"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Металлы соединяются с кислородом, образуя оксиды и пероксиды. В обычном оксиде кислород имеет степень окисления −2, а состав формулы определяют по степеням окисления элементов. Оксиды различают по химическим свойствам: основные реагируют с кислотами, амфотерные — и с кислотами, и со щёлочами. В пероксидах кислород входит в группу O₂²⁻ и имеет степень окисления −1. Эти различия помогают предсказывать реакции и правильно записывать формулы соединений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид металла — бинарное соединение, состоящее из атомов металла и кислорода; в обычных оксидах кислород обычно имеет степень окисления −2. Бинарным называют соединение из двух химических элементов. Это определение помогает отличить оксиды от солей и пероксидов, а степень окисления — составить их формулы.
Основный оксид — оксид, которому соответствует основание. Например, MgO соответствует Mg(OH)₂, а CaO — Ca(OH)₂. Такое соответствие позволяет предсказать характерные реакции: основные оксиды обычно взаимодействуют с кислотами, хотя не каждый из них реагирует с водой.
Амфотерный оксид проявляет свойства и основного, и кислотного оксидов. Он способен реагировать как с кислотами, так и со щёлочами; примеры — Al₂O₃ и ZnO. Понятие амфотерности нужно, чтобы не относить все оксиды металлов к основным и предсказывать их реакции с обоими типами реагентов.
Пероксид металла — соединение, содержащее группу O₂²⁻, в которой степень окисления каждого атома кислорода равна −1. Например, в Na₂O₂ два атома кислорода вместе имеют заряд −2. Это определение помогает отличить пероксид от обычного оксида и правильно записать его формулу.
При взаимодействии металла с кислородом образуется соединение, в котором элементы имеют определённые степени окисления. Для обычного оксида принимают степень окисления кислорода −2, а степень окисления металла определяют по его свойствам или условию задачи. Индексы в формуле подбирают так, чтобы суммарный заряд был равен нулю: иначе формула описывала бы не нейтральное соединение. Например, Fe³⁺ и O²⁻ дают соотношение атомов 2:3, поэтому формула — Fe₂O₃.
Основные, амфотерные и кислотные оксиды различают прежде всего по реакциям. Основный оксид проявляет основные свойства, амфотерный взаимодействует с кислотой и со щёлочью, а кислотный оксид характерно реагирует с основаниями. Среди оксидов металлов встречаются и основные, и амфотерные; тип часто связан с положением металла и его степенью окисления, но его нельзя надёжно определить только по формуле. Поэтому при классификации учитывают известные химические свойства вещества.
Основные оксиды обычно реагируют с кислотами: образуются соль и вода. Некоторые из них взаимодействуют с водой с образованием основания, например CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Однако это не универсальное свойство: CuO с водой не реагирует. Основный оксид может также реагировать с кислотным оксидом, образуя соль, например CaO + CO₂ → CaCO₃; направление реакции объясняется противоположным характером этих оксидов.
Амфотерность удобно проверять на примере Al₂O₃: в реакции с кислотой оксид ведёт себя как основный, а с щёлочью — как кислотный. С серной кислотой образуются соль и вода: Al₂O₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O. В водном растворе гидроксида натрия образуется растворимый комплекс: Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]. Состав продуктов зависит от реагента и условий, поэтому обе реакции нужно записывать отдельно.
В обычном оксиде кислород имеет степень окисления −2, а в пероксиде два атома кислорода связаны в группу O₂²⁻ и каждый имеет степень окисления −1. Поэтому Na₂O — оксид натрия, а Na₂O₂ — пероксид натрия: это разные вещества с разным составом и свойствами. При составлении формулы пероксида сохраняют группу O₂, а не рассматривают кислородные атомы как обычные O²⁻. По той же причине для пероксидов отдельно устанавливают продукты и уравнивают реакции, не перенося на них автоматически правила для обычных оксидов.
| Тип соединения | Пример | Степень окисления кислорода | Характерные свойства и реакции |
|---|---|---|---|
| Основный оксид | CaO | −2 | Реагирует с кислотами; некоторые основные оксиды реагируют с водой и кислотными оксидами. |
| Амфотерный оксид | Al₂O₃ | −2 | Реагирует и с кислотами, и со щёлочами. |
| Пероксид | Na₂O₂ | −1 | Содержит группу O₂²⁻; свойства и реакции отличаются от свойств обычных оксидов. |
Сначала посмотрите на степень окисления кислорода: так можно отличить обычный оксид от пероксида. Затем используйте характерные реакции, чтобы установить, является ли оксид основным или амфотерным. Таблица даёт ориентир, но для конкретного вещества важно учитывать его свойства и условия реакции.
