§ 37. Кислотные оксиды и гидроксиды (кислородсодержащие кислоты)

Определения и обозначения

Кислотный оксид — оксид, которому соответствует кислородсодержащая кислота. Такие оксиды обычно реагируют с водой с образованием кислоты, а с основаниями дают соль и, как правило, воду. Это понятие помогает предсказывать свойства оксидов и возможные продукты реакций.

Кислородсодержащая кислота — соединение, в состав которого входят водород, кислород и ещё один элемент. В формулах таких кислот часть атомов водорода способна замещаться атомами металла при образовании солей. Это позволяет установить, сколько видов солей может образоваться и как их составить.

Ангидрид кислоты — кислотный оксид, который можно представить как продукт отщепления воды от соответствующей кислоты. Например, ангидридом H₂SO₄ является SO₃, а ангидридом H₃PO₄ — P₂O₅. Понятие показывает связь между кислотой и её оксидом, хотя не каждый такой оксид обязательно получают простым удалением воды в лаборатории.

Основность кислоты — число атомов водорода в её молекуле, способных замещаться атомами металла. Например, HNO₃ одноосновная, H₂SO₄ двухосновная, а H₃PO₄ трёхосновная. Основность нужна, чтобы определять состав средней и кислой соли.

Как это устроено

Чтобы установить соответствие между оксидом и кислотой, сначала находят степень окисления центрального элемента — элемента, отличного от кислорода и водорода. В кислоте этот элемент обычно сохраняет ту же степень окисления, что и в оксиде. Затем состав кислоты подбирают так, чтобы суммарный заряд формульной единицы был равен нулю. Например, в SO₃ сера имеет степень окисления +6, поэтому соответствующая кислота — H₂SO₄, где сера также имеет +6.

Вода может присоединяться к кислотному оксиду с образованием кислоты, если такое превращение энергетически возможно и продукт достаточно устойчив. Так образуются, например, H₂SO₄ из SO₃ и H₃PO₄ из P₂O₅. Однако соответствие оксида кислоте не означает, что оксид непременно вступит с водой в прямую реакцию: некоторые кислотные оксиды с водой практически не взаимодействуют. Их кислотный характер при этом проявляется в реакциях с основаниями.

Уравнение образования кислоты записывают по формулам оксида, воды и соответствующей кислоты, а затем проверяют число атомов каждого элемента слева и справа. Если в оксиде несколько атомов элемента, у кислоты может появиться коэффициент, как в реакции N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃. Для образования H₃PO₄ уравнение имеет вид P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄: коэффициенты обеспечивают по два атома фосфора и восемь атомов кислорода с каждой стороны. Индексы внутри формул при уравнивании не меняют.

Кислотные оксиды реагируют с основаниями и основными оксидами, потому что кислотные и основные свойства взаимно нейтрализуются с образованием соли. Например, CO₂ с NaOH даёт карбонат натрия и воду, а с основным оксидом Na₂O — карбонат натрия. При недостатке щёлочи некоторые оксиды образуют кислую соль, в которой сохраняется атом водорода кислоты: CO₂ + NaOH → NaHCO₃. Поэтому для выбора продукта нужно учитывать соотношение реагентов.

Основность устанавливают по числу замещаемых атомов водорода, а не по числу атомов кислорода. При полной замене этих водородов металлом получается средняя соль: например, из H₂CO₃ — Na₂CO₃. Если замещена только часть водородов многоосновной кислоты, образуется кислая соль, например NaHCO₃. Это различие помогает правильно записывать формулы продуктов и уравнения реакций.

Кислотные оксиды и соответствующие им кислоты

Используйте таблицу, чтобы увидеть связь между степенью окисления элемента в оксиде и его кислотой. Последний столбец показывает, как проверить формулу кислоты уравнением реакции с водой. Основность сверяйте с числом замещаемых атомов водорода в формуле кислоты.

Разбор задач

1. Кислота для SO₃

Условие. Для SO₃ определите соответствующую кислородсодержащую кислоту и запишите уравнение её образования из оксида. Степень окисления кислорода в оксидах равна −2, поэтому сумма степеней окисления в нейтральной молекуле должна быть нулевой. Это условие помогает подобрать формулу, не полагаясь только на название вещества.

