§ 44. Основным оксидам соответствуют основания

Определения и обозначения

Основный оксид — это оксид, которому соответствует основание. К таким веществам относятся, например, оксид натрия Na₂O, оксид кальция CaO и оксид меди(II) CuO. Слово «соответствует» связывает два класса веществ по составу и свойствам, но не означает, что оксид обязательно образует основание при смешивании с водой. Это различие помогает не делать неверных выводов о реакциях.

Основание — сложное вещество, состоящее из катиона металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH. Катион — положительно заряженная частица, а гидроксогруппа в составе основания имеет заряд −1. Поэтому формулы записывают так, чтобы суммарный заряд был нулевым: NaOH, Ca(OH)₂. Скобки показывают, что в веществе кальция две группы OH.

Щёлочи — это основания, растворимые в воде. Например, NaOH и KOH растворяются в воде и относятся к щёлочам. Значит, каждую щёлочь можно назвать основанием, но не каждое основание является щёлочью: некоторые основания в воде не растворяются. Это понятие нужно, чтобы отличать основания по их растворимости.

Как это устроено

Соответствие оксида и основания можно увидеть по тому, какой металл входит в состав обоих веществ. В Na₂O есть натрий, поэтому соответствующее ему основание тоже содержит натрий — NaOH. В CaO содержится кальций, и его основание имеет формулу Ca(OH)₂. Число групп OH определяется зарядом катиона: натрию с зарядом +1 нужна одна группа, а кальцию с зарядом +2 — две.

Некоторые основные оксиды при соединении с водой образуют основания. В Na₂O два атома натрия, поэтому в продуктах реакции образуются две формульные единицы NaOH: Na₂O + H₂O → 2NaOH. У кальция заряд +2, и ему соответствуют две группы OH, поэтому CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Коэффициенты нужны, чтобы число атомов каждого элемента до и после реакции совпадало.

Однако способность реагировать с водой есть не у всех основных оксидов. Например, CuO при обычных условиях с водой не взаимодействует, поэтому уравнение реакции CuO с водой составить нельзя. При этом оксиду меди(II) соответствует основание Cu(OH)₂: катион Cu²⁺ уравновешивают две группы OH⁻. Так видно, что соответствие оксида основанию и реакция с водой — не одно и то же.

Основные оксиды реагируют с кислотами, при этом образуются соль и вода. Например, в реакции CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O оксид меди(II) соединяется с соляной кислотой. Медь переходит в состав соли CuCl₂, а водород и кислород образуют воду. Перед HCl ставят коэффициент 2, потому что для образования CuCl₂ нужны два атома хлора.

Свойства пары «оксид — основание» связаны, но сами вещества не следует смешивать. Растворимость основания в воде и способность оксида реагировать с водой зависят от конкретных веществ. Na₂O и CaO реагируют с водой, а CuO — нет; при этом каждое из них имеет соответствующее основание. Поэтому перед записью реакции нужно выяснить свойства именно данного оксида.

Основные оксиды и соответствующие им основания

Пользуйтесь таблицей, чтобы сопоставлять вещества по металлу в составе и проверять формулу основания. Строка о воде напоминает: реакция возможна не для каждого основного оксида. Уравнение приведено для Na₂O, который с водой образует щёлочь NaOH.

Разбор задач

Задача 1. Запишите формулу основания, соответствующего оксиду натрия Na₂O, и составьте уравнение реакции оксида с водой. Начните с определения заряда катиона металла, а затем проверьте число атомов в уравнении. В формуле оксида два атома натрия, и каждому соответствует катион Na⁺.

1. У катиона натрия заряд +1, у группы OH заряд −1. Для нейтрального основания достаточно одной группы OH, поэтому формула — NaOH.
2. Запишите схему Na₂O + H₂O → NaOH. Слева два атома натрия, значит, перед NaOH поставьте коэффициент 2.
3. Проверьте кислород и водород: в левой части их соответственно два и два, и столько же получается справа в 2NaOH.

