СУЩНОСТЬ ОКСИДОВ И ДВЕ ГЕНЕРАЛЬНЫЕ ГРУППЫ: СОЛЕОБРАЗУЮЩИЕ И НЕСОЛЕОБРАЗУЮЩИЕ
В окружающем мире кислород является одним из самых активных химических элементов. Соединяясь практически со всеми металлами и неметаллами, он образует обширный класс неорганических веществ — оксиды.
Оксиды — это сложные бинарные соединения, состоящие из атомов двух химических элементов, одним из которых обязательно является кислород в степени окисления -2. Их общую формулу можно записать как EₓO_y, где валентность кислорода всегда равна двум.
По способности вступать в химические превращения с образованием солей всё многообразие оксидов строго подразделяют на две генеральные группы:
- Несолеобразующие (индифферентные) оксиды: это оксиды неметаллов с небольшими степенями окисления (+1 и +2). Они химически пассивны к реакциям солеобразования: не взаимодействуют при обычных условиях ни с растворами кислот, ни со щелочами, и им не соответствуют никакие кислоты или основания. Таких оксидов немного, их необходимо твердо помнить:
- CO — оксид углерода(II), или угарный газ;
- NO — оксид азота(II);
- N₂O — оксид азота(I), или «веселящий газ»;
- SiO — оксид кремния(II).
- Солеобразующие оксиды: оксиды, способные вступать в реакции с образованием солей при взаимодействии с кислотами, щелочами или оксидами противоположной природы. По своему химическому характеру они делятся на осно́вные и кислотные (а также амфотерные, которые подробно изучаются позже).
ОСНО́ВНЫЕ ОКСИДЫ: СВОЙСТВА И СООТВЕТСТВИЕ ОСНОВАНИЯМ
Осно́вными оксидами называют оксиды, которые химически взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды, и которым в качестве гидроксидов соответствуют основания.
Подавляющее большинство осно́вных оксидов образовано типичными металлами с небольшими степенями окисления и валентностями I или II. К ним относятся оксиды щелочных металлов IA-группы (Li₂O, Na₂O, K₂O), щелочноземельных металлов IIA-группы (CaO, SrO, BaO), а также магния MgO, меди Cu₂O, железа FeO, хрома CrO и марганца MnO.
Каждому основному оксиду в качестве гидратированной формы соответствует вполне определенное основание:
- Оксиду натрия Na₂O соответствует гидроксид натрия NaOH
- Оксиду меди(I) Cu₂O соответствует гидроксид меди(I) CuOH
- Оксиду кальция CaO соответствует гидроксид кальция Ca(OH)₂
- Оксиду магния MgO соответствует гидроксид магния Mg(OH)₂
- Оксиду бария BaO соответствует гидроксид бария Ba(OH)₂
- Оксиду железа(II) FeO соответствует гидроксид железа(II) Fe(OH)₂
Химические свойства осно́вных оксидов:
- Взаимодействие с водой:
С водой вступают в химическую реакцию исключительно оксиды щелочных металлов (IA-группа) и щелочноземельных металлов (начиная с кальция Ca). В результате реакции соединения образуются растворимые основания — щёлочи:
CaO + H₂O = Ca(OH)₂
Этот процесс в технике называют «гашением извести», он сопровождается сильным разогревом. Если в полученную взвесь добавить фенолфталеин, раствор окрашивается в интенсивный малиновый цвет, что наглядно доказывает присутствие щелочной среды (лабораторный опыт 17).
- Оксид магния MgO реагирует с водой только при сильном нагревании или с водяным паром: MgO + H₂O (пар) = Mg(OH)₂↓.
- Оксиды всех остальных металлов (например, оксид меди(II) CuO, оксид железа(II) FeO) являются оксидами нерастворимых оснований и с водой напрямую не реагируют: CuO + H₂O ≠ Cu(OH)₂.
