§ 38. Общая характеристика оксидов неметаллов и кислородо-содержащих кислот

Определения и обозначения

Оксид неметалла — бинарное соединение неметалла с кислородом. Его распознают по формуле: в веществе два элемента, один из которых — кислород, а второй — неметалл. Степень окисления второго элемента помогает понять, к какому типу оксидов относится соединение.

Кислотный оксид — оксид, которому соответствует кислородсодержащая кислота. Для него характерны реакции с основаниями и основными оксидами, в которых образуются соли. Это определение помогает предсказывать химические свойства вещества, даже если оно не реагирует с водой.

Кислородсодержащая кислота содержит атомы водорода, кислорода и ещё одного элемента, например серы в H₂SO₄. Атомы водорода связаны с кислотными свойствами, а кислород входит в состав кислотного остатка. Сопоставление формул кислоты и оксида показывает, как могут быть связаны эти классы веществ.

Ангидрид кислоты — оксид, который при взаимодействии с водой образует соответствующую кислоту. Например, SO₃ — ангидрид серной кислоты: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Так называют не любой оксид неметалла: CO не образует кислоту с водой, а SiO₂ непосредственно с ней не реагирует.

Как это устроено

Чтобы составить формулу оксида, учитывают, что кислород обычно имеет степень окисления −2, а сумма степеней окисления атомов в нейтральном веществе равна нулю. Например, в CO₂ два атома кислорода дают суммарно −4, поэтому углерод имеет степень окисления +4. Сама принадлежность элемента к неметаллам ещё не доказывает кислотный характер оксида: важны свойства конкретного соединения.

Многие оксиды неметаллов называют кислотными, потому что они способны образовывать кислоты или соли при взаимодействии с основаниями. Если оксид реагирует с водой, частица воды добавляет к его составу водород и кислород, формируя кислоту: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Но реакционная способность различается: SiO₂ с водой напрямую не реагирует, хотя при взаимодействии с основаниями проявляет свойства кислотного оксида.

Соотношение формул оксида и кислоты зависит от степени окисления центрального элемента и числа атомов кислорода. Для SO₃ с серой в степени окисления +6 формула кислоты — H₂SO₄, а для SO₂, где сера имеет степень окисления +4, — H₂SO₃. Поэтому одному элементу могут соответствовать несколько оксидов и кислот; нельзя получить формулу кислоты, просто механически приписав к оксиду H₂O.

Кислотный оксид может образовать соль и без предварительной реакции с водой. С основанием образуются соль и вода, например CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O; при другом соотношении реагентов возможна кислая соль. С основным оксидом образуется соль: CO₂ + CaO → CaCO₃. Такие реакции позволяют распознать кислотный характер SiO₂, даже если вода с ним не взаимодействует.

Химические свойства зависят и от элемента, и от его степени окисления. В CO₂ углерод имеет степень окисления +4, а оксид связан с угольной кислотой H₂CO₃; в SO₃ сера имеет +6, а оксид соответствует более кислородсодержащей серной кислоте H₂SO₄. Для одного элемента разные степени окисления означают разный состав оксидов и кислот, поэтому их свойства также не совпадают.

Оксиды неметаллов и соответствующие кислородсодержащие кислоты

Сначала найдите в строке степень окисления и соответствующую кислоту, затем сравните её формулу с реакцией оксида и воды. Уравнения с основанием показывают, какая соль образуется при полном нейтрализовании. Для SiO₂ таблица отдельно подчёркивает, что соответствие кислоте не означает прямую реакцию с водой.

Разбор задач

Определяем характер оксидов CO₂, MgO и CO

Условие. Определить характер трёх оксидов и указать, какому из них соответствует кислота. Нужно отличить кислотный оксид от основного и несолеобразующего, а не делать вывод только по наличию кислорода. Сравним элементы и типичные свойства соединений.

1. В CO₂ углерод — неметалл, а степень его окисления равна +4: x + 2 · (−2) = 0, значит x = +4. Это кислотный оксид, которому соответствует H₂CO₃; например, он реагирует с основанием с образованием карбоната.
2. В MgO магний — металл, степень окисления +2. Это основный оксид, а не оксид неметалла; с кислотами он образует соль и воду.
3. В CO углерод имеет степень окисления +2, поскольку x − 2 = 0. Это несолеобразующий оксид: он не проявляет типичных свойств кислотного оксида и кислота ему не соответствует.

