"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Оксиды и гидроксиды металлов — важные классы неорганических соединений, свойства которых связаны с природой металла и его степенью окисления. По зарядам частиц составляют формулы, а по реакциям определяют, относится ли соединение к основным или амфотерным. Основные оксиды и гидроксиды взаимодействуют с кислотами, а амфотерные вещества реагируют и с кислотами, и со щелочами. Эти закономерности помогают предсказывать реакции и связывать классы веществ.
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 его формуле кислород обычно имеет степень окисления −2, а степень окисления металла определяют из условия электрической нейтральности. Например, в Fe₂O₃ сумма −6 от кислорода компенсируется суммарным зарядом +6, поэтому железо имеет степень окисления +3. Это правило позволяет составлять формулы и распознавать состав соединения.
Основный оксид — оксид, которому соответствует основание. Для таких оксидов характерна реакция с кислотами: обычно образуются соль и вода, например CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. Это свойство помогает отличать основные оксиды от других классов соединений и предсказывать продукты реакции.
Гидроксид металла — соединение, в котором с атомом металла связана одна или несколько гидроксогрупп OH. Их число соответствует степени окисления металла: иону Mg²⁺ соответствует Mg(OH)₂, а Al³⁺ — Al(OH)₃. Понимание этой связи необходимо, чтобы правильно записывать формулы оснований.
Амфотерный гидроксид проявляет свойства и основания, и кислоты. Поэтому он реагирует как с кислотами, так и со щелочами: в первом случае обычно образуются соль и вода, во втором — растворимое комплексное соединение. Такая двойственность позволяет отличить амфотерные гидроксиды от обычных оснований.
Формулы оксидов и гидроксидов подчиняются условию электрической нейтральности: суммарный положительный заряд должен компенсировать отрицательный. У кислорода в оксиде зарядовый вклад равен −2, а у каждой группы OH — −1. Поэтому для металла со степенью окисления +n обычно требуется n групп OH; в оксиде индексы выбирают так, чтобы общий заряд кислорода компенсировал заряд металла. Если индексы можно сократить, записывают их наименьшее отношение.
Основный оксид реагирует с кислотой потому, что кислотные частицы нейтрализуют его основные свойства; часто результатом становятся соль и вода. Некоторые оксиды активных металлов способны принимать воду с образованием соответствующего гидроксида, например Na₂O + H₂O → 2NaOH. Это возможно, когда образующееся основание устойчиво и взаимодействие энергетически выгодно. Поэтому свойство одного основного оксида нельзя автоматически переносить на все остальные.
Гидроксид можно получить из оксида, если этот оксид реагирует с водой: так получают, например, Ca(OH)₂ из CaO. Другой путь — смешать растворимую соль металла с щёлочью, если образующийся гидроксид выпадает в осадок: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Движущей силой второго процесса служит образование малорастворимого вещества. Этот способ подходит и для гидроксидов, соответствующие оксиды которых с водой не реагируют.
Амфотерные оксиды и гидроксиды отличаются от основных тем, что реагируют не только с кислотами, но и со щелочами. При взаимодействии с кислотой амфотерный гидроксид ведёт себя как основание, например Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O. В избытке щёлочи он проявляет кислотные свойства и образует комплекс, например Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. Обычный основной гидроксид такой характерной реакции со щёлочью не даёт.
Растворимость гидроксидов и свойства оксидов определяются природой металла и строением соединения. Гидроксиды щелочных металлов обычно растворимы, тогда как многие другие основания малорастворимы или нерастворимы. В ряду от активных металлов к менее активным основные свойства оксидов и гидроксидов обычно ослабевают, а у некоторых элементов становятся заметны амфотерные свойства. Эта закономерность помогает оценить вероятные реакции, но конкретный результат всё равно проверяют по свойствам вещества.
| Класс соединений | Примеры | Взаимодействие с водой | Взаимодействие с кислотами | Взаимодействие со щелочами |
|---|---|---|---|---|
| Основные оксиды | Na₂O, CaO, CuO | Na₂O и CaO реагируют; CuO — нет | Обычно соль и вода | Обычно не реагируют |
| Амфотерные оксиды | Al₂O₃, ZnO | Не реагируют | Соль и вода | Образуют комплексные соединения |
| Растворимые основания (щёлочи) | NaOH, KOH | Растворяются в воде | Соль и вода | Обычно не реагируют |
| Нерастворимые основания | Cu(OH)₂, Fe(OH)₃ | Не растворяются | Соль и вода | Обычно не реагируют |
| Амфотерные гидроксиды | Al(OH)₃, Zn(OH)₂ | Не растворяются | Соль и вода | Растворяются с образованием комплексов |
Сначала определите класс вещества по первой колонке и проверьте, является ли оно амфотерным. Затем по нужной колонке выясните, возможна ли реакция и какие продукты ожидаются. Формулировки «обычно» и примеры важны: свойства нельзя без проверки приписывать всем соединениям класса.
