§ 14. Оксиды

ПОНЯТИЕ ОБ ОКСИДАХ И ПРАВИЛА ИХ НОМЕНКЛАТУРЫ

Среди бесконечного многообразия сложных неорганических соединений оксиды занимают центральное место.

Оксиды — это сложные химические вещества, состоящие из двух химических элементов, одним из которых обязательно является кислород.

Почти все известные элементы периодической системы образуют оксиды. Исключение составляют лишь:

• Благородные (инертные) газы — гелий, неон, аргон, которые практически не вступают в химические реакции;
• Фтор (F) — самый электроотрицательный элемент во Вселенной. При взаимодействии кислорода с фтором образуется соединение OF₂, которое по правилам химической систематики называется не оксидом, а фторидом кислорода (поскольку фтор перетягивает электроны на себя).

Правила составления названий оксидов (номенклатура):

Название строится строго по международной формуле: слово «оксид» + название элемента в родительном падеже + римская цифра валентности (если она переменная):

• Для элементов с постоянной валентностью валентность в названии не указывается:
  • K₂O — оксид калия (у калия постоянная валентность I);
  • MgO — оксид магния (у магния постоянная валентность II);
  • Al₂O₃ — оксид алюминия (у алюминия постоянная валентность III).
• Для элементов с переменной валентностью значение валентности обязательно записывается римской цифрой в круглых скобках сразу после названия элемента:
  • Cu₂O — оксид меди(I), а CuO — оксид меди(II);
  • FeO — оксид железа(II), а Fe₂O₃ — оксид железа(III);
  • P₂O₅ — оксид фосфора(V).

ВОДА (H₂O) — ГЛАВНЫЙ ОКСИД И ОСНОВА ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Самым распространённым и жизненно важным оксидом на нашей планете является оксид водорода — вода (H₂O). Она образует водную оболочку Земли — гидросферу. Уникальность воды заключается в том, что в естественных природных условиях она одновременно встречается во всех трёх агрегатных состояниях: жидком, твёрдом (лёд, снег) и газообразном (водяной пар в облаках и атмосфере).

Запасы воды на Земле огромны, однако её распределение поразительно неравномерно:

• Свыше 94% всей гидросферы приходится на солёные воды морей и океанов, абсолютно непригодные для питья и орошения полей;
• Около 2% законсервировано в виде мощных ледниковых щитов Антарктиды, Гренландии, Арктики и высокогорных ледников;
• Около 2% скрыто в подземных водоносных горизонтах;
• И лишь ничтожные 0,014% составляют доступные поверхностные пресные воды суши (реки, пресные озёра, водохранилища и болота).

Гордостью нашей страны является озеро Байкал — глубочайшее озеро планеты, в котором сосредоточена пятая часть (20%) всех мировых запасов чистейшей жидкой пресной воды.

Биологическая роль воды: клетки любого живого организма на 60–80% (а у медуз — до 98%) состоят из воды. Вода создаёт внутреннее давление и упругость клеток (тургор), предохраняет тело от резких колебаний температуры благодаря рекордной теплоёмкости и служит универсальной средой, в которой протекают абсолютно все биохимические реакции метаболизма.

ОКСИД УГЛЕРОДА(IV) (CO₂): УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ И ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ

Оксид углерода(IV), или углекислый газ (CO₂) — бесцветный газ без запаха, обладающий лёгким кисловатым привкусом. Он примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, благодаря чему при выделении не рассеивается мгновенно, а скапливается на полу, в оврагах, колодцах и пещерах. Собирают его в лаборатории исключительно методом вытеснения воздуха в сосуд дном вниз.

Физические и химические свойства CO₂:

• Гашение огня: углекислый газ совершенно не поддерживает горение и дыхание. Это ключевое свойство положено в основу конструкции углекислотных огнетушителей: вырывающийся под давлением тяжёлый газ накрывает пламя плотным изолирующим покрывалом, отсекая кислород и сбивая температуру за счёт охлаждения.
• Парниковый эффект: атмосфера Земли с молекулами CO₂ работает подобно стеклянной теплице. Солнечные лучи видимого спектра свободно проникают сквозь неё, нагревая поверхность планеты, однако исходящее от прогретой земли тепловое (инфракрасное) излучение поглощается углекислым газом и не уходит в космос. Массовое сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа) в последние десятилетия привело к опасному росту концентрации CO₂, усиливающему парниковый эффект и глобальное изменение климата.

ОКСИД КАЛЬЦИЯ (CaO): НЕГАШЁНАЯ И ГАШЁНАЯ ИЗВЕСТЬ

Оксид кальция (CaO) представляет собой белое тугоплавкое кристаллическое вещество, известное со времён глубокой древности под тривиальным названием негашёная известь.

Его производят в гигантских промышленных печах обжигом природного известняка (карбоната кальция):

CaCO₃ =(t)=> CaO + CO₂↑

Реакция гашения извести:

Своё название негашёная известь получила благодаря поразительной способности жадно соединяться с водой. Если на комки оксида кальция прилить воду, начинается бурная реакция соединения, сопровождающаяся выделением колоссального количества тепла (+Q) — известь шипит, растрескивается, рассыпается в белоснежный порошок, а вода вокруг неё мгновенно закипает:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Образующийся гидроксид кальция Ca(OH)₂ называют гашёной известью (пушонкой). Негашёная и гашёная известь веками служат важнейшими строительными вяжущими материалами для приготовления штукатурных и кладочных растворов.

Известковая вода и качественная реакция на углекислый газ:

Прозрачный отфильтрованный водный раствор гашёной извести называют известковой водой. Она является классическим чувствительным реактивом на присутствие углекислого газа: если через прозрачную известковую воду пропустить CO₂ (например, просто выдыхая воздух через соломинку в пробирку), раствор моментально мутнеет из-за выпадения нерастворимого белого осадка карбоната кальция:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O