§ 36. Основные оксиды и гидроксиды

Определения и обозначения

Основный оксид — бинарное соединение металла с кислородом, которому соответствует основание. Слово «бинарное» означает, что в соединении только два химических элемента. Типичные примеры — оксиды кальция CaO и меди CuO; по формуле можно определить, какие элементы входят в состав вещества.

Основный гидроксид — соединение металла с одной или несколькими гидроксогруппами OH, проявляющее свойства основания. Группа OH связана с атомом металла, а её количество зависит от заряда иона металла. Например, формулы NaOH и Ca(OH)₂ показывают, что в гидроксиде кальция две группы OH.

Щёлочь — основание, растворимое в воде. Растворимые гидроксиды, например NaOH и KOH, образуют щелочные растворы, а гидроксид меди Cu(OH)₂ практически не растворяется и щёлочью не считается. Это различие помогает правильно называть вещества и предсказывать их поведение в растворе.

Амфотерный гидроксид проявляет свойства и оснований, и кислот. Например, Al(OH)₃ реагирует как с кислотами, так и со щелочами, поэтому его нельзя считать обычным основным гидроксидом. Понятие амфотерности нужно, чтобы не относить такие вещества только к одному классу по составу формулы.

Как это устроено

Основному оксиду многих металлов соответствует гидроксид того же металла: в CaO и Ca(OH)₂ сохраняется кальций. Это соответствие связано с тем, что оксид при подходящих условиях может присоединить воду, а в продукте появляется гидроксогруппа. Однако наличие пары не означает, что оксид обязательно реагирует с водой или что продукт всегда растворим.

Формулу соединения подбирают так, чтобы суммарный заряд был равен нулю: соединение в целом электронейтрально. Если степень окисления металла равна +2, оксиду соответствует соотношение M:O = 1:1, а гидроксиду — одна частица металла на две группы OH. Для металла со степенью окисления +3 потребуются два атома металла и три атома кислорода в оксиде, а также три группы OH в гидроксиде: M₂O₃ и M(OH)₃.

Основный оксид реагирует с водой не всегда: значение имеют активность металла и устойчивость его соединений. Оксиды щелочных металлов, например Na₂O, при взаимодействии с водой образуют растворимые гидроксиды: Na₂O + H₂O → 2NaOH. Оксид кальция тоже реагирует с водой, образуя Ca(OH)₂; многие оксиды менее активных металлов, например CuO, с водой не взаимодействуют.

Кислота содержит ионы водорода, а основный оксид или гидроксид предоставляет основную часть реакции. При взаимодействии кислоты с основным оксидом образуются соль и вода: CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. Для гидроксида происходит нейтрализация: H⁺ кислоты соединяется с OH⁻ с образованием H₂O, а остальные ионы образуют соль, например Cu(OH)₂ + 2HCl → CuCl₂ + 2H₂O.

Активность и растворимость соединений связаны с природой металла и его положением в периодической системе. Гидроксиды щелочных металлов обычно хорошо растворяются, тогда как гидроксиды многих других металлов растворимы слабо или практически нерастворимы. По мере изменения свойств элементов меняется и характер их оксидов и гидроксидов: наряду с основными встречаются амфотерные, поэтому одного наличия металла в формуле недостаточно для классификации.

Состав, получение и химические свойства основных оксидов и гидроксидов

Таблица показывает типичные способы получения и реакции, но отдельные вещества могут иметь особенности. При составлении уравнения сначала определите продукты, затем проверьте формулы и расставьте коэффициенты по числу атомов. Растворимость оценивайте отдельно: она не выводится только из того, что вещество является гидроксидом.

Разбор задач

Задача 1. Составьте формулы оксида и гидроксида алюминия, если степень окисления алюминия равна +3. Нужно подобрать индексы так, чтобы положительный заряд металла компенсировался отрицательным зарядом кислорода или групп OH. После составления формул проверим электронейтральность и классифицируем вещества.

