Оксиды

Вода и углекислый газ – самые важные оксиды на Земле. Они необходимы для жизни большинства организмов и формируют климат на нашей планете. Каждый день мы взаимодействуем с оксидами и не замечаем их тайной жизни у нас под носом. Вы откусили яблоко, и через несколько минут оно потемнело. «Заветрилось», – подумаете вы, а это произошла реакция окисления железа. Ржавчина на перилах в подъезде – тоже оксид железа. Фианиты в ювелирных украшениях – это диоксид циркония. Чего уж там, без оксидов редкоземельных металлов не было бы ни телефонов, ни телевизоров с жидкокристаллическими экранами – настоящий апокалипсис. Давайте приоткроем завесу тайны и познакомимся с оксидами поближе.

Определение оксидов 

Оксидами называют соединения из двух химических элементов, одним из которых является кислород (О) в степени окисления -2.

Все элементы таблицы Менделеева, кроме фтора, образуют оксиды. Фтор – самый электроотрицательный элемент, и при взаимодействии с кислородом образуются не оксиды, а фториды (OF₂). Это единственный случай, когда у кислорода положительная степень окисления. 

Запомните еще одних «шпионов», маскирующихся под оксиды, – пероксиды. Главное их отличие в том, что в этих соединениях степень окисления кислорода -1. Например:

BaO₂ – пероксид бария,
K₂O₂ – пероксид калия.

Пероксидные соединения очень опасные, среди них много едких и взрывоопасных веществ, но в небольших концентрациях они находят широкое применение в нашей жизни. Популярный в быту пероксид – перекись водорода H₂O₂. Все знают: «ничто так не красит девушку, как перекись водорода».

С исключениями разобрались. Настало время узнать, на какие группы делятся оксиды и какими свойствами обладают. 

Полезная информация об оксидах

Классификация оксидов

В зависимости от химических свойств, а точнее, от способности образовывать соли, оксиды делят на две группы: солеобразующие и несолеобразующие. Давайте рассмотрим их подробнее.

Несолеобразующие оксиды

Это самая маленькая группа в неорганической химии. К ней относят оксиды, которые не взаимодействуют с кислотами и щелочами. Таких оксидов четыре,
и все они образованы неметаллами:

• оксид кремния(II) SiO,
• оксид углерода(II) CO,
• оксид азота(I) N₂O,
• оксид азота(II) NO.

Солеобразующие оксиды

Нетрудно догадаться, что солеобразующие оксиды вступают в реакцию с кислотами или основаниями с образованием соли и воды. Эта группа делится на три подгруппы: основные, амфотерные и кислотные.

Основные оксиды

Оксиды, образованные при взаимодействии с металлами со степенью окисления +1 и +2, называются основными. Им соответствуют основания, например: Li₂O, K₂O, Na₂O, Ag₂O, FeO, CrO, MgO.

Исключения: BeO, ZnO, SnO, PbO.

Амфотерные оксиды

Проявляя двойственную природу, оксиды этой группы обладают как кислотными, так и основными свойствами. Они образуются металлами со степенью окисления +3, +4, а также к ним относятся BeO, ZnO, SnO, PbO. Например: Al₂O₃, Fe₂O₃, MnO₂. 

Кислотные оксиды

Данная группа оксидов образована соединениями металлов со степенью окисления +5 и выше, а также неметаллами, кроме оксидов SiO, CO, N₂O, NO, которые относятся к несолеобразующим. Кислотным оксидам соответствуют кислоты. Примеры таких соединений: V₂O₅, P₂O₅, Mn₂O₇, CrO₃.

Номенклатура оксидов

В соответствии с номенклатурой международного союза теоретической и прикладной химии названия оксидов образуются следующим образом:

Слово «оксид» + название элемента в родительном падеже.

Если элемент, образующий оксид, имеет переменную валентность, то она указывается в скобках римскими цифрами сразу после названия оксида без пробела: N₂O₃ – оксид азота(III).

Применяют названия оксидов по числу атомов кислорода: 

• с одним атомом кислорода – монооксид, или моноокись (монооксид углерода CO),
• два атома – диоксид, или двуокись (диоксид титана TiO₂),
• три – триоксид, или трехокись (триоксид хрома CrO₃).

Некоторые оксиды получили исторические названия, связанные с их открытием или свойствами. Так, в XVII веке физик Гемфри Дэви удивился, что вдыхание газа N₂O приводит к смеху, и назвал его «веселящий газ». Помимо смеха, ученый обнаружил, что у него перестала болеть десна. Случайность позволила открыть обезболивающие свойства соединения, и с XIX века газ применяют при легком наркозе.

Оксид азота(IV) NO₂ получил название «бурый газ», или «лисий хвост» из-за цвета.

Оксид натрия Na₂O называют «едкая щелочь» из-за свойства разъедать кожу и оставлять сильные химические ожоги.

В научном мире используются как исторические названия, так и регламентированные. Чтобы не запутаться, предлагаем воспользоваться таблицей ниже.

Таблица химических формул некоторых оксидов 

Химические свойства основных оксидов

Самое сложное в науке о строении и свойствах веществ – химические реакции, но пугаться не стоит. Рассмотрим, с какими веществами и при каких условиях взаимодействуют основные оксиды.

Взаимодействие с водой 

В реакцию с водой вступают только оксиды активных металлов (щелочных и щелочноземельных) с образованием растворимого основания – щелочей. Малорастворимый гидроксид кальция Ca(OH)2 относят к щелочам как исключение.

Основной оксид + вода → основание (щелочь)

Li₂O + H₂O → 2LiOH гидроксид лития,
CaO + H2O → Ca(OH)₂ гидроксид кальция.

Если забыли, растворяется основание или нет, всегда можно заглянуть в таблицу растворимости.

Взаимодействие с кислотными оксидами и кислотами

Говорят, противоположности притягиваются, и основные оксиды не исключение. Они вступают в реакцию с веществами, проявляющими противоположные, кислотные, свойства, и образуют соль.

Основной оксид + кислотный оксид → соль

BaO + SO₃ → BaSO₄ сульфат бария, 
CaO + CO₂ → CaСO₃ карбонат кальция,
3K₂O + P₂O₅ → 2K₃PO₄ ортофосфат калия.

При взаимодействии с кислотами происходит реакция обмена, которая возможна только при образовании растворимой соли:

Основной оксид + кислота → растворимая соль + вода

CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O 
4MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O

Взаимодействие с амфотерными оксидами 

Основные оксиды не вступают в реакцию с веществами, имеющими сходные свойства. Учитывая, что амфотерные оксиды проявляют как кислