) имеет степень окисления \(+2\). Положительную степень окисления кислород имеет в немногих соединениях; ещё один пример — \(\ce{O2F2}\), где его степень окисления равна \(+1\).
scienceРеакции со смешанными и окисляющими оксидами
- \(\ce{Fe3O4 + 10HNO3 (конц) -> 3Fe(NO3)3 + NO2 ^ + 5H2O}\) — при взаимодействии магнетита с концентрированной азотной кислотой железо(II) окисляется до железа(III).
- \(\ce{2F2 + 2NaOH -> OF2 + 2NaF + H2O}\) — при взаимодействии фтора со щёлочью образуется дифторид кислорода.
- \(\ce{Pb3O4 + 8HCl -> 3PbCl2 + Cl2 ^ + 4H2O}\) — при взаимодействии сурика с соляной кислотой образуются хлорид свинца(II) и хлор.
push_pinГлавное
Характер оксида зависит от электроотрицательности элемента и его степени окисления. Кислотные свойства усиливаются при движении слева направо по периоду в ряду \(\ce{Na2O}\), \(\ce{MgO}\), \(\ce{Al2O3}\), \(\ce{SiO2}\), \(\ce{P4O10}\), \(\ce{SO3}\), \(\ce{Cl2O7}\), а также с повышением степени окисления одного элемента, как в ряду \(\ce{CrO}\), \(\ce{Cr2O3}\), \(\ce{CrO3}\). Оксиды \(\ce{CO}\), \(\ce{NO}\) и \(\ce{N2O}\) относят к несолеобразующим. Основные и кислотные оксиды взаимодействуют друг с другом с образованием солей; для некоторых таких реакций требуется нагревание или сплавление. С водой реагируют оксиды активных металлов и большинство кислотных оксидов, но не \(\ce{SiO2}\). При определении степеней окисления нужно учитывать, что \(\ce{Fe3O4}\) и \(\ce{Pb3O4}\) являются смешанными оксидами.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.