1. В оксиде кислород имеет степень окисления −2, поэтому наименьшее общее соотношение зарядов: два Al³⁺ дают +6, три O²⁻ дают −6.
2. Формула оксида — Al₂O₃. В гидроксиде одна группа OH имеет заряд −1, поэтому к Al³⁺ нужны три группы OH⁻: Al(OH)₃.
3. Оба вещества амфотерны, поэтому это не примеры типичных основных соединений, хотя формулы составлены верно.

Ответ: Al₂O₃ и Al(OH)₃; оба соединения амфотерны.

Задача 2. Запишите реакцию оксида кальция с водой и назовите продукт. В формуле CaO кальций имеет степень окисления +2, поэтому соответствующий гидроксид содержит две группы OH. Сначала запишем схему реакции, затем проверим число атомов по обе стороны уравнения.

1. Оксид кальция соединяется с водой, образуя гидроксид кальция: CaO + H₂O → Ca(OH)₂.
2. Слева и справа по одному атому Ca, два атома H и два атома O, поэтому коэффициенты равны 1.
3. Вещество Ca(OH)₂ называют гидроксидом кальция; оно малорастворимо в воде и не относится к щелочным гидроксидам в том же смысле, что NaOH.

Ответ: CaO + H₂O → Ca(OH)₂; продукт — гидроксид кальция.

Задача 3. Составьте уравнение реакции CuO с соляной кислотой HCl. Основный оксид с кислотой образует соль и воду, поэтому сначала определим состав соли: ион Cu²⁺ соединяется с двумя ионами Cl⁻. Затем уравняем количество атомов, чтобы соблюдался закон сохранения массы.

1. Записываем продукты реакции: CuO + HCl → CuCl₂ + H₂O.
2. В CuCl₂ два атома хлора, поэтому ставим коэффициент 2 перед HCl: CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O.
3. Проверяем: Cu — 1, O — 1, H — 2 и Cl — 2 с каждой стороны. Уравнение сбалансировано.

Ответ: CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O; образуются хлорид меди(II) и вода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать основным любой оксид металла. Такое предположение возникает потому, что основные оксиды часто содержат металл, однако среди оксидов есть амфотерные и соединения с другими свойствами. Проверяйте, с чем реагирует оксид: взаимодействие и с кислотами, и со щелочами указывает на амфотерность.

Неверно ожидать, что каждый основной оксид реагирует с водой. Это обобщение основано на знакомых примерах CaO и Na₂O, но CuO с водой не взаимодействует. Проверьте конкретное свойство вещества, а не выводите реакцию только из названия класса; при этом отсутствие реакции с водой не исключает реакции с кислотой.

Основание и щёлочь — не полные синонимы: щёлочи составляют только растворимую в воде часть оснований. Путаница появляется из-за того, что в задачах часто рассматривают растворы NaOH и KOH. Сверяйтесь с таблицей растворимости: если гидроксид нерастворим, называть его щёлочью нельзя.

Формулу гидроксида нельзя составлять по догадке, не учитывая заряд металла. Например, запись Na(OH)₂ неверна: Na⁺ имеет заряд +1 и компенсируется одной группой OH⁻. Перед проверкой формулы умножьте число каждой группы на её заряд и убедитесь, что суммарный заряд равен нулю.

Связь с другими темами

Для формул оксидов и гидроксидов нужны знания о валентности, степенях окисления и зарядах ионов. Эта тема продолжает классификацию неорганических веществ и связывает оксиды, основания, кислоты и соли через реакции обмена. Понятия амфотерности и генетических связей между классами веществ понадобятся при изучении поведения соединений алюминия и цинка. Чтобы судить о растворимости гидроксидов и их поведении в растворах, используют таблицу растворимости и знания о диссоциации электролитов.

Что запомнить

• Основный оксид состоит из металла и кислорода.
• Основному оксиду соответствует гидроксид того же металла, если такой гидроксид существует.
• Щёлочи — растворимые основания.
• Основные оксиды и гидроксиды реагируют с кислотами с образованием соли и воды.
• Не каждый основной оксид взаимодействует с водой.
• Оксиды и гидроксиды некоторых металлов амфотерны.