§ 23. Оксиды, их классификация и химические свойства

Сложные бинарные неорганические соединения, состоящие из двух химических элементов, одним из которых является кислород со степенью окисления $-2$.

• Общая формула: $E_xO_y$, где кислород всегда двухвалентен
• По химическому поведению делятся на несолеобразующие и солеобразующие

Оксиды неметаллов в низких степенях окисления ($+1, +2$), которые не вступают в химические реакции с кислотами или щелочами с образованием солей.

• К ним относятся оксид углерода(II) (угарный газ) $CO$, оксид азота(I) $N_2O$, оксид азота(II) $NO$, оксид кремния(II) $SiO$

Оксиды, которые при химическом взаимодействии с кислотами, щелочами или другими оксидами образуют соответствующие соли:

• 1. Осно́вные оксиды:
• Оксиды металлов с низкой валентностью (валентность I или II: металлы IA- и IIA-групп, магний, железо(II), медь(II) и др.)
• Им в качестве гидроксидов соответствуют основания:

$$Na_2O \rightarrow NaOH$$

$$Cu_2O \rightarrow CuOH$$

$$MgO \rightarrow Mg(OH)_2$$

$$BaO \rightarrow Ba(OH)_2$$

$$FeO \rightarrow Fe(OH)_2, \quad CrO \rightarrow Cr(OH)_2, \quad MnO \rightarrow Mn(OH)_2$$

• 2. Кислотные оксиды:
• Оксиды неметаллов, а также металлов с высокими степенями окисления (валентность V, VI, VII: $CrO_3, Mn_2O_7$)
• Им в качестве гидроксидов соответствуют кислородсодержащие кислоты:

$$N_2O_5 \rightarrow HNO_3$$

$$N_2O_3 \rightarrow HNO_2$$

$$SO_3 \rightarrow H_2SO_4$$

$$SO_2 \rightarrow H_2SO_3$$

$$P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4$$

$$CO_2 \rightarrow H_2CO_3$$

$$SiO_2 \rightarrow H_2SiO_3$$

Комплекс фундаментальных химических реакций, отражающих противоположную химическую природу осно́вных и кислотных оксидов:

• 1. Взаимодействие с водой:
• Оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов активно соединяются с водой с образованием растворимых оснований (щелочей):

$$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$$

Оксид магния реагирует только с горячей водой: $MgO + H_2O\text{ (пар)} \rightarrow Mg(OH)_2\downarrow$. Оксид меди(II) $CuO$ и другие нерастворимые оксиды с водой не реагируют

• Кислотные оксиды (кроме $SiO_2$) соединяются с водой с образованием растворимых кислот:

$$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$$

$$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$$

Песок $SiO_2$ с водой не реагирует ($SiO_2 + H_2O \neq$)

• 2. Взаимодействие с кислотами и основаниями:
• Основные оксиды реагируют с кислотами с образованием соли и воды:

$$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$$

• Кислотные оксиды взаимодействуют с основаниями (щелочами) с образованием соли и воды:

$$CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O \quad (\text{качественная реакция на } CO_2)$$

$$SO_3 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O$$

$$CrO_3 + 2NaOH \rightarrow Na_2CrO_4 + H_2O$$

• 3. Взаимодействие оксидов друг с другом:
• Основные и кислотные оксиды соединяются при нагревании с образованием солей:

$$CaO + SiO_2 \xrightarrow{t} CaSiO_3$$

Способы синтеза оксидов в лабораторной практике и природе:

• 1. Взаимодействие металлов и неметаллов с кислородом (горение простых веществ):

$$2Mg + O_2 \xrightarrow{t} 2MgO$$

$$S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2\uparrow$$

• 2. Взаимодействие сложных веществ с кислородом (обжиг и горение):

$$2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2\uparrow$$

$$CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t} CO_2\uparrow + 2H_2O$$

• 3. Термическое разложение гидроксидов (нерастворимых оснований и нестойких кислот) и солей:

$$Fe(OH)_2 \xrightarrow{t} FeO + H_2O$$

$$H_2SiO_3 \xrightarrow{t} SiO_2 + H_2O$$

$$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow$$

1. Определение:

Оксидами называют сложные вещества, состоящие из атомов двух химических элементов, одним из которых является кислород в степени окисления $-2$.

2. Классификация оксидов:

Все оксиды подразделяют на две генеральные группы:

• Несолеобразующие (индифферентные) оксиды: оксиды неметаллов ($CO, NO, N_2O, SiO$), которые не вступают в реакции солеобразования и не имеют соответствующих им солей, оснований или кислородсодержащих кислот.
• Солеобразующие оксиды: оксиды, образующие соли при химических реакциях с кислотами, щелочами или друг с другом. Они делятся на:
• Осно́вные оксиды — образованы металлами в низких валентностях ($Na_2O, CaO, MgO, CuO, FeO$), им соответствуют основания ($NaOH, Ca(OH)_2, Mg(OH)_2, Cu(OH)_2, Fe(OH)_2$);
• Кислотные оксиды — образованы неметаллами или переходными металлами в высоких валентностях ($CO_2, SO_2, SO_3, P_2O_5, N_2O_5, CrO_3, Mn_2O_7$), им соответствуют кислоты ($H_2CO_3, H_2SO_3, H_2SO_4, H_3PO_4, HNO_3, H_2CrO_4, HMnO_4$).

