§ 34. Изменение свойств оксидов с возрастанием атомных масс химических элементов

Определения и обозначения

Оксид — бинарное соединение кислорода с другим химическим элементом. Обычно кислород в оксидах имеет степень окисления −2, а формулу составляют так, чтобы суммарный заряд был равен нулю. Например, у натрия степень окисления +1, поэтому для уравновешивания одного атома кислорода нужны два атома натрия: Na₂O. У алюминия степень окисления +3, поэтому формула его оксида — Al₂O₃.

Основный оксид — оксид, которому соответствует основание. Его характерный признак — взаимодействие с кислотой, в результате которого обычно образуются соль и вода. Например, Na₂O + 2HCl → 2NaCl + H₂O. По этой реакции можно определить, что оксид проявляет основные свойства.

Кислотный оксид — оксид, которому соответствует кислота. Он обычно взаимодействует с основанием, образуя соль и воду: SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. Такое соответствие помогает предсказать характерные реакции оксида, даже если в его формуле нет водорода.

Амфотерный оксид проявляет свойства и основных, и кислотных оксидов. Поэтому он реагирует как с кислотами, так и со щелочами, то есть растворимыми основаниями. Пример — Al₂O₃: его реакции с двумя типами веществ позволяют отличить амфотерность от только основного или только кислотного характера.

Как это устроено

Чтобы увидеть закономерность, сравним оксиды элементов одного периода — третьего. В нём элементы идут слева направо в порядке увеличения атомных масс: натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор. Их оксиды записывают как Na₂O, MgO, Al₂O₃, SiO₂, P₂O₅, SO₃ и Cl₂O₇. Сравнение внутри одного периода удобно тем, что положение элементов меняется последовательно, и можно связать эту перемену со свойствами их соединений.

В начале периода находятся металлы натрий и магний, затем алюминий, а дальше — неметаллы. При движении слева направо способность элементов проявлять металлические свойства в целом ослабевает, а неметаллические усиливаются. Это связано с изменением строения атомов: ядро сильнее притягивает внешние электроны, и атомам становится труднее их отдавать. Поэтому состав и химическое поведение оксидов тоже меняются, а не остаются одинаковыми во всём периоде.

Na₂O и MgO относятся к основным оксидам: они соответствуют основаниям и реагируют с кислотами. Al₂O₃ занимает промежуточное положение и проявляет амфотерные свойства. Далее следуют кислотные оксиды неметаллов: например, SO₃ соответствует серной кислоте и реагирует со щёлочами. Переход происходит постепенно: свойства соседних оксидов могут быть близкими, а не делятся на две группы резкой границей.

Характер оксида устанавливают по наблюдаемым реакциям. Основный оксид проверяют действием кислоты, кислотный — действием основания, а амфотерный способен реагировать с обоими типами веществ; иногда учитывают и взаимодействие с водой. Например, Na₂O реагирует с водой с образованием щёлочи NaOH, а SO₃ — с образованием H₂SO₄. Но не все оксиды реагируют с водой: SiO₂ не растворяется в ней и не образует кислоту прямой реакцией, однако реагирует со щелочами.

Сопоставление высших оксидов третьего периода показывает общую последовательность: у натрия и магния оксиды основные, у алюминия — амфотерный, у неметаллов — кислотные. Для высших оксидов степень окисления элемента соответствует его наибольшей характерной степени в таком соединении, поэтому формулы помогают сравнивать вещества одного ряда. С увеличением атомной массы элемента слева направо металлические свойства ослабевают, и основной характер оксидов уступает место кислотному. Эта закономерность не отменяет проверки реакциями: формула подсказывает, а опыт подтверждает.

Изменение свойств оксидов элементов третьего периода

В таблице элементы расположены по порядку возрастания атомной массы в третьем периоде. Сравнивайте не только формулы, но и соответствующие основания или кислоты и характерные реакции. Для Al₂O₃ стоит дополнительно проверить реакцию со щёлочью: одна реакция с кислотой ещё не показывает его амфотерности.

Разбор задач

Задача 1

Распределите Na₂O, Al₂O₃ и SO₃ на основные, амфотерные и кислотные оксиды. Сначала определим элементы: натрий — металл в начале периода, алюминий находится ближе к середине, сера — неметалл. Такое положение подсказывает ожидаемый характер, но проверим его по соответствующим реакциям.

1. Na₂O — оксид металла в начале третьего периода; он соответствует основанию NaOH и реагирует с кислотами. Значит, это основный оксид.
2. Al₂O₃ способен реагировать и с кислотами, и со щелочами. Следовательно, он амфотерный.
3. SO₃ соответствует серной кислоте H₂SO₄ и реагирует с основаниями. Поэтому это кислотный оксид.

