§ 27. Кислотные оксиды

Определения и обозначения

Оксид — бинарное соединение кислорода с другим химическим элементом. Бинарное значит состоящее из атомов двух разных элементов: например, CO₂ — оксид, а H₂SO₄ — уже кислота, потому что в составе три элемента. Чтобы отличить оксид от других классов веществ, проверьте формулу: кислород должен быть соединён только с одним другим элементом.

Кислотный оксид — оксид, которому соответствует кислота. Чаще всего такие оксиды образуют неметаллы, например углерод, серу и фосфор; некоторые металлы тоже дают кислотные оксиды, если находятся в высокой степени окисления. Это понятие нужно, чтобы предсказывать реакции оксида и сопоставлять его с кислотой, даже если сам оксид не содержит водорода.

Ангидрид кислоты — кислотный оксид, который при взаимодействии с водой образует соответствующую кислородсодержащую кислоту. Например, SO₃ — ангидрид серной кислоты, так как при добавлении воды образуется H₂SO₄. Термин помогает увидеть связь между оксидом и кислотой, но не означает, что каждый кислотный оксид обязательно реагирует с водой.

Как это устроено

Чтобы предварительно определить характер оксида, сначала смотрят, какой элемент соединён с кислородом. Оксиды многих неметаллов — CO₂, SO₂, P₂O₅ — кислотные, а оксиды многих металлов относятся к основным. Однако это ориентир, а не безошибочное правило: SiO₂ кислотный, хотя с водой не реагирует, а некоторые оксиды металлов в высоких степенях окисления также проявляют кислотные свойства.

Кислоту, соответствующую оксиду, находят по составу или по реакции с водой. При переходе от CO₂ к H₂CO₃ к формуле оксида добавляются атомы водорода и ещё один атом кислорода: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Для SO₃ аналогично получается H₂SO₄: SO₃ + H₂O → H₂SO₄; число атомов каждого элемента в уравнении уже совпадает.

Многие кислотные оксиды взаимодействуют с водой, потому что в результате образуется устойчивая кислородсодержащая кислота. Однако растворимость и строение веществ различаются: SiO₂ имеет прочную структуру и с водой в обычных условиях не реагирует. Это не превращает его в основной оксид: кислотные свойства надёжнее проявляются в реакциях с основаниями и основными оксидами.

При взаимодействии кислотного оксида с основанием обычно получаются соль и вода: кислотный характер оксида сочетается с основным характером основания. Например, углекислый газ с раствором NaOH при избытке щёлочи даёт Na₂CO₃ и H₂O: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O. Коэффициент 2 перед NaOH нужен, чтобы уравнять число атомов натрия и водорода.

С основным оксидом кислотный оксид соединяется с образованием соли; вода в этом уравнении не появляется. Чтобы составить формулу соли, определите, какие ионы или частицы образуют её компоненты: SO₃ соответствует сульфат-иону SO₄²⁻, а кальцию соответствует Ca²⁺. Поэтому формула соли — CaSO₄, и уравнение SO₃ + CaO → CaSO₄ уже уравнено.

Кислотные оксиды: соответствующие кислоты и характерные реакции

Сначала найдите соответствующую кислоту, а затем используйте таблицу, чтобы вспомнить типичные продукты реакций. Формулы солей в ней приведены как примеры: фактический продукт зависит от основания или основного оксида. Для SiO₂ отдельно отмечено, что соответствие кислоте не означает реакции с водой.

Разбор задач

Какие оксиды кислотные?

Нужно классифицировать CO₂, CaO, SO₃ и Al₂O₃. Недостаточно заметить, что CO₂ и SO₃ образованы неметаллами: каждый оксид следует сопоставить с характерными свойствами. Проверим вещества по очереди и не будем считать правило о неметаллах абсолютным.

1. CO₂ — оксид неметалла углерода, ему соответствует H₂CO₃; это кислотный оксид.
2. CaO — оксид металла кальция, типичный основной оксид.
3. SO₃ — оксид неметалла серы, ему соответствует H₂SO₄; это кислотный оксид.
4. Al₂O₃ не относят к кислотным: это амфотерный оксид, то есть он может реагировать и с кислотами, и со щелочами.

