§ 27. Кислотные оксиды

Определения и обозначения

Кислотный оксид — это оксид, которому соответствует кислота. Примеры таких веществ — CO₂, SO₃ и P₂O₅. Это определение помогает связать состав оксида с кислотой и предсказать, какие соли могут получиться в реакциях.

Соответствующая кислота — кислота, формулу которой связывают с данным оксидом: CO₂ — H₂CO₃, SO₃ — H₂SO₄, P₂O₅ — H₃PO₄. Пара показывает, какой кислотный остаток можно ожидать в соли. Так, кислоте H₂SO₄ соответствует сульфат-ион SO₄²⁻, а кислоте H₃PO₄ — фосфат-ион PO₄³⁻.

Кислотный ангидрид — кислотный оксид, который при взаимодействии с водой образует соответствующую кислоту. Например, SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Название связано с обратным процессом: если от кислоты отнять воду, может образоваться оксид; например, H₂CO₃ → CO₂ + H₂O. Это помогает понять, почему оксид и кислота связаны, но остаются разными веществами.

Кислотный остаток — часть молекулы кислоты, которая сохраняется при образовании соли вместо атомов водорода. Например, в H₂CO₃ кислотный остаток — CO₃²⁻, а в H₂SO₄ — SO₄²⁻. Его состав берут из формулы соответствующей кислоты, а заряд учитывают, когда составляют формулу соли. Так связь оксида с кислотой помогает перейти к формуле соли.

Как это устроено

Кислотные оксиды обычно образованы неметаллом и кислородом, но одного состава недостаточно для уверенного вывода: не все оксиды неметаллов кислотные. Например, CO и NO не образуют соответствующих кислот и относятся к несолеобразующим оксидам. Основные оксиды обычно связаны с основаниями, а амфотерные проявляют свойства и основных, и кислотных веществ. Поэтому оксид распознают не только по элементам, но и по соответствующей кислоте и характерным реакциям.

Многие кислотные оксиды взаимодействуют с водой и образуют кислоту, потому что вода присоединяется к оксиду, формируя соответствующее соединение. Так, CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃, а SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Двойная стрелка указывает на обратимость реакции углекислого газа с водой. Однако способность реагировать с водой не является обязательным условием: SiO₂ непосредственно с водой не реагирует, хотя относится к кислотным оксидам.

При взаимодействии с основанием кислотный оксид превращается в соль, а атомы водорода из основания соединяются с кислородом оксида и дают воду. Например, CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O. Соль Na₂CO₃ содержит кислотный остаток CO₃²⁻ угольной кислоты и катионы Na⁺. Два коэффициента перед NaOH нужны, чтобы уравнять число атомов натрия и водорода с обеих сторон.

Кислотный оксид может реагировать и с основным оксидом, потому что их взаимодействие приводит к образованию соли. Например, SO₃ + CaO → CaSO₄: остаток SO₄²⁻ соединяется с кальцием Ca²⁺. Воду в таком уравнении не записывают, поскольку реагентов, из которых она могла бы образоваться, здесь нет. Формула продукта должна быть электрически нейтральной: заряды ионов кальция и сульфата взаимно компенсируются.

Чтобы определить формулу соли, сначала находят кислоту, соответствующую оксиду, и выделяют её кислотный остаток. Затем соединяют остаток с металлом из основания или основного оксида так, чтобы суммарный заряд был равен нулю. После этого записывают продукты и уравнивают реакцию подсчётом атомов; коэффициенты ставят перед формулами, не меняя индексы внутри них. Например, остаток CO₃²⁻ с Na⁺ даёт Na₂CO₃, поэтому для реакции с CO₂ нужны две формульные единицы NaOH.

Кислотные оксиды: соответствующие кислоты и характерные реакции

Пользуйтесь таблицей как подсказкой: сначала найдите оксид, затем посмотрите соответствующую кислоту и кислотный остаток. По нему составляют формулу соли, а уравнение обязательно проверяют по числу атомов. Реакции в таблице показывают характерные примеры, но условия некоторых процессов могут влиять на то, как именно они протекают.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из оксидов CO₂, SO₃, CaO, CO являются кислотными. Проверим каждый оксид по тому, соответствует ли ему кислота; не будем относить вещество к кислотным лишь потому, что в нём есть неметалл. Это позволяет сразу отделить CO от CO₂. В ответ включим только оксиды, связанные с кислотами.

