§ 14. Оксиды

Сложные химические вещества (бинарные соединения), состоящие из двух химических элементов, одним из которых обязательно является кислород в степени окисления -2.

• Общая химическая формула оксидов: $\text{E}_x\text{O}_y$
• Оксиды образуют практически все элементы периодической системы Д. И. Менделеева, за исключением наиболее электроотрицательного неметалла — фтора (соединение $\text{OF}_2$ называют фторидом кислорода), а также тяжёлых благородных газов гелия, неона и аргона
• Подразделяются на оксиды металлов (например, $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{CaO}$, $\text{CuO}$) и оксиды неметаллов (например, $\text{CO}_2$, $\text{SO}_2$, $\text{P}_2\text{O}_5$)

Систематическая номенклатура бинарных соединений кислорода по правилам ИЮПАК и отечественного химического стандарта:

$$\text{слово «оксид»} + \text{название элемента в родительном падеже} + \text{(римская цифра валентности в скобках, если она переменная)}$$

• Для элементов с постоянной валентностью валентность в названии не указывается: $\text{K}_2\text{O}$ — оксид калия, $\text{MgO}$ — оксид магния, $\text{Al}_2\text{O}_3$ — оксид алюминия
• Для элементов с переменной валентностью указание валентности обязательно: $\text{Cu}_2\text{O}$ — оксид меди(I), $\text{CuO}$ — оксид меди(II), $\text{FeO}$ — оксид железа(II), $\text{Fe}_2\text{O}_3$ — оксид железа(III), $\text{P}_2\text{O}_5$ — оксид фосфора(V)

Самый распространённый и жизненно важный оксид на Земле (оксид водорода), уникальное химическое вещество, присутствующее в природе одновременно во всех трёх агрегатных состояниях: жидкая вода, твёрдый лёд и газообразный водяной пар.

• Образует гидросферу Земли: 94% объёма приходится на солёные воды Мирового океана, около 2% — на ледники Арктики и Антарктиды, подземные и поверхностные пресные воды суши (включая Байкал — 1/5 мировых запасов пресной незамёрзшей воды)
• В живых организмах составляет большую часть массы (до 60–70% у человека, до 95% у медуз), обеспечивает объём и тургор клеток, терморегуляцию, является универсальным растворителем и биохимической средой для обмена веществ

Оксид углерода(IV) (диоксид углерода), бесцветный газ без запаха, со слабым кисловатым вкусом, тяжелее воздуха почти в 1,5 раза ($M_r(\text{CO}_2) = 44$, $M_r(\text{возд.}) = 29$), умеренно растворим в воде.

• Не поддерживает горение и дыхание; благодаря высокой плотности стелется по поверхности, отсекая кислород, вследствие чего применяется для тушения пожаров в углекислотных огнетушителях
• Парниковый газ: свободно пропуская коротковолновое солнечное излучение к поверхности Земли, задерживает отражённое тепловое инфракрасное излучение, усиливая парниковый эффект при избыточных антропогенных выбросах
• Распознаётся пропусканием через известковую воду $\text{Ca(OH)}_2$, вызывая её помутнение: $\text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + \\text{H}_2\text{O}$

Практически важнейшие кальциевые оксидные и гидроксидные строительные материалы вяжущего действия.

• 1. Негашёная известь (оксид кальция $\text{CaO}$): белое тугоплавкое кристаллическое вещество ($t_{пл} \approx 2570\ ^\circ\text{C}$), получаемое термическим обжигом природного известняка в известково-обжигательных печах:

$$\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t} \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow$$

• 2. Гашёная известь (гидроксид кальция $\text{Ca(OH)}_2$): рыхлый белый порошок (пушонка) или водная суспензия (известковое молоко), образующаяся при бурном взаимодействии негашёной извести с водой (процесс гашения извести), сопровождающемся выделением колоссального количества теплоты:

$$\text{CaO} + \\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + Q$$

• Прозрачный фильтрованный раствор гашёной извести называется известковой водой и служит универсальным лабораторным реактивом для обнаружения углекислого газа

1. Определение:

Оксидами называют сложные вещества (бинарные соединения), состоящие из двух химических элементов, одним из которых является кислород (в степени окисления -2).

