39. Оксиды, их классификация и свойства

Определения и обозначения

Оксид — сложное вещество, состоящее из двух химических элементов, один из которых кислород. Например, CaO включает кальций и кислород, а CO₂ — углерод и кислород. Это определение помогает распознать оксиды среди других веществ: в формуле должно быть ровно два элемента, один из них — O.

Основный оксид — оксид металла, которому соответствуют основание и соль; типичная реакция для него — взаимодействие с кислотой. Например, CuO соответствует основанию Cu(OH)₂, а при реакции CuO с кислотой получается соль и вода. Понятие нужно, чтобы предсказывать свойства оксида по его связи с основанием.

Кислотный оксид — оксид неметалла или металла в высокой степени окисления, которому соответствуют кислота и соль. Например, SO₃ соответствует H₂SO₄, а CrO₃ — H₂CrO₄. Такое соответствие помогает понять, почему кислотный оксид может реагировать с основанием и давать соль.

Амфотерный оксид — оксид, проявляющий и основные, и кислотные свойства в зависимости от реагента. Так, Al₂O₃ взаимодействует и с кислотами, и со щелочами. Название напоминает о двойственном поведении и помогает отличить такие оксиды от тех, что реагируют только с одним типом веществ.

Как это устроено

В большинстве оксидов кислород имеет степень окисления −2. Степень окисления — условный заряд атома в соединении; суммарно степени окисления в нейтральном веществе равны нулю. Поэтому в Na₂O два атома натрия имеют степень окисления +1 каждый, а в CO₂ один атом углерода уравновешивает два атома кислорода и имеет +4. Это правило помогает подобрать индексы формулы, но в пероксидах кислород имеет другую степень окисления.

При классификации сначала смотрят, какой элемент соединён с кислородом, а затем проверяют свойства. Оксиды большинства металлов — основные, оксиды неметаллов обычно кислотные; однако металл с высокой степенью окисления тоже может образовать кислотный оксид. Al₂O₃ и ZnO — примеры амфотерных оксидов, а CO и NO — несолеобразующих. Одного состава не всегда достаточно: тип уточняют по реакциям.

Основный оксид реагирует с кислотой, потому что его свойства противоположны кислотным: в реакции образуются соль и вода. Например, CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O. Кислотный оксид реагирует с основанием по той же логике: SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. Соль состоит из частиц металла и кислотного остатка; состав продуктов помогает проверить, правильно ли распознаны реагенты.

С водой реагируют не все оксиды. Некоторые основные оксиды активных металлов образуют основания: CaO + H₂O → Ca(OH)₂, а некоторые кислотные оксиды образуют кислоты: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Например, CuO и SiO₂ с водой при обычных условиях не дают таких продуктов. Поэтому реакцию с водой нельзя приписывать веществу лишь на основании того, что оно является оксидом.

Оксиды получают, в частности, при соединении элементов с кислородом: при горении магния образуется MgO, а углерода — CO₂. Они также возникают при нагревании некоторых сложных веществ, когда исходное соединение распадается и одним из продуктов оказывается оксид. Причина появления оксидов в этих случаях — образование прочных связей элемента с кислородом или разложение вещества при нагревании. Чтобы записать реакцию, нужно определить продукты, составить их формулы и уравнять число атомов.

Классификация оксидов и их основные химические свойства

Пользуйтесь таблицей как подсказкой, а не как правилом без исключений: слова «некоторые» и «обычно» указывают, что свойства нужно проверять. Сначала определите предполагаемый класс оксида, затем найдите в таблице возможные продукты реакции. После этого составьте формулы веществ и уравняйте уравнение.

Разбор задач

Задача 1. Распределите Na₂O, SO₃, Al₂O₃, CO, CaO по классам оксидов и назовите их.

1. В формулах присутствуют кислород и ещё один элемент, значит, все вещества относятся к оксидам.
2. Na₂O и CaO — оксиды металлов, которым соответствуют основания; это основные оксиды. Их названия: оксид натрия и оксид кальция.
3. SO₃ — кислотный оксид неметалла, его название — оксид серы(VI). Al₂O₃ — амфотерный оксид алюминия, а CO — несолеобразующий оксид углерода(II).