1. CO₂ соответствует угольной кислоте H₂CO₃, значит, это кислотный оксид.
2. SO₃ соответствует серной кислоте H₂SO₄, значит, он также кислотный.
3. CaO — основной оксид металла, а CO — несолеобразующий оксид, не образующий соответствующую кислоту.

Ответ: кислотные оксиды — CO₂ и SO₃. Такой способ проверки не позволяет ошибочно принять все оксиды неметаллов за кислотные.

Задача 2. Запишите уравнения реакций SO₃ с водой и NaOH, назовите продукты. Сначала устанавливаем соответствующую кислоту SO₃ — это H₂SO₄. При реакции со щёлочью ожидаем соль и воду, а кислотный остаток SO₄²⁻ соединяем с Na⁺. Затем проверяем атомы и расставляем коэффициенты.

1. Реакция с водой: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Продукт — серная кислота.
2. Для соли с Na⁺ нужен состав Na₂SO₄, поскольку заряд остатка SO₄²⁻ равен −2.
3. Уравнение со щёлочью: SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. По обе стороны теперь одинаковое число атомов каждого элемента.

Ответ: образуются серная кислота H₂SO₄, а при реакции с NaOH — сульфат натрия Na₂SO₄ и вода.

Задача 3. Какую массу Na₂CO₃ можно получить при реакции 11 г CO₂ с избытком NaOH? Сначала записываем уравнение, чтобы увидеть соотношение CO₂ и соли. Затем переводим массу CO₂ в количество вещества и по коэффициентам находим количество Na₂CO₃. Наконец, переводим его в массу; избыток щёлочи означает, что весь CO₂ может прореагировать.

1. Уравнение реакции: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.
2. Молярная масса CO₂ равна 44 г/моль, поэтому n(CO₂) = 11 г ÷ 44 г/моль = 0,25 моль.
3. По коэффициентам CO₂ и Na₂CO₃ реагируют в отношении 1:1, значит, n(Na₂CO₃) = 0,25 моль.
4. Молярная масса Na₂CO₃ равна 106 г/моль. Тогда m = 0,25 моль × 106 г/моль = 26,5 г.

Ответ: можно получить 26,5 г Na₂CO₃. Расчёт верен при условии, что реакция проходит полностью и потерь продукта нет.

Типичные ошибки

• Считать кислотными все оксиды неметаллов — ошибка: среди них есть CO и NO, не образующие соответствующих кислот. Так думают, потому что многие оксиды неметаллов действительно кислотные. Проверьте себя вопросом, можно ли сопоставить оксиду кислоту и характерные реакции.

• Полагать, что любой кислотный оксид реагирует с водой, неверно: SiO₂ непосредственно с водой не взаимодействует. Ошибка возникает из-за того, что несколько знакомых примеров, например CO₂ и SO₃, реагируют с водой. Проверяйте конкретное вещество, а не переносите свойство одних оксидов на все остальные.

• Записывать в реакции кислотного оксида с основанием только соль — значит упустить воду, которая обычно тоже образуется. Так происходит, если ученик помнит лишь о получении соли. Проверьте уравнение по составу реагентов: водород основания и кислород оксида могут дать H₂O.

• Подменять кислотный оксид соответствующей кислотой в уравнении нельзя: CO₂ и H₂CO₃ — разные вещества. Их путают из-за близкой связи между формулами и свойствами. Перед составлением уравнения ещё раз проверьте, какое вещество указано среди реагентов: оксид или кислота.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о составе и классификации оксидов, а также умение различать металлы и неметаллы. При составлении продуктов реакций пригодятся навыки работы с формулами кислот и солей, определения валентности и расстановки коэффициентов. Эти умения используют и при изучении свойств кислот, оснований и солей. Позже они помогут составлять цепочки превращений, где один класс веществ последовательно переходит в другой.

Что запомнить

• Кислотные оксиды соответствуют кислотам.
• Многие кислотные оксиды при взаимодействии с водой образуют кислоты, но не все.
• Кислотный оксид и соответствующая кислота — разные вещества.
• При реакции кислотного оксида с основанием образуются соль и вода.
• При реакции кислотного оксида с основным оксидом образуется соль.
• Не все оксиды неметаллов являются кислотными.