2. Анализ перечня и классификация веществ:

• Оксиды металлов:
• $\text{Na}_2\text{O}$ — оксид натрия (натрий — щелочной металл с постоянной валентностью I);
• $\text{PbO}_2$ — оксид свинца(IV) (свинец — металл с переменной валентностью, здесь валентность IV);
• $\text{ZnO}$ — оксид цинка (цинк — переходный металл с постоянной валентностью II).

• Оксиды неметаллов:
• $\text{SO}_2$ — оксид серы(IV) (сернистый газ; сера проявляет валентность IV);
• $\text{P}_2\text{O}_5$ — оксид фосфора(V) (фосфорный ангидрид; фосфор проявляет валентность V);
• $\text{Cl}_2\text{O}_7$ — оксид хлора(VII) (высший оксид хлора; хлор проявляет валентность VII).

• Остальные вещества из перечня оксидами НЕ являются:
• $\\text{H}_2\text{S}$ (сероводород) — бескислородное бинарное соединение неметаллов (водородное соединение серы);
• $\text{K}_2\text{SO}_4$ (сульфат калия) — соль, состоит из трёх химических элементов ($\text{K}$, $\text{S}$, $\text{O}$);
• $\text{LiOH}$ (гидроксид лития) — основание, состоит из трёх элементов ($\text{Li}$, $\text{O}$, $\\text{H}$);
• $\text{O}_2$ (кислород) — простое вещество, состоит из атомов только одного элемента;
• $\text{OsCl}_3$ (хлорид осмия(III)) — соль, бинарное соединение металла с галогеном (кислород отсутствует).

а) Расчёт для оксида олова(IV) $\text{SnO}_2$:

Название вещества: оксид олова(IV).

Дано:

$\text{SnO}_2$

$A_r(\text{Sn}) = 119$

$A_r(\text{O}) = 16$

Найти:

$\omega(\text{Sn}) - ?$, $\omega(\text{O}) - ?$

Решение:

• Находим относительную молекулярную массу оксида олова(IV):

$$M_r(\text{SnO}_2) = A_r(\text{Sn}) + 2 \cdot A_r(\text{O}) = 119 + 2 \cdot 16 = 119 + 32 = 151$$

• Рассчитываем массовую долю олова:

$$\omega(\text{Sn}) = \frac{A_r(\text{Sn})}{M_r(\text{SnO}_2)} \cdot 100\% = \frac{119}{151} \cdot 100\% \approx 78{,}81\%$$

• Рассчитываем массовую долю кислорода:

$$\omega(\text{O}) = \frac{2 \cdot A_r(\text{O})}{M_r(\text{SnO}_2)} \cdot 100\% = \frac{32}{151} \cdot 100\% \approx 21{,}19\%$$

(Проверка: $78{,}81\% + 21{,}19\% = 100\%$).

Ответ: в оксиде олова(IV) $\omega(\text{Sn}) \approx 78{,}81\%$, $\omega(\text{O}) \approx 21{,}19\%$.

---

б) Расчёт для оксида алюминия $\text{Al}_2\text{O}_3$:

Название вещества: оксид алюминия.

Дано:

$\text{Al}_2\text{O}_3$

$A_r(\text{Al}) = 27$

$A_r(\text{O}) = 16$

Найти:

$\omega(\text{Al}) - ?$, $\omega(\text{O}) - ?$

Решение:

• Находим относительную молекулярную массу оксида алюминия:

$$M_r(\text{Al}_2\text{O}_3) = 2 \cdot A_r(\text{Al}) + 3 \cdot A_r(\text{O}) = 2 \cdot 27 + 3 \cdot 16 = 54 + 48 = 102$$

• Рассчитываем массовую долю алюминия:

$$\omega(\text{Al}) = \frac{2 \cdot A_r(\text{Al})}{M_r(\text{Al}_2\text{O}_3)} \cdot 100\% = \frac{54}{102} \cdot 100\% = \frac{9}{17} \cdot 100\% \approx 52{,}94\%$$

• Рассчитываем массовую долю кислорода:

$$\omega(\text{O}) = \frac{3 \cdot A_r(\text{O})}{M_r(\text{Al}_2\text{O}_3)} \cdot 100\% = \frac{48}{102} \cdot 100\% = \frac{8}{17} \cdot 100\% \approx 47{,}06\%$$

(Проверка: $52{,}94\% + 47{,}06\% = 100\%$).

