Химия

Оксиды — сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых — атом кислорода в степени окисления −2. Общая формула оксидов может быть представлена как ЭО _{x /2}, где х — степень окисления атома элемента.

По способности образовывать соли в реакциях с соединениями других классов оксиды делят на солеобразующие и несолеобразующие (CO, SiO, NO, N₂O). Солеобразующие оксиды, в свою очередь, классифицируют на основные, кислотные и амфотерные. Осно́вными называются оксиды, которым соответствуют основания, кислотными — оксиды, которым отвечают кислоты. К амфотерным относятся оксиды, проявляющие химические свойства как основных, так и кислотных оксидов.

Основные оксиды образуют только элементы металлы: щелочные (Li₂O, Na₂O, K₂O, Cs₂O, Rb₂O), щелочноземельные (CaO, SrO, BaO, RaO) и магний (MgO), а также металлы d-семейства в степени окисления +1, +2, реже +3 (Cu₂O, CuO, Ag₂O, CrO, FeO, MnO, CoO, NiO, Sc₂O₃).

Кислотные оксиды образуют как элементы неметаллы (CO₂, SO₂, NO₂, P₂O₅, Cl₂O₇), так и элементы металлы, причем в последнем случае степень окисления атома металла должна быть +5 и выше (V₂O₅, CrO₃, Mn₂O₇, MnO₃, Sb₂O₅, OsO₄). Амфотерные оксиды образуют, как правило, элементы металлы (ZnO, Al₂O₃, Fe₂O₃, BeO, Cr₂O₃, PbO, SnO, MnO₂).

Оксиды металлов в степени окисления +5 и выше являются кислотными и имеют молекулярное строение.

В обычных условиях оксиды могут находиться в трех агрегатных состояниях: все основные и амфотерные оксиды — твердые вещества, кислотные оксиды могут быть жидкими (SO₃, Cl₂O₇, Mn₂O₇), газообразными (CO₂, SO₂, NO₂) и твердыми (P₂O₅, SiO₂). Некоторые имеют запах (NO₂, SO₂), однако большинство оксидов запаха не имеют. Одни оксиды окрашены: бурый NO₂, вишнево-красный CrO₃, черные CuO и Ag₂O, красные Cu₂O и HgO, коричневый Fe₂O₃, белые SiO₂, Al₂O₃ и ZnO, другие — бесцветные (H₂O, CO₂, SO₂). Большинство оксидов устойчивы при нагревании; легко разлагаются при нагревании оксиды ртути и серебра.

Основные и амфотерные оксиды имеют немолекулярное строение, для них характерна кристаллическая решетка ионного типа. Большинство кислотных оксидов — вещества молекулярного строения (одно из немногих исключений — оксид кремния(IV), имеющий атомную кристаллическую решетку). Примеры графических формул кислотных оксидов (для оксидов немолекулярного строения приводить графические формулы не рекомендуется):

В соответствии с международной номенклатурой степень окисления элемента в названии оксида указывают только в том случае, если она для данного элемента может быть переменной: оксид углерода(II) CO, оксид железа(III) Fe₂O₃, оксид хлора(I) Cl₂O, оксид марганца(VII) Mn₂O₇.

Широко используются тривиальные названия оксидов: угарный газ CO, углекислый газ CO₂, сернистый газ SO₂, песок (кварц, кремнезем) SiO₂. Кислотные оксиды иногда называют ангидридами кислот, например SO₃ — ангидрид серной кислоты (серный ангидрид), P₂O₅ — ангидрид фосфорной кислоты (фосфорный ангидрид).

Характер изменения кислотно-основных свойств оксидов элементов в зависимости от их положения в периодической системе охарактеризован ранее (см. 3.4). Слева направо по периоду основные свойства оксидов ослабевают, а кислотные — усиливаются.

В группах А с ростом атомного номера элемента наблюдается усиление основных свойств оксидов и ослабление — кислотных.

Если один и тот же элемент образует несколько оксидов с различной степенью окисления атома, то чем выше степень окисления атома, тем сильнее у оксида выражены кислотные свойства.

Например, оксиду SO₂ отвечает слабая кислота H₂SO₃, а оксиду SO₃ — сильная серная кислота H₂SO₄; оксид хрома(II) CrO — основный, оксид хрома(III) Cr₂O₃ — амфотерный (т.е. основные свойства ослабились, появились кислотные), а оксид хрома(VI) CrO₃ — кислотный оксид, который основных свойств не проявляет.

Химические свойства осно́вных оксидов.