1. В SO₃ три атома кислорода дают суммарно −6, следовательно, сера имеет степень окисления +6.
2. Кислоте серы со степенью окисления +6 соответствует формула H₂SO₄: два H дают +2, четыре O — −8, а S — +6.
3. Записываем реакцию SO₃ с водой и проверяем числа атомов: SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

Ответ: соответствующая кислота — H₂SO₄, уравнение образования: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Коэффициенты равны единице, поскольку все атомы уже сбалансированы. Проверка состава предотвращает ошибку в индексах формулы.

2. Реакции CO₂

Условие. Запишите уравнения реакций CO₂ с избытком NaOH и с Na₂O, назовите продукты. CO₂ — кислотный оксид, поэтому с основанием он образует соль и воду, а с основным оксидом — соль. Избыток щёлочи означает, что для полной нейтрализации кислоты достаточно натрия и образуется средняя соль.

1. Для реакции с NaOH записываем карбонат натрия и воду: CO₂ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.
2. В Na₂CO₃ два атома натрия, поэтому ставим коэффициент 2 перед NaOH: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.
3. При реакции с Na₂O соединяются кислотный и основный оксиды: CO₂ + Na₂O → Na₂CO₃. Проверяем, что углерод, натрий и кислород сбалансированы.

Ответ: образуются карбонат натрия Na₂CO₃ и вода в первой реакции, карбонат натрия — во второй. Если бы щёлочи было недостаточно, могла бы образоваться кислая соль NaHCO₃. Поэтому указание об избытке реагента влияет на выбор продукта.

3. Количество фосфорной кислоты

Условие. При взаимодействии 0,20 моль P₂O₅ с избытком воды определите количество H₃PO₄, если реакция протекает полностью. Избыток воды означает, что весь оксид может вступить в реакцию. Для расчёта сначала нужна уравненная реакция, поскольку её коэффициенты задают молярное соотношение веществ.

1. Записываем схему: P₂O₅ + H₂O → H₃PO₄.
2. Уравниваем атомы: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. Из коэффициентов следует, что 1 моль P₂O₅ образует 2 моль H₃PO₄.
3. Умножаем количество P₂O₅ на отношение коэффициентов: n(H₃PO₄) = 0,20 × 2 = 0,40 моль.

Ответ: образуется 0,40 моль H₃PO₄. Проверка проста: количество продукта вдвое больше количества оксида, как и предписывает уравнение. Такой расчёт применим, если реакция протекает полностью и побочные процессы не учитываются.

Типичные ошибки

• Считать, что любой кислотный оксид обязательно реагирует с водой, ошибочно: соответствие кислоте не гарантирует прямую реакцию. Это предположение возникает из распространённой схемы «оксид + вода → кислота». Проверьте, известна ли такая реакция для конкретного вещества; если нет, рассматривайте другие проявления кислотных свойств.

• Подбирать кислоту только по названию оксида — значит рисковать ошибиться в степени окисления или индексах. Название не показывает само по себе, сколько атомов водорода и кислорода должно быть в формуле. Найдите степень окисления элемента и проверьте, что суммарный заряд кислоты равен нулю.

• Основность кислоты иногда путают с числом атомов кислорода, потому что оба признака видны в формуле. Но основность определяется только числом замещаемых атомов водорода: H₂SO₄ — двухосновная, хотя кислорода в ней четыре. Для проверки посчитайте подходящие атомы H, а не O.

• Запись реакции кислотного оксида со щёлочью без уравнивания нарушает сохранение числа атомов. Кроме того, при недостатке щёлочи можно не заметить образование кислой соли. Сверьте количество каждого элемента с обеих сторон и учтите соотношение реагентов.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о классификации оксидов, степенях окисления, составах кислот и правилах составления формул. Они позволяют определить соответствующую кислоту и уравнять реакцию, а не подбирать ответ наугад. Закономерности пригодятся при изучении свойств кислот и оснований и генетических связей между классами неорганических веществ. Основность кислоты связывает эту тему с химией солей: по ней можно предсказать, будет соль средней или кислой.

Что запомнить

• Кислотному оксиду соответствует кислородсодержащая кислота.
• При взаимодействии кислотного оксида с водой может образоваться соответствующая кислота.
• Кислотные оксиды реагируют с основаниями с образованием соли и, как правило, воды.
• Кислотный оксид и основный оксид могут реагировать с образованием соли.
• Основность кислоты равна числу замещаемых атомов водорода в её молекуле.
• Для получения формулы кислоты и записи реакции необходимо проверять степени окисления и уравнивать уравнение.