Ответ: Na₂O и CaO — основные; SO₃ — кислотный; Al₂O₃ — амфотерный; CO — несолеобразующий. При названии степень окисления указывают, когда это помогает различать оксиды одного элемента.

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

1. CaO — основной оксид активного металла, поэтому с водой образует основание: CaO + H₂O → Ca(OH)₂.
2. Соляная кислота реагирует с основным оксидом с образованием соли и воды. Записываем CaO + HCl → CaCl₂ + H₂O и ставим коэффициент 2 перед HCl.
3. SO₃ — кислотный оксид, поэтому с водой образует соответствующую кислоту: SO₃ + H₂O → H₂SO₄.
4. С NaOH кислотный оксид даёт соль и воду: SO₃ + NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. Для двух атомов натрия в соли ставим коэффициент 2 перед NaOH.

Ответ: CaO + H₂O → Ca(OH)₂; CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O; SO₃ + H₂O → H₂SO₄; SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. Проверьте каждый результат подсчётом атомов по обе стороны стрелки.

Задача 3. Неизвестный оксид X реагирует и с раствором HCl, и с раствором NaOH. Определите его тип и запишите уравнения реакций Al₂O₃ с обоими веществами.

1. Реакция с кислотой характерна для основных оксидов, а с основанием — для кислотных. Если оксид реагирует с обоими типами реагентов, это признак амфотерности.
2. Следовательно, X — амфотерный оксид. Al₂O₃ относится к этому классу и в обеих реакциях образует соль и воду.
3. С HCl записываем Al₂O₃ + HCl → AlCl₃ + H₂O, затем уравниваем: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O.
4. С NaOH для водного раствора обычно записывают образование комплексной соли: Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄].

Ответ: X — амфотерный оксид. Уравнения показывают, что Al₂O₃ проявляет свойства обоих типов; в реакции со щёлочью продукт зависит от условий и принятой записи.

Типичные ошибки

Ошибочно считать любой оксид металла основным. Так рассуждают, потому что многие металлы действительно образуют основные оксиды, но оксиды металлов в высокой степени окисления могут быть кислотными, а некоторые — амфотерными. Проверяйте класс по известным свойствам и соответствующему соединению, а не только по месту элемента в формуле.

Не путайте оксид с основанием или кислотой: кислород входит в состав всех этих классов, но сам по себе не определяет класс вещества. Оксид — соединение кислорода с одним другим элементом; основания содержат группу OH, а кислоты обычно начинаются с атомов водорода в формуле. Перед названием проверьте, сколько разных элементов и групп содержится в веществе.

Нельзя записывать взаимодействие с водой для любого оксида. Ошибка возникает, когда схему «оксид плюс вода» принимают за универсальную, хотя многие вещества, например CuO, не реагируют с водой при обычных условиях. Сверяйтесь с типичными свойствами конкретного оксида и не добавляйте продукт, если для реакции нет основания.

Неверные индексы и коэффициенты появляются, если забыть степень окисления кислорода или закон сохранения атомов. Индексы задают состав вещества, а коэффициенты уравнивают число частиц в реакции, поэтому заменять одно другим нельзя. Проверьте, что сумма степеней окисления в формуле равна нулю, а число атомов каждого элемента слева и справа совпадает.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в оксидах, нужно знать строение атома, валентность и степени окисления, уметь составлять формулы и уравнивать реакции. Эта тема готовит к изучению оснований, кислот и солей: реакции между ними показывают связи между классами неорганических веществ. Свойства оксидов помогают объяснять горение, коррозию, металлургические процессы, образование кислотных дождей и очистку промышленных выбросов.

Что запомнить

• Оксиды — это бинарные соединения кислорода с другим элементом.
• Основные оксиды обычно образованы металлами и реагируют с кислотами.
• Кислотные оксиды обычно образованы неметаллами и реагируют с основаниями.
• Амфотерные оксиды проявляют и основные, и кислотные свойства.
• Некоторые основные и кислотные оксиды реагируют с водой с образованием оснований или кислот.
• В результате реакций оксидов с кислотами и основаниями обычно образуются соли.
• Классифицировать оксид нужно не только по составу, но и по его химическим свойствам.