1. Основные оксиды реагируют с водой. В эту реакцию вступают только оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Продуктом реакции являются основания (щелочи):

Na₂O + H₂O = 2NaOH

K₂O + H₂O = 2KOH

BaO + H₂O = Ba(OH)₂

CuO + H₂O $\cancel{\to }$

2. Основные оксиды взаимодействуют с кислотными оксидами с образованием солей соответствующих кислот (формула кислоты дана в скобках):

K₂O + CO₂ = K₂CO₃ — соль угольной кислоты (H₂CO₃), карбонат калия;

Na₂O + N₂O₅ = 2NaNO₃ — соль азотной кислоты (HNO₃), нитрат натрия;

3BaO + P₂O₅ = Ba₃(PO₄)₂ — соль фосфорной кислоты (H₃PO₄), фосфат бария;

CaO + SO₂ = CaSO₃ — соль сернистой кислоты (H₂SO₃), сульфит кальция;

K₂O + SO₃ = K₂SO₄ — соль серной кислоты (H₂SO₄), сульфат калия;

Rb₂O + SiO₂ Rb₂SiO₃ — соль кремниевой кислоты (H₂SiO₃), силикат рубидия.

3. Основные оксиды взаимодействуют с кислотами по типу реакции обмена. Продуктами этой реакции являются соль соответствующей кислоты и вода:

Na₂O + 2HCl = 2NaCl + H₂O

3K₂O + 2H₃PO₄ = 2K₃PO₄ + 3H₂O

BaO + 2HNO₃ = Ba(NO₃)₂ + H₂O

Химические свойства кислотных оксидов.

1. Кислотные оксиды взаимодействуют с водой (не реагирует с водой SiO₂), образуются кислоты:

CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ — угольная кислота;

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ — серная кислота;

SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃ — сернистая кислота;

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄ — ортофосфорная кислота;

N₂O₃ + H₂O = 2HNO₂ — азотистая кислота;

N₂O₅ + H₂O = 2HNO₃ — азотная кислота;

Mn₂O₇ + H₂O = 2HMnO₄ — марганцевая кислота;

CrO₃ + H₂O = H₂CrO₄ — хромовая кислота;

2CrO₃ + H₂O = H₂Cr₂O₇ — дихромовая кислота;

2NO₂ + H₂O = HNO₂ + HNO₃ — образуется смесь азотной и азотистой кислот.

2. Кислотные оксиды реагируют с основными оксидами, образуются соли соответствующих кислот (см. выше):

SO₂ + K₂O = K₂SO₃

P₂O₅ + 3Na₂O = 2Na₃PO₄

3. Кислотные оксиды реагируют с основаниями, образуются соль и вода. Особенно хорошо вступают в эту реакцию сильные основания — щелочи:

SO₂ + 2KOH = K₂SO₃ + H₂O

SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O

P₂O₅ + 3Ba(OH)₂ = Ba₃(PO₄)₂↓ + 3H₂O

N₂O₅ + 2KOH = 2KNO₃ + H₂O

SiO₂ + 2KOH = K₂SiO₃ + H₂O

Специфические свойства оксидов. Эти свойства во многом связаны с их способностью участвовать в окислительно-восстановительных реакциях:

Fe₂O₃ + 3H₂ 2Fe + 3H₂O

Oксид углерода(II) обладает выраженными восстановительными свойствами и восстанавливает металлы из их оксидов:

CuO + CO Cu + CO₂

Оксид кремния(IV) при нагревании вытесняет из карбонатов более летучий оксид углерода(IV):

SiO₂ + CaCO₃ CO₂↑ + CaSiO₃

Другие специфические свойства оксидов будут рассмотрены при изучении химии элементов и их соединений.

Cпособы получения оксидов весьма разнообразны (табл. 6.1).

Тип реакции	Примеры
Окисление простых веществ (галогены, Au и Pt не реагируют с О2)	2Ca + O2 = 2CaO C + O2 = CO2 4Al + 3O2 = 2Al2O3
Термическое разложение некоторых кислот, оснований и солей	H2SiO3 SiO2 + H2O Cu(OH)2 CuO + H2O CaCO3 CaO + CO2↑
Окисление сложных веществ кислородом	4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2↑
Взаимодействие металлов и неметаллов с кислотами-окислителями	Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2↑ + 2H2O C + 2H2SO4 = CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O
Окисление низших оксидов в высшие или восстановление высших оксидов	2CO + O2 2CO2 Fe2O3 + C 2FeO + CO
Взаимодействие солей и кислот	CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2↑ 2KHSO3 + H2SO4 K2SO4 + 2SO2↑ + 2H2O