Ответ: основание — NaOH; уравнение: Na₂O + H₂O → 2NaOH.

Задача 2. Составьте уравнения реакций оксида кальция с водой и оксида меди(II) с соляной кислотой. В первом случае нужно учесть, что CaO реагирует с водой, а во втором основный оксид взаимодействует с кислотой с образованием соли и воды. Сначала составьте правильные формулы продуктов, затем уравняйте запись.

1. Кальцию Ca²⁺ соответствуют две группы OH⁻, значит, при реакции CaO с водой получается Ca(OH)₂. Уравнение CaO + H₂O → Ca(OH)₂ уже уравнено.
2. Для реакции CuO с HCl составьте продукты CuCl₂ и H₂O: медь переходит в соль, кислород — в воду.
3. В CuCl₂ два атома хлора, поэтому поставьте 2 перед HCl. Получаем CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O; все атомы уравнены.

Ответ: CaO + H₂O → Ca(OH)₂; CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O.

Задача 3. Дана смесь оксидов Na₂O и CuO. Укажите, какой из них реагирует с водой, назовите образующееся основание и составьте уравнение реакции второго оксида с серной кислотой. Здесь важно не переносить свойство одного оксида на другой: натрий и медь ведут себя по-разному.

1. С водой реагирует Na₂O. Его соответствующее основание — NaOH, уравнение реакции: Na₂O + H₂O → 2NaOH.
2. Второй оксид — CuO. При реакции с серной кислотой образуются соль CuSO₄ и вода.
3. Проверьте атомы: в CuSO₄ один атом серы и четыре атома кислорода, что уравнивается уравнением CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O без дополнительных коэффициентов.

Ответ: с водой реагирует Na₂O, образуется NaOH; реакция второго оксида: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой основной оксид реагирует с водой. Обычно так рассуждают, потому что оксиду ставят в соответствие основание, но соответствие не гарантирует реакции. Например, CuO с водой не взаимодействует, хотя ему соответствует Cu(OH)₂. Проверяйте, указана ли реакция для конкретного оксида.

Не путайте основной оксид и основание: Na₂O и NaOH — разные вещества. В оксиде натрий соединён с кислородом, а в основании к натрию присоединена группа OH. Проверить себя можно по формуле и названию класса: окончание «оксид» не означает, что перед вами основание.

Число групп OH нельзя выбирать наугад или просто копировать число атомов металла в оксиде. Его определяют по заряду катиона: Na⁺ нужен один OH⁻, а Ca²⁺ — два. Если заряды не компенсируются, формула не будет нейтральной; мысленно сложите заряды частиц и проверьте, что итог равен нулю.

Ещё одна ошибка — оставить уравнение неуравненным или забыть коэффициент. Например, в Na₂O + H₂O → NaOH справа не хватает одного атома натрия; правильная запись содержит 2 перед NaOH. После записи пересчитайте атомы слева и справа, а в реакции с кислотой проверьте также число атомов в соли.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о составе и названиях оксидов, зарядах ионов и составлении формул веществ. Также пригодятся понятия кислот, оснований и солей, а ещё умение уравнивать химические реакции. Если заряд катиона или формула кислоты пока вызывают затруднение, сначала повторите эти правила.

Дальше связь оксидов и оснований поможет изучать химические свойства оснований и кислот, а также реакции нейтрализации. Сопоставление веществ разных классов лежит в основе генетической связи классов неорганических веществ: по превращениям можно проследить, как одни вещества переходят в другие. Это пригодится при составлении цепочек реакций.

Что запомнить

• Основному оксиду соответствует основание.
• Формулу основания составляют с учётом заряда катиона металла.
• Некоторые основные оксиды при взаимодействии с водой образуют основания.
• Не каждый основной оксид реагирует с водой.
• Основные оксиды реагируют с кислотами с образованием соли и воды.
• Растворимые в воде основания называют щёлочами.