Ответ: Na₂O — основный, Al₂O₃ — амфотерный, SO₃ — кислотный. Проверка по реакциям надёжнее, чем одно только положение элемента в ряду. Она показывает, какие свойства вещество действительно проявляет.

Задача 2

Запишите формулы высших оксидов алюминия и серы и укажите характер каждого. Под словом «высший» здесь имеется в виду оксид, в котором элемент проявляет свою наибольшую характерную степень окисления. Формулу составляем по степеням окисления, учитывая, что у кислорода обычно −2.

1. Алюминий имеет степень окисления +3, кислород — −2. Наименьшее соотношение атомов, уравнивающее заряды, — два атома Al и три O, поэтому формула Al₂O₃.
2. Сера в высшем оксиде имеет степень окисления +6. Один атом S уравновешивается тремя атомами O, поэтому формула SO₃.
3. Al₂O₃ проявляет свойства и основного, и кислотного оксида, а SO₃ соответствует серной кислоте и является кислотным.

Ответ: высший оксид алюминия — Al₂O₃, амфотерный; высший оксид серы — SO₃, кислотный. Сначала формулу определяют по степеням окисления, а затем устанавливают характер по свойствам. Это два связанных, но разных шага.

Задача 3

Даны Na₂O, MgO, Al₂O₃, SiO₂ и SO₃. Расположите их в порядке возрастания атомных масс элементов и опишите изменение характера оксидов. Все элементы относятся к третьему периоду, поэтому достаточно восстановить их порядок слева направо. Затем соотнесём каждый оксид с типом элемента и его химическими свойствами.

1. В указанной части периода элементы идут так: Na, Mg, Al, Si, S. Значит, оксиды располагаются в порядке Na₂O, MgO, Al₂O₃, SiO₂, SO₃.
2. Na₂O и MgO — основные оксиды металлов. Al₂O₃ — амфотерный, а SiO₂ и SO₃ — кислотные оксиды неметаллов.
3. Сравниваем начало и конец ряда: основной характер постепенно ослабевает, появляется амфотерный, затем преобладает кислотный.

Ответ: Na₂O → MgO → Al₂O₃ → SiO₂ → SO₃; характер меняется от основного через амфотерный к кислотному. Запись стрелками здесь показывает порядок элементов с увеличением атомной массы, а не химическую реакцию. Переход закономерен, но не является мгновенным скачком.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой кислотный оксид реагирует с водой. Так думают, потому что многие такие оксиды действительно образуют кислоту при растворении в воде. Но SiO₂ с водой непосредственно не реагирует и всё же проявляет кислотные свойства при взаимодействии со щёлочью. Проверяйте разные характерные реакции, а не делайте вывод только по наличию соответствующей кислоты.

Ошибка: называть Al₂O₃ только основным или только кислотным оксидом. Причина — ученик проверяет лишь одну реакцию и переносит её результат на все свойства вещества. Чтобы проверить себя, нужно вспомнить, что оксид алюминия реагирует и с кислотами, и со щелочами. Именно способность проявлять оба типа свойств означает амфотерность.

Ошибка: связывать кислотность оксида с водородом в его формуле. Такое смешение возникает из-за того, что кислоты часто содержат водород, а их названия похожи на названия соответствующих оксидов. Например, SO₃ не содержит водорода, но является кислотным оксидом и соответствует H₂SO₄. Определяйте характер по реакциям и соответствующей кислоте, а не по наличию водорода.

Ошибка: определять свойства только по формуле, не учитывая положение элемента и реакции. Формула показывает состав, но сама по себе не демонстрирует, как вещество взаимодействует с другими веществами. Сначала используйте периодическую закономерность как подсказку, затем проверяйте оксид характерными реакциями. Если вывод основан только на названии или одном признаке, его стоит перепроверить.

Связь с другими темами

Для понимания закономерности нужно знать, как устроен период и как металлические свойства элементов меняются слева направо. Также важно уметь отличать металлы от неметаллов и составлять формулы оксидов по степеням окисления. Эти знания помогают объяснить, почему в одном периоде встречаются основные, амфотерные и кислотные оксиды. Позже они пригодятся при изучении реакций оксидов, оснований и кислот, а также периодического изменения свойств элементов.

Что запомнить

• В третьем периоде с увеличением атомной массы металлические свойства элементов в целом ослабевают.
• В начале периода образуются преимущественно основные оксиды.
• Оксид алюминия Al₂O₃ амфотерен.
• В конце периода преобладают кислотные оксиды неметаллов.
• Свойства оксидов меняются закономерно и постепенно, а не скачком.
• Не каждый кислотный оксид реагирует с водой.