§ 29. Оксиды

Определения и обозначения

Оксид — бинарное соединение кислорода с другим химическим элементом. Бинарным называют вещество, состоящее из атомов двух элементов; кислород в большинстве оксидов имеет степень окисления −2. Это правило помогает составлять формулы и проверять их: сумма степеней окисления всех атомов в нейтральном веществе равна нулю.

Основный оксид — оксид, которому соответствует основание, то есть гидроксид металла. Такие оксиды часто образованы металлами с невысокой степенью окисления: например, Na₂O — оксид натрия, CaO — оксид кальция. Связь с основанием позволяет предсказать типичные реакции, хотя не все основные оксиды взаимодействуют с водой.

Кислотный оксид — оксид, которому соответствует кислородсодержащая кислота. Обычно такие соединения образуют неметаллы, например CO₂ и SO₃, но кислотными бывают и некоторые оксиды металлов в высоких степенях окисления. Это определение помогает связать оксиды с кислотами и предсказывать реакции с основаниями.

Амфотерный оксид проявляет свойства и основных, и кислотных оксидов. К таким веществам относятся, например, ZnO и Al₂O₃. Чтобы выявить амфотерность, проверяют реакции оксида и с кислотами, и со щелочами: одной из этих реакций недостаточно.

Как это устроено

Формулу оксида составляют по степеням окисления элементов, чтобы суммарный заряд формульной единицы оказался нулевым. Например, у алюминия степень окисления +3, а у кислорода −2: наименьшее общее кратное модулей этих чисел равно 6, поэтому нужны два атома Al и три атома O, получается Al₂O₃. Проверка: 2 · (+3) + 3 · (−2) = 0. Индексы показывают число атомов и не меняются при уравнивании реакций.

Положение элемента в периодической системе и его степень окисления помогают предположить характер оксида, потому что с ними связаны свойства образуемых соединений. Оксиды многих металлов при невысоких степенях окисления основные, а оксиды неметаллов часто кислотные. При высокой степени окисления кислотный характер может проявлять и оксид металла, например CrO₃. Это ориентир, а не безусловное правило: свойства конкретного оксида подтверждают реакциями.

Основный оксид может реагировать с кислотой с образованием соли и воды, например CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. Основные оксиды также взаимодействуют с кислотными оксидами: CaO + CO₂ → CaCO₃. Некоторые основные оксиды, например Na₂O и CaO, реагируют с водой, образуя основания: CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Однако CuO с водой не реагирует, поэтому отсутствие такой реакции не отменяет его основных свойств.

Кислотный оксид может взаимодействовать с основанием, образуя соль и воду: SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. С основным оксидом он также может давать соль, например CO₂ + CaO → CaCO₃. Некоторые кислотные оксиды реагируют с водой с образованием кислоты: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Но SiO₂ с водой не реагирует, поэтому кислотный характер устанавливают не только по взаимодействию с водой.

Амфотерный оксид реагирует и с кислотой, и со щёлочью, причём образуются соли. Например, ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O, а при сплавлении со щёлочью ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂O. Несолеобразующие, или нейтральные, оксиды не проявляют характерных основных, кислотных или амфотерных свойств; примеры — CO и NO. Их не относят ни к одному из трёх солеобразующих классов.

Классификация оксидов и характерные химические свойства

Таблица сопоставляет типичные представители классов и показывает, с какими веществами оксиды могут реагировать. Знак «—» означает, что взаимодействие обычно не характерно или не происходит в указанных условиях, а не запрещает любые реакции без исключения. Пользуйтесь строками как ориентиром, а конкретные свойства проверяйте по уравнениям реакций.

Разбор задач

Задача 1. Распределите Na₂O, CO₂, ZnO и CO на группы оксидов и назовите каждый оксид.

1. Na₂O образован металлом натрием, для которого характерна степень окисления +1. Это типичный основный оксид; название — оксид натрия.
2. CO₂ — оксид неметалла углерода, соответствующий угольной кислоте H₂CO₃. Значит, это кислотный оксид, диоксид углерода.
3. ZnO реагирует и с кислотами, и со щелочами, поэтому его относят к амфотерным оксидам. Название — оксид цинка.
4. CO не проявляет основных, кислотных или амфотерных свойств и является несолеобразующим оксидом. Его название — оксид углерода(II).