Ответ: в оксиде алюминия $\omega(\text{Al}) \approx 52{,}94\%$, $\omega(\text{O}) \approx 47{,}06\%$.

---

в) Расчёт для оксида кальция $\text{CaO}$:

Название вещества: оксид кальция (тривиальное название — негашёная известь).

Дано:

$\text{CaO}$

$A_r(\text{Ca}) = 40$

$A_r(\text{O}) = 16$

Найти:

$\omega(\text{Ca}) - ?$, $\omega(\text{O}) - ?$

Решение:

• Находим относительную молекулярную массу оксида кальция:

$$M_r(\text{CaO}) = A_r(\text{Ca}) + A_r(\text{O}) = 40 + 16 = 56$$

• Рассчитываем массовую долю кальция:

$$\omega(\text{Ca}) = \frac{A_r(\text{Ca})}{M_r(\text{CaO})} \cdot 100\% = \frac{40}{56} \cdot 100\% = \frac{5}{7} \cdot 100\% \approx 71{,}43\%$$

• Рассчитываем массовую долю кислорода:

$$\omega(\text{O}) = \frac{A_r(\text{O})}{M_r(\text{CaO})} \cdot 100\% = \frac{16}{56} \cdot 100\% = \frac{2}{7} \cdot 100\% \approx 28{,}57\%$$

(Проверка: $71{,}43\% + 28{,}57\% = 100\%$).

Ответ: в оксиде кальция $\omega(\text{Ca}) \approx 71{,}43\%$, $\omega(\text{O}) \approx 28{,}57\%$.

---

г) Расчёт для оксида фосфора(V) $\text{P}_2\text{O}_5$:

Название вещества: оксид фосфора(V) (фосфорный ангидрид).

Дано:

$\text{P}_2\text{O}_5$

$A_r(\text{P}) = 31$

$A_r(\text{O}) = 16$

Найти:

$\omega(\text{P}) - ?$, $\omega(\text{O}) - ?$

Решение:

• Находим относительную молекулярную массу оксида фосфора(V):

$$M_r(\text{P}_2\text{O}_5) = 2 \cdot A_r(\text{P}) + 5 \cdot A_r(\text{O}) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 62 + 80 = 142$$

• Рассчитываем массовую долю фосфора:

$$\omega(\text{P}) = \frac{2 \cdot A_r(\text{P})}{M_r(\text{P}_2\text{O}_5)} \cdot 100\% = \frac{62}{142} \cdot 100\% = \frac{31}{71} \cdot 100\% \approx 43{,}66\%$$

• Рассчитываем массовую долю кислорода:

$$\omega(\text{O}) = \frac{5 \cdot A_r(\text{O})}{M_r(\text{P}_2\text{O}_5)} \cdot 100\% = \frac{80}{142} \cdot 100\% = \frac{40}{71} \cdot 100\% \approx 56{,}34\%$$

(Проверка: $43{,}66\% + 56{,}34\% = 100\%$).

Ответ: в оксиде фосфора(V) $\omega(\text{P}) \approx 43{,}66\%$, $\omega(\text{O}) \approx 56{,}34\%$.

---

Названия оксидов по систематической номенклатуре:

• $\text{ZnO}$ — оксид цинка (цинк имеет постоянную валентность II, поэтому она в названии не указывается);
• $\text{Ag}_2\text{O}$ — оксид серебра(I) (серебро проявляет постоянную одновалентность в оксидах, в систематической номенклатуре допускается название оксид серебра или оксид серебра(I));
• $\text{Li}_2\text{O}$ — оксид лития (литий — щелочной металл первой группы с постоянной валентностью I);
• $\text{Cl}_2\text{O}_7$ — оксид хлора(VII) (высший кислотный оксид хлора, хлор проявляет валентность VII);
• $\text{Cl}_2\text{O}$ — оксид хлора(I) (неустойчивый оксид, хлор проявляет валентность I);
• $\text{ClO}_2$ — оксид хлора(IV) (диоксид хлора, хлор проявляет валентность IV);
• $\text{As}_2\text{O}_3$ — оксид мышьяка(III) (мышьяковистый ангидрид, мышьяк проявляет валентность III);
• $\text{As}_2\text{O}_5$ — оксид мышьяка(V) (мышьяковый ангидрид, высший оксид мышьяка, валентность V).