Задача 1. Составьте формулы оксида и гидроксида алюминия, если алюминий в соединениях имеет степень окисления +3. Нужно уравнять положительный заряд алюминия и отрицательный вклад кислорода или гидроксогрупп. Для оксида используем степень окисления кислорода −2, для гидроксида учитываем заряд OH, равный −1. Индексы выбираем в наименьшем целочисленном отношении.
Ответ: Al₂O₃ и Al(OH)₃. Скобки в формуле гидроксида показывают, что индекс 3 относится ко всей группе OH.
Задача 2. Запишите реакцию оксида кальция с водой и найдите массу Ca(OH)₂ из 5,6 г CaO. Сначала установим соотношение веществ по уравнению, затем переведём массу оксида в количество вещества. По коэффициентам найдём количество продукта и вернёмся к его массе. Используем относительные молярные массы: M(CaO) = 56 г/моль, M(Ca(OH)₂) = 74 г/моль.
Ответ: CaO + H₂O → Ca(OH)₂; образуется 7,4 г гидроксида кальция. Расчёт предполагает, что реакция прошла полностью и воды достаточно.
Задача 3. Составьте уравнения взаимодействия Zn(OH)₂ с соляной кислотой и избытком раствора NaOH. Гидроксид цинка амфотерен, поэтому нужно рассмотреть два разных направления реакции. С кислотой он проявляет основные свойства, а в избытке щёлочи образует комплексный ион. Проверим, чтобы число атомов и заряд были сбалансированы.
Ответ: Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O; Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]. Признак амфотерности — способность реагировать и с кислотой, и со щёлочью.
Ошибка — считать, что любой основной оксид реагирует с водой. Такое обобщение возникает потому, что реакция оксида кальция с водой часто приводится как наглядный пример, но CuO, например, с водой не реагирует. Проверяйте свойство конкретного оксида и учитывайте природу металла, а не только принадлежность вещества к основным оксидам.
Ошибка — называть щёлочью любой растворимый гидроксид, не проверив растворимость основания в воде. Путаница появляется из-за того, что слова «основание» и «щёлочь» часто используют рядом. Щёлочь — это именно растворимое в воде основание; сверяйтесь с данными о растворимости, прежде чем употреблять термин.
Ошибка — считать амфотерными все оксиды и гидроксиды металлов. Её допускают, принимая свойства отдельных соединений, например Al₂O₃ или Zn(OH)₂, за общее правило. Для проверки выясните, реагирует ли вещество и с кислотой, и со щёлочью: одной реакции с кислотой недостаточно.
Ошибка — записывать реакцию амфотерного гидроксида со щёлочью как обычную нейтрализацию. Так происходит, если не учитывать, что гидроксид проявляет кислотные свойства и может образовать комплексный ион. Проверьте, какие продукты ожидаются в избытке щёлочи, и запишите формулу комплекса, например Na₂[Zn(OH)₄], а не условную соль и воду.
Для этой темы нужны знания о составе оксидов, кислот и оснований, степенях окисления и электрической нейтральности формул. Умение расставлять коэффициенты позволяет переходить от уравнения реакции к расчёту количества вещества и массы продукта. Поэтому разбор оксидов и гидроксидов опирается одновременно на состав веществ и на стехиометрию.
Эти свойства помогают изучать генетическую связь классов неорганических соединений: оксид может переходить в гидроксид, а затем участвовать в реакциях с кислотами. Знание растворимости полезно при анализе качественных реакций, например при распознавании осадков гидроксидов. Связь свойств соединений с активностью металлов пригодится при изучении химических свойств металлов.
Как определить формулу оксида металла по его степени окисления?
У кислорода в оксидах степень окисления обычно −2. Подберите наименьшие индексы так, чтобы сумма степеней окисления всех атомов в соединении была равна нулю: например, для металла со степенью окисления +3 формула оксида — M₂O₃.
Почему не все основные оксиды реагируют с водой?
Взаимодействие с водой зависит от химической активности металла и устойчивости образующегося основания. Оксиды многих активных металлов, например CaO, реагируют с водой, а оксиды менее активных металлов обычно не реагируют.
Чем основание отличается от щёлочи?
Основание — это гидроксид металла, а щёлочь — основание, растворимое в воде. Поэтому нерастворимые гидроксиды тоже являются основаниями, но щёлочами не называются.
Как экспериментально распознать амфотерный гидроксид?
Проверьте, растворяется ли осадок и при добавлении кислоты, и при добавлении избытка щёлочи. Растворение в обоих случаях указывает на амфотерные свойства; например, так ведёт себя Zn(OH)₂.
Почему амфотерные гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щёлочами?
В их составе частица может проявлять свойства основания при взаимодействии с кислотой и свойства кислоты при взаимодействии со щёлочью. В последнем случае обычно образуется растворимый комплексный ион, поэтому реакция не сводится к обычной нейтрализации.
§ 34. Оксиды и гидроксиды металлов