- Взаимодействие с кислотами:
Это фундаментальное свойство всех осно́вных оксидов без исключения. При контакте с растворами кислот они легко растворяются, образуя соль и воду:
CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O
Если подогреть пробирку с черным кристаллическим порошком оксида меди(II) и бесцветным раствором серной кислоты, черный осадок исчезает, а раствор приобретает красивый сапфирово-синий цвет гидратированных ионов меди сульфата меди(II). Точно так же основные оксиды реагируют с соляной или азотной кислотами:
FeO + 2HCl = FeCl₂ + H₂O
MgO + 2HNO₃ = Mg(NO₃)₂ + H₂O
КИСЛОТНЫЕ ОКСИДЫ: СВОЙСТВА И СООТВЕТСТВИЕ КИСЛОТАМ
Кислотными оксидами называют оксиды, которые химически взаимодействуют с основаниями с образованием соли и воды, и которым в качестве гидроксидов соответствуют кислоты.
Кислотные оксиды образуются либо неметаллами (CO₂, SO₂, SO₃, P₂O₅, N₂O₅, N₂O₃, SiO₂), либо металлами переменной валентности в их высших степенях окисления (+5, +6, +7), например оксид хрома(VI) CrO₃ или оксид марганца(VII) Mn₂O₇.
Каждому кислотному оксиду в качестве гидрата строго соответствует своя кислородсодержащая кислота:
- Оксиду серы(VI) SO₃ соответствует серная кислота H₂SO₄
- Оксиду серы(IV) SO₂ соответствует сернистая кислота H₂SO₃
- Оксиду углерода(IV) CO₂ соответствует угольная кислота H₂CO₃
- Оксиду фосфора(V) P₂O₅ соответствует ортофосфорная кислота H₃PO₄
- Оксиду азота(V) N₂O₅ соответствует азотная кислота HNO₃
- Оксиду азота(III) N₂O₃ соответствует азотистая кислота HNO₂
- Диоксиду кремния SiO₂ соответствует кремниевая кислота H₂SiO₃
Химические свойства кислотных оксидов:
- Взаимодействие с водой:
Большинство кислотных оксидов охотно соединяются с водой, образуя растворы соответствующих кислот. Если сжечь на воздухе красный фосфор, образуется плотный белый дым оксида фосфора(V), который при взбалтывании с водой мгновенно растворяется, формируя ортофосфорную кислоту (цепочка превращений: P → P₂O₅ → H₃PO₄):
P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄
SO₃ + H₂O = H₂SO₄
- Важнейшее исключение: диоксид кремния SiO₂ (кварц, кремнезем, речной песок). Из-за прочнейшей атомной кристаллической решетки песок не растворяется и не реагирует с водой ни при каких условиях: SiO₂ + H₂O ≠ H₂SiO₃. Кремниевую кислоту получают исключительно косвенным путем из ее растворимых солей.
- Взаимодействие с основаниями (щелочами):
При взаимодействии кислотного оксида с раствором щелочи протекает реакция солеобразования с выделением воды:
SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O
CrO₃ + 2NaOH = Na₂CrO₄ + H₂O (оксид хрома(VI) образует ярко-желтый раствор хромата натрия).
- Качественная реакция на углекислый газ: если углекислый газ CO₂ пропустить через прозрачную известковую воду (раствор гидроксида кальция Ca(OH)₂), она быстро мутнеет из-за выпадения мелкокристаллического белого осадка карбоната кальция (лабораторный опыт 18):
CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСНОВНЫХ И КИСЛОТНЫХ ОКСИДОВ ДРУГ С ДРУГОМ
Осно́вные и кислотные оксиды представляют собой химические антиподы: первые несут металлическую и щелочную природу, а вторые — кислотную. Поэтому при непосредственном контакте (особенно при сплавлении или нагревании) они активно нейтрализуют друг друга без участия воды, соединяясь в соответствующую соль:
CaO + SiO₂ —(t)→ CaSiO₃
В этой классической реакции оксид кальция (основный оксид) и диоксид кремния (кислотный оксид) образуют соль силикат кальция. Данный процесс лежит в основе удаления пустой породы при выплавке чугуна в доменных печах (образование шлаков), а также при варке стекла и цементного клинкера.