Условие. Составьте формулы оксидов магния и железа(III), используя степени окисления элементов. В обычном оксиде кислород имеет степень окисления −2, магний — +2, железо(III) — +3. Нужно найти такое соотношение атомов, чтобы соединение в целом было нейтральным.
Ответ. Формулы оксидов — MgO и Fe₂O₃. Проверка суммы степеней окисления подтверждает, что обе формулы соответствуют нейтральным соединениям.
Условие. Запишите реакции CaO с водой и CuO с соляной кислотой. Оба вещества — основные оксиды, но взаимодействуют с разными реагентами. Для каждого случая нужно определить ожидаемые продукты и проверить число атомов по обе стороны уравнения.
Ответ. CaO + H₂O → Ca(OH)₂; CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. Реакция с водой характерна не для всех основных оксидов, но CuO с кислотой реагирует как основной оксид.
Условие. Составьте уравнения взаимодействия Al₂O₃ с серной кислотой и гидроксидом натрия, а затем определите тип оксида. В реакции с кислотой ожидаются соль и вода, а в водном растворе щёлочи — растворимый алюминатный комплекс. Сравнение двух реакций позволит проверить свойства вещества.
Ответ. Al₂O₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O; Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]. Оксид алюминия амфотерный, потому что реагирует и с кислотой, и со щёлочью.
Ошибка — считать, что кислород всегда имеет степень окисления −2. Так часто делают, потому что это правило подходит для большинства обычных оксидов, но оно не распространяется на пероксиды. В пероксиде степень окисления кислорода равна −1. Проверяйте, есть ли в формуле группа O₂²⁻, и не переносите на неё правило для обычного оксида.
Ошибка — называть любой оксид металла основным. Это кажется логичным из-за связи металлов с основаниями, однако некоторые оксиды металлов амфотерны, например Al₂O₃ и ZnO. Их свойства определяются не только тем, что в составе есть металл, но и его химической природой и степенью окисления. Проверяйте, реагирует ли оксид со щёлочами наряду с кислотами.
Ошибка — записывать взаимодействие с водой для любого основного оксида. Вероятно, ученик обобщает реакцию CaO + H₂O → Ca(OH)₂ на все вещества этого типа, хотя многие оксиды, например CuO, с водой не реагируют. Перед записью уравнения выясните, характерна ли такая реакция для конкретного соединения. Если данных о реакции нет, не выводите её только из названия «основный».
Ошибка — считать, что реакции амфотерного оксида с кислотой и щёлочью дают одинаковые продукты. В кислоте образуются соль и вода, а в щёлочи возможны другие соединения, например алюминатный комплекс; условия также влияют на запись продуктов. Путаница возникает, если замечать только исчезновение оксида. Проверяйте состав каждого реагента и балансируйте каждое уравнение отдельно.
Для составления формул оксидов и пероксидов нужны знания о степенях окисления, бинарных соединениях и уравнивании реакций. Классификация оксидов связана со свойствами кислот, оснований и солей, а амфотерность оксидов — с амфотерными гидроксидами. Эти представления помогают объяснять превращения веществ, а не только запоминать формулы. Они пригодятся при изучении металлургии, коррозии и практического применения оксидов и пероксидов.
Как определить формулу оксида металла по его степени окисления?
Примите степень окисления кислорода в обычном оксиде равной −2. Подберите индексы так, чтобы сумма степеней окисления всех атомов была нулевой, и запишите индексы в наименьшем целочисленном соотношении. Например, для Mg²⁺ и O²⁻ формула — MgO.
Почему оксид алюминия называют амфотерным?
Al₂O₃ реагирует и с кислотами, и со щёлочами, то есть проявляет свойства обоих типов оксидов. Например, с серной кислотой образует соль и воду, а в растворе щёлочи — растворимый алюминатный комплекс.
Все ли оксиды металлов являются основными?
Нет. Среди оксидов металлов есть амфотерные, например Al₂O₃ и ZnO, а характер зависит в том числе от степени окисления металла. Поэтому тип оксида определяют по его свойствам, а не только по наличию металла в формуле.
Как отличить пероксид от обычного оксида?
В обычном оксиде степень окисления кислорода равна −2, а в пероксиде кислородные атомы образуют группу O₂²⁻ и имеют степень окисления −1. Поэтому в пероксиде на два атома кислорода приходится суммарный заряд −2; например, формула пероксида натрия — Na₂O₂.
Какие оксиды металлов реагируют с водой?
С водой реагируют некоторые основные оксиды, например оксиды активных металлов: CaO образует Ca(OH)₂. Многие другие основные оксиды, в частности CuO, с водой не реагируют. Способность взаимодействовать с водой нужно проверять для конкретного вещества.
§ 43. Соединения металлов с кислородом