Ответ: кислотные оксиды — CO₂ и SO₃. Al₂O₃ нельзя ошибочно записывать в кислотные только потому, что он не является типичным основным оксидом: у него отдельный, амфотерный характер.

Кислота для SO₃

Требуется составить формулу кислоты, соответствующей SO₃, и записать реакцию с водой. Можно узнать кислоту по составу: SO₃ — ангидрид серной кислоты, формула которой H₂SO₄. Проверка по атомам покажет, хватает ли коэффициентов.

1. Записываем продукты: SO₃ + H₂O → H₂SO₄.
2. Слева и справа по одному атому серы, два атома водорода и четыре атома кислорода.
3. Коэффициенты перед веществами равны 1, поэтому их обычно не пишут.

Ответ: соответствующая кислота — H₂SO₄; уравнение реакции: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Проверка числа атомов подтверждает, что уравнение составлено правильно.

Объём CO₂ для получения Na₂CO₃

Нужно найти объём углекислого газа при нормальных условиях, если образуется 10,6 г Na₂CO₃, а раствор NaOH взят в избытке. Избыток щёлочи означает, что CO₂ полностью превращается в среднюю соль Na₂CO₃. Сначала уравняем реакцию, затем используем отношение количеств веществ и молярный объём газа 22,4 л/моль.

1. Уравнение: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.
2. M(Na₂CO₃) = 2·23 + 12 + 3·16 = 106 г/моль; n(Na₂CO₃) = 10,6 / 106 = 0,1 моль.
3. По уравнению коэффициенты CO₂ и Na₂CO₃ равны, поэтому n(CO₂) = 0,1 моль.
4. V(CO₂) = 0,1·22,4 = 2,24 л.

Ответ: потребуется 2,24 л CO₂ при н. у. Важно, что вычисление опирается на уравненную реакцию: коэффициенты показывают, сколько молей газа нужно на заданное количество соли.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой оксид неметалла обязательно реагирует с водой. Так рассуждают, потому что многие знакомые кислотные оксиды действительно дают кислоты при растворении, но SiO₂ — исключение. Проверьте конкретную реакцию: если вода не взаимодействует с оксидом, это ещё не доказывает, что он не кислотный.

Ошибка: путать кислотный оксид с кислотой, например записывать CO₂ вместо H₂CO₃. Причина — связь веществ в названии: оксид называют соответствующим кислоте, и формулы кажутся похожими. Сверьте состав: CO₂ — бинарное соединение, а H₂CO₃ содержит три элемента и является кислотой.

Ошибка: при реакции кислотного оксида с основанием записывать только соль. Часто внимание сосредоточено на главном продукте, но типичная реакция даёт также воду. Проверьте, есть ли в реагентах водород основания и кислород оксида, а затем уравняйте, например: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.

Ошибка: составлять формулу соли или уравнение без проверки валентностей и коэффициентов. Из-за этого может получиться неверная формула, например с неправильным числом атомов металла, либо нарушиться сохранение атомов. Сначала определите состав соли, затем пересчитайте атомы каждого элемента слева и справа и поставьте коэффициенты.

Связь с другими темами

Для изучения кислотных оксидов нужны понятия оксида, кислоты, основания и соли, а также умение составлять формулы веществ и уравнивать реакции. Если эти навыки пока вызывают трудности, повторите, как записывают индексы в формулах и коэффициенты перед ними. Здесь они нужны, чтобы верно предсказать продукты и проверить сохранение атомов.

Тема продолжает классификацию оксидов и показывает реакции между классами неорганических веществ. Она пригодится при изучении свойств кислот и солей, а также генетических связей — последовательных превращений веществ разных классов друг в друга. Например, кислотный оксид может перейти в кислоту, а затем участвовать в получении соли.

Что запомнить

• Кислотный оксид — оксид, которому соответствует кислота.
• Многие кислотные оксиды при взаимодействии с водой образуют кислоты.
• Не все кислотные оксиды реагируют с водой.
• При реакции кислотного оксида с основанием обычно образуются соль и вода.
• При реакции кислотного оксида с основным оксидом образуется соль.
• Формулы продуктов и коэффициенты нужно проверять по составу веществ и сохранению числа атомов.