§ 23. Оксиды, их классификация и химические свойства

СУЩНОСТЬ ОКСИДОВ И ДВЕ ГЕНЕРАЛЬНЫЕ ГРУППЫ: СОЛЕОБРАЗУЮЩИЕ И НЕСОЛЕОБРАЗУЮЩИЕ

В окружающем мире кислород является одним из самых активных химических элементов. Соединяясь практически со всеми металлами и неметаллами, он образует обширный класс неорганических веществ — оксиды.

Оксиды — это сложные бинарные соединения, состоящие из атомов двух химических элементов, одним из которых обязательно является кислород в степени окисления -2. Их общую формулу можно записать как EₓO_y, где валентность кислорода всегда равна двум.

По способности вступать в химические превращения с образованием солей всё многообразие оксидов строго подразделяют на две генеральные группы:

1. Несолеобразующие (индифферентные) оксиды: это оксиды неметаллов с небольшими степенями окисления (+1 и +2). Они химически пассивны к реакциям солеобразования: не взаимодействуют при обычных условиях ни с растворами кислот, ни со щелочами, и им не соответствуют никакие кислоты или основания. Таких оксидов немного, их необходимо твердо помнить:
   • CO — оксид углерода(II), или угарный газ;
   • NO — оксид азота(II);
   • N₂O — оксид азота(I), или «веселящий газ»;
   • SiO — оксид кремния(II).

1. Солеобразующие оксиды: оксиды, способные вступать в реакции с образованием солей при взаимодействии с кислотами, щелочами или оксидами противоположной природы. По своему химическому характеру они делятся на осно́вные и кислотные (а также амфотерные, которые подробно изучаются позже).

ОСНО́ВНЫЕ ОКСИДЫ: СВОЙСТВА И СООТВЕТСТВИЕ ОСНОВАНИЯМ

Осно́вными оксидами называют оксиды, которые химически взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды, и которым в качестве гидроксидов соответствуют основания.

Подавляющее большинство осно́вных оксидов образовано типичными металлами с небольшими степенями окисления и валентностями I или II. К ним относятся оксиды щелочных металлов IA-группы (Li₂O, Na₂O, K₂O), щелочноземельных металлов IIA-группы (CaO, SrO, BaO), а также магния MgO, меди Cu₂O, железа FeO, хрома CrO и марганца MnO.

Каждому основному оксиду в качестве гидратированной формы соответствует вполне определенное основание:

• Оксиду натрия Na₂O соответствует гидроксид натрия NaOH
• Оксиду меди(I) Cu₂O соответствует гидроксид меди(I) CuOH
• Оксиду кальция CaO соответствует гидроксид кальция Ca(OH)₂
• Оксиду магния MgO соответствует гидроксид магния Mg(OH)₂
• Оксиду бария BaO соответствует гидроксид бария Ba(OH)₂
• Оксиду железа(II) FeO соответствует гидроксид железа(II) Fe(OH)₂

Химические свойства осно́вных оксидов:

1. Взаимодействие с водой:

С водой вступают в химическую реакцию исключительно оксиды щелочных металлов (IA-группа) и щелочноземельных металлов (начиная с кальция Ca). В результате реакции соединения образуются растворимые основания — щёлочи:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Этот процесс в технике называют «гашением извести», он сопровождается сильным разогревом. Если в полученную взвесь добавить фенолфталеин, раствор окрашивается в интенсивный малиновый цвет, что наглядно доказывает присутствие щелочной среды (лабораторный опыт 17).

• Оксид магния MgO реагирует с водой только при сильном нагревании или с водяным паром: MgO + H₂O (пар) = Mg(OH)₂↓.
  • Оксиды всех остальных металлов (например, оксид меди(II) CuO, оксид железа(II) FeO) являются оксидами нерастворимых оснований и с водой напрямую не реагируют: CuO + H₂O ≠ Cu(OH)₂.

1. Взаимодействие с кислотами:

Это фундаментальное свойство всех осно́вных оксидов без исключения. При контакте с растворами кислот они легко растворяются, образуя соль и воду:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O

Если подогреть пробирку с черным кристаллическим порошком оксида меди(II) и бесцветным раствором серной кислоты, черный осадок исчезает, а раствор приобретает красивый сапфирово-синий цвет гидратированных ионов меди сульфата меди(II). Точно так же основные оксиды реагируют с соляной или азотной кислотами:

FeO + 2HCl = FeCl₂ + H₂O

MgO + 2HNO₃ = Mg(NO₃)₂ + H₂O

КИСЛОТНЫЕ ОКСИДЫ: СВОЙСТВА И СООТВЕТСТВИЕ КИСЛОТАМ

Кислотными оксидами называют оксиды, которые химически взаимодействуют с основаниями с образованием соли и воды, и которым в качестве гидроксидов соответствуют кислоты.

Кислотные оксиды образуются либо неметаллами (CO₂, SO₂, SO₃, P₂O₅, N₂O₅, N₂O₃, SiO₂), либо металлами переменной валентности в их высших степенях окисления (+5, +6, +7), например оксид хрома(VI) CrO₃ или оксид марганца(VII) Mn₂O₇.