Ответ: Na₂O — основный оксид натрия; CO₂ — кислотный оксид углерода(IV); ZnO — амфотерный оксид цинка; CO — несолеобразующий оксид углерода(II).

Задача 2. Составьте уравнения реакций CaO с водой и CO₂, а также SO₃ с водой и NaOH.

1. CaO — основный оксид активного металла, поэтому с водой образует основание: CaO + H₂O → Ca(OH)₂.
2. CO₂ — кислотный оксид. При взаимодействии с основным оксидом CaO получается соль: CaO + CO₂ → CaCO₃.
3. SO₃ — кислотный оксид, соответствующий серной кислоте. С водой он образует кислоту: SO₃ + H₂O → H₂SO₄.
4. При реакции SO₃ со щёлочью образуются соль и вода. В H₂SO₄ два атома водорода заменяются двумя атомами натрия, поэтому ставим коэффициент 2 перед NaOH: SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O.

Ответ: CaO + H₂O → Ca(OH)₂; CaO + CO₂ → CaCO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄; SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. В каждой записи проверяйте число атомов каждого элемента слева и справа.

Задача 3. Оксид X реагирует с растворами HCl и NaOH. Предложите возможный оксид X и запишите уравнения обеих реакций.

1. Реакция с кислотой указывает на основные свойства оксида, а реакция со щёлочью — на кислотные. Такое сочетание характерно для амфотерного оксида.
2. Выберем ZnO: это известный амфотерный оксид, который реагирует и с HCl, и со щёлочью. С кислотой он образует соль и воду: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O.
3. Со щёлочью цинк образует цинкат; при сплавлении уравнение имеет вид ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂O. Проверка показывает равное число атомов Zn, Na, O и H по обе стороны.

Ответ: возможный X — ZnO, амфотерный оксид цинка. Уравнения: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O; ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂O (при сплавлении).

Типичные ошибки

Ошибка — считать любой оксид металла основным. Такое обобщение кажется удобным, потому что многие металлы образуют основные оксиды, но ZnO и Al₂O₃ амфотерны, а CrO₃ кислотный. Проверьте степень окисления и характерные реакции: взаимодействие оксида и с кислотой, и со щёлочью указывает на амфотерность.

Ошибка — утверждать, что каждый кислотный или основный оксид реагирует с водой. Обычно это правило выводят из примеров вроде SO₃ и CaO, но SiO₂ и CuO с водой не реагируют. Перед записью реакции проверьте свойства именно этого вещества и не выводите класс только из способности образовывать кислоту или основание.

Ошибка — определять класс исключительно по реакции с водой. Многие оксиды с ней не взаимодействуют, поэтому такой тест не позволяет классифицировать их полностью. Проверьте, реагирует ли оксид с кислотами и щелочами: совокупность реакций помогает выявить основные, кислотные или амфотерные свойства.

Ошибка — менять индексы в формуле, чтобы уравнять реакцию. Индекс определяет состав вещества, и его изменение означает уже другое соединение; для уравнивания подбирают только коэффициенты перед формулами. После расстановки коэффициентов пересчитайте атомы каждого элемента слева и справа.

Связь с другими темами

Для изучения оксидов нужны знания о бинарных соединениях и степенях окисления: без них трудно составлять формулы и проверять их нейтральность. Также понадобятся представления о кислотах, основаниях и уравнениях реакций. Эти понятия позволяют не просто назвать класс оксида, но и предсказать продукты его взаимодействия.

Классификация оксидов помогает сравнивать свойства металлов и неметаллов и прослеживать генетические связи между классами неорганических веществ. Она также полезна при изучении способов получения солей: соли образуются, например, при реакциях оксидов с кислотами, основаниями или друг с другом. Поэтому умение распознавать характер оксида пригодится в последующих темах.

Что запомнить

• Оксид — бинарное соединение кислорода с другим элементом.
• В большинстве оксидов степень окисления кислорода равна −2.
• Основные оксиды связаны с основаниями, кислотные — с кислородсодержащими кислотами.
• Амфотерные оксиды проявляют свойства и основных, и кислотных оксидов.
• Не все оксиды реагируют с водой.
• Оксиды, не проявляющие основных, кислотных или амфотерных свойств, называют несолеобразующими.
• При уравнивании реакций меняют коэффициенты, но не индексы в формулах.