Аналогично протекает связывание углекислого газа оксидом натрия:
Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃
Именно способность к взаимной нейтрализации с образованием солей дала обеим этим группам объединяющее название — солеобразующие оксиды.
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДОВ В ЛАБОРАТОРИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В современной химии синтез оксидов осуществляется тремя основными путями:
- Взаимодействие простых веществ с кислородом (прямое окисление и горение):
При сжигании металлов и неметаллов на воздухе или в атмосфере чистого кислорода образуются их оксиды:
- 2Mg + O₂ —(t)→ 2MgO (магниевая лента сгорает ослепительно ярким белым пламенем);
- S + O₂ —(t)→ SO₂↑ (сера горит красивым синим пламенем, выделяя бесцветный газ с резким запахом сернистого ангидрида);
- 4P + 5O₂ —(t)→ 2P₂O₅.
- Взаимодействие сложных веществ с кислородом (горение углеводородов и обжиг руд):
- Горение углеводородов природного газа (метана) всегда приводит к образованию оксида углерода(IV) и водяного пара:
CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ + 2H₂O
- Окислительный обжиг сульфидных руд в цветной металлургии позволяет перевести нерастворимые сульфиды в оксиды металлов с попутным получением сернистого газа:
2ZnS + 3O₂ —(t)→ 2ZnO + 2SO₂↑
- Сгорание токсичного сероводорода:
2H₂S + 3O₂ —(t)→ 2SO₂↑ + 2H₂O
- Термическое разложение сложных кислородсодержащих соединений:
Многие нерастворимые основания, нестойкие кислоты и соли при нагревании распадаются на оксид и воду (или оксид металла и кислотный газ):
- Разложение нерастворимых оснований: Fe(OH)₂ —(t)→ FeO + H₂O; Cu(OH)₂ —(t)→ CuO + H₂O (голубой осадок чернеет при нагревании);
- Разложение нестойкой кремниевой кислоты: H₂SiO₃ —(t)→ SiO₂ + H₂O;
- Промышленный обжиг известняка (карбоната кальция) в шахтных печах для производства негашеной извести:
CaCO₃ —(t)→ CaO + CO₂↑
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Оксиды: бинарные соединения любого элемента с кислородом в степени окисления -2 (общая формула EₓO_y).
- Несолеобразующие оксиды: CO, NO, N₂O, SiO — не взаимодействуют с кислотами и щелочами, солей не образуют.
- Осно́вные оксиды: оксиды металлов с валентностью I и II (Na₂O, CaO, MgO, CuO, FeO). Им соответствуют основания.
- Свойства основных оксидов:
- С водой реагируют только оксиды щелочных и щелочноземельных металлов с образованием щелочей: CaO + H₂O = Ca(OH)₂.
- Реагируют со всеми кислотами с образованием соли и воды: CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O.
- Кислотные оксиды: оксиды неметаллов и металлов высшей валентности (CO₂, SO₂, SO₃, P₂O₅, SiO₂, CrO₃, Mn₂O₇). Им соответствуют кислоты.
- Свойства кислотных оксидов:
- С водой соединяются почти все с образованием кислот (SO₃ + H₂O = H₂SO₄, P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄).
- Исключение: песок SiO₂ с водой не реагирует!
- Реагируют со щелочами с образованием соли и воды (SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O).
- Качественная реакция на CO₂: пропускание через известковую воду дает помутнение: CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O.
- Взаимодействие противоположных оксидов: Основный оксид + Кислотный оксид = Соль (CaO + SiO₂ —(t)→ CaSiO₃).
- Получение оксидов:
- Горение простых веществ: 2Mg + O₂ = 2MgO; S + O₂ = SO₂↑.
- Обжиг и горение сложных веществ: 2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂↑; CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O.
- Термическое разложение осадков гидроксидов и солей: Cu(OH)₂ —(t)→ CuO + H₂O; CaCO₃ —(t)→ CaO + CO₂↑.