Ответ. CO₂ — кислотный оксид, ему соответствует угольная кислота H₂CO₃; MgO — основный оксид; CO — несолеобразующий оксид. Для проверки полезно сопоставить формулу с элементом и подтвердить характер оксида типичной реакцией.

Составляем кислоту для SO₃

Условие. Составить формулу кислоты, соответствующей SO₃, и записать реакцию её образования из оксида и воды. Степень окисления серы нужно сохранить, чтобы формула не нарушала баланс зарядов. Затем уравнение следует уравнять по числу атомов каждого элемента.

1. Определяем степень окисления серы в SO₃: x + 3 · (−2) = 0, поэтому x = +6.
2. В кислородсодержащей кислоте H₂SO₄ водород имеет степень окисления +1, кислород −2, а сера +6: 2 · (+1) + (+6) + 4 · (−2) = 0. Значит, формула соответствующей кислоты — H₂SO₄.
3. Записываем образование кислоты: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Слева и справа одинаковое число атомов серы, водорода и кислорода, поэтому коэффициенты равны единице.

Ответ. SO₃ соответствует серная кислота H₂SO₄; уравнение: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Эта реакция показывает, почему SO₃ называют ангидридом серной кислоты.

Записываем реакции CO₂ с NaOH и CaO

Условие. Записать уравнения реакций CO₂ с гидроксидом натрия и оксидом кальция, назвать продукты и соли. CO₂ — кислотный оксид, поэтому сначала ожидаем соль, а при реакции с основанием также воду. Выберем для реакции с NaOH соотношение, при котором образуется средняя соль.

1. В реакции с NaOH кислотный остаток CO₃ имеет заряд 2−, а ион натрия — 1+, поэтому формула соли Na₂CO₃. Балансируем натрий и водород: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.
2. Полученная соль Na₂CO₃ называется карбонатом натрия. Проверка атомов показывает, что с обеих сторон уравнения по одному атому углерода, четыре атома кислорода, два атома натрия и два атома водорода.
3. CaO — основный оксид, поэтому с CO₂ он образует соль. Ионы Ca²⁺ и CO₃²⁻ дают формулу CaCO₃, а уравнение CaO + CO₂ → CaCO₃ уже уравнено.

Ответ. CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O — образуются карбонат натрия и вода; CO₂ + CaO → CaCO₃ — образуется карбонат кальция. Оба уравнения подтверждают свойства кислотного оксида.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой оксид неметалла реагирует с водой. Такое обобщение возникает из знакомых примеров CO₂ и SO₃, но SiO₂ напрямую с водой не взаимодействует. Проверяйте реакцию по конкретному веществу, а не переносите свойства одного оксида на остальные.

Ошибка — объявлять кислотным любой оксид неметалла. Причина в том, что связь «неметалл — кислород» часто встречается у кислотных оксидов, но CO является несолеобразующим. Проверьте, соответствует ли оксиду кислота и образует ли он соль при реакции с основанием.

Кислотный оксид и кислородсодержащая кислота — не одно и то же вещество. Их путают из-за близких формул и возможности получить кислоту из некоторых оксидов добавлением воды. Сверьте состав: в кислоте есть водород, а в оксиде его нет.

Формулу кислоты нельзя составлять без проверки степеней окисления и числа атомов кислорода. Если механически добавить воду к формуле оксида, можно получить неверное соотношение атомов или неуравненное уравнение. Проверьте, чтобы сумма степеней окисления в нейтральной кислоте была равна нулю, а число атомов совпадало в уравнении.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны умение называть оксиды, определять степени окисления и составлять формулы по зарядам частиц. Также пригодятся правила расстановки коэффициентов и знания о кислотах, основаниях, солях и основных оксидах. Эти навыки позволят проследить генетические связи между классами неорганических веществ и разбирать реакции неметаллов и их соединений.

Что запомнить

• Многие оксиды неметаллов относятся к кислотным оксидам.
• Кислотному оксиду часто соответствует кислородсодержащая кислота.
• Не все кислотные оксиды реагируют с водой.
• Кислотные оксиды реагируют с основаниями с образованием соли и воды.
• Кислотные оксиды могут реагировать с основными оксидами с образованием солей.
• Одному неметаллу при разных степенях окисления могут соответствовать разные оксиды и кислоты.