3. Сходство и различия в свойствах:

• Сходство:
• Все они являются бинарными соединениями с кислородом;
• Могут быть получены прямым окислением исходных веществ кислородом при нагревании.
• Различия:
• Несолеобразующие оксиды химически пассивны к кислотам и щелочам, в то время как солеобразующие активно вступают в реакции солеобразования;
• Основные и кислотные оксиды обладают противоположной химической природой: основные реагируют с кислотами и кислотными оксидами, не взаимодействуя со щелочами; кислотные оксиды реагируют со щелочами и основными оксидами, не взаимодействуя с большинством обычных кислот;
• Основные оксиды щелочных/щелочноземельных металлов при растворении в воде дают щёлочи (среда раствора щелочная, pH > 7), а кислотные оксиды при растворении в воде образуют кислоты (среда кислая, pH < 7).

Солеобразующим оксидам соответствуют гидроксиды двух типов — основания (соответствуют основным оксидам) и кислородсодержащие кислоты (соответствуют кислотным оксидам):

1. Осно́вные оксиды и соответствующие им основания:

• Оксиду натрия ($Na_2O$) соответствует гидроксид натрия $NaOH$:

$$Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH$$

• Оксиду кальция ($CaO$) соответствует гидроксид кальция $Ca(OH)_2$:

$$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$$

• Оксиду меди(I) ($Cu_2O$) соответствует гидроксид меди(I) $CuOH$
• Оксиду магния ($MgO$) соответствует гидроксид магния $Mg(OH)_2$:

$$MgO + H_2O\text{ (пар)} \rightarrow Mg(OH)_2$$

• Оксиду бария ($BaO$) соответствует гидроксид бария $Ba(OH)_2$:

$$BaO + H_2O \rightarrow Ba(OH)_2$$

• Оксиду железа(II) ($FeO$) соответствует нерастворимый гидроксид железа(II) $Fe(OH)_2$
• Оксиду хрома(II) ($CrO$) соответствует гидроксид хрома(II) $Cr(OH)_2$
• Оксиду марганца(II) ($MnO$) соответствует гидроксид марганца(II) $Mn(OH)_2$

2. Кислотные оксиды и соответствующие им кислоты:

• Оксиду серы(VI) ($SO_3$) соответствует серная кислота $H_2SO_4$:

$$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$$

• Оксиду серы(IV) ($SO_2$) соответствует сернистая кислота $H_2SO_3$:

$$SO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2SO_3$$

• Оксиду фосфора(V) ($P_2O_5$) соответствует ортофосфорная кислота $H_3PO_4$:

$$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$$

• Оксиду углерода(IV) ($CO_2$) соответствует угольная кислота $H_2CO_3$:

$$CO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2CO_3$$

• Оксиду азота(V) ($N_2O_5$) соответствует азотная кислота $HNO_3$:

$$N_2O_5 + H_2O \rightarrow 2HNO_3$$

• Оксиду азота(III) ($N_2O_3$) соответствует азотистая кислота $HNO_2$:

$$N_2O_3 + H_2O \rightarrow 2HNO_2$$

• Оксиду кремния(IV) ($SiO_2$) соответствует нерастворимая кремниевая кислота $H_2SiO_3$

В соответствии с учебником выделяют три главных способа получения оксидов:

1. Взаимодействие металлов и неметаллов с кислородом (окисление простых веществ):

При горении простых веществ образуются оксиды элементов:

• Сжигание металлов на воздухе:

$$2Mg + O_2 \xrightarrow{t} 2MgO \quad (\text{оксид магния})$$

• Горение неметаллов:

$$S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2\uparrow \quad (\text{оксид серы(IV)})$$

$$4P + 5O_2 \xrightarrow{t} 2P_2O_5 \quad (\text{оксид фосфора(V)})$$

2. Взаимодействие сложных веществ с кислородом (горение и окислительный обжиг):

• Окислительный обжиг сульфидных руд:

$$2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2\uparrow$$

• Горение углеводородов (природного газа — метана):

$$CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t} CO_2\uparrow + 2H_2O$$

• Горение сероводорода:

$$2H_2S + 3O_2 \xrightarrow{t} 2SO_2\uparrow + 2H_2O$$

3. Разложение сложных веществ при нагревании (термический распад гидроксидов и солей):

• Термическое разложение нерастворимых оснований на основный оксид и воду:

$$Fe(OH)_2 \xrightarrow{t} FeO + H_2O$$

$$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO + H_2O$$

• Термическое разложение нестойких кислот на кислотный оксид и воду:

$$H_2SiO_3 \xrightarrow{t} SiO_2 + H_2O$$

• Термическое разложение нерастворимых солей кислородсодержащих кислот (карбонатов):

$$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow \quad (\text{обжиг известняка})$$