Каждому кислотному оксиду в качестве гидрата строго соответствует своя кислородсодержащая кислота:

• Оксиду серы(VI) SO₃ соответствует серная кислота H₂SO₄
• Оксиду серы(IV) SO₂ соответствует сернистая кислота H₂SO₃
• Оксиду углерода(IV) CO₂ соответствует угольная кислота H₂CO₃
• Оксиду фосфора(V) P₂O₅ соответствует ортофосфорная кислота H₃PO₄
• Оксиду азота(V) N₂O₅ соответствует азотная кислота HNO₃
• Оксиду азота(III) N₂O₃ соответствует азотистая кислота HNO₂
• Диоксиду кремния SiO₂ соответствует кремниевая кислота H₂SiO₃

Химические свойства кислотных оксидов:

1. Взаимодействие с водой:

Большинство кислотных оксидов охотно соединяются с водой, образуя растворы соответствующих кислот. Если сжечь на воздухе красный фосфор, образуется плотный белый дым оксида фосфора(V), который при взбалтывании с водой мгновенно растворяется, формируя ортофосфорную кислоту (цепочка превращений: P → P₂O₅ → H₃PO₄):

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

• Важнейшее исключение: диоксид кремния SiO₂ (кварц, кремнезем, речной песок). Из-за прочнейшей атомной кристаллической решетки песок не растворяется и не реагирует с водой ни при каких условиях: SiO₂ + H₂O ≠ H₂SiO₃. Кремниевую кислоту получают исключительно косвенным путем из ее растворимых солей.

1. Взаимодействие с основаниями (щелочами):

При взаимодействии кислотного оксида с раствором щелочи протекает реакция солеобразования с выделением воды:

SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O

CrO₃ + 2NaOH = Na₂CrO₄ + H₂O (оксид хрома(VI) образует ярко-желтый раствор хромата натрия).

• Качественная реакция на углекислый газ: если углекислый газ CO₂ пропустить через прозрачную известковую воду (раствор гидроксида кальция Ca(OH)₂), она быстро мутнеет из-за выпадения мелкокристаллического белого осадка карбоната кальция (лабораторный опыт 18):

CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСНОВНЫХ И КИСЛОТНЫХ ОКСИДОВ ДРУГ С ДРУГОМ

Осно́вные и кислотные оксиды представляют собой химические антиподы: первые несут металлическую и щелочную природу, а вторые — кислотную. Поэтому при непосредственном контакте (особенно при сплавлении или нагревании) они активно нейтрализуют друг друга без участия воды, соединяясь в соответствующую соль:

CaO + SiO₂ —(t)→ CaSiO₃

В этой классической реакции оксид кальция (основный оксид) и диоксид кремния (кислотный оксид) образуют соль силикат кальция. Данный процесс лежит в основе удаления пустой породы при выплавке чугуна в доменных печах (образование шлаков), а также при варке стекла и цементного клинкера.

Аналогично протекает связывание углекислого газа оксидом натрия:

Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃

Именно способность к взаимной нейтрализации с образованием солей дала обеим этим группам объединяющее название — солеобразующие оксиды.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДОВ В ЛАБОРАТОРИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В современной химии синтез оксидов осуществляется тремя основными путями:

1. Взаимодействие простых веществ с кислородом (прямое окисление и горение):

При сжигании металлов и неметаллов на воздухе или в атмосфере чистого кислорода образуются их оксиды:

• 2Mg + O₂ —(t)→ 2MgO (магниевая лента сгорает ослепительно ярким белым пламенем);
  • S + O₂ —(t)→ SO₂↑ (сера горит красивым синим пламенем, выделяя бесцветный газ с резким запахом сернистого ангидрида);
  • 4P + 5O₂ —(t)→ 2P₂O₅.

1. Взаимодействие сложных веществ с кислородом (горение углеводородов и обжиг руд):
   • Горение углеводородов природного газа (метана) всегда приводит к образованию оксида углерода(IV) и водяного пара:

CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ + 2H₂O

• Окислительный обжиг сульфидных руд в цветной металлургии позволяет перевести нерастворимые сульфиды в оксиды металлов с попутным получением сернистого газа:

2ZnS + 3O₂ —(t)→ 2ZnO + 2SO₂↑

• Сгорание токсичного сероводорода:

2H₂S + 3O₂ —(t)→ 2SO₂↑ + 2H₂O

1. Термическое разложение сложных кислородсодержащих соединений:

Многие нерастворимые основания, нестойкие кислоты и соли при нагревании распадаются на оксид и воду (или оксид металла и кислотный газ):

• Разложение нерастворимых оснований: Fe(OH)₂ —(t)→ FeO + H₂O; Cu(OH)₂ —(t)→ CuO + H₂O (голубой осадок чернеет при нагревании);
  • Разложение нестойкой кремниевой кислоты: H₂SiO₃ —(t)→ SiO₂ + H₂O;
  • Промышленный обжиг известняка (карбоната кальция) в шахтных печах для производства негашеной извести:

CaCO₃ —(t)→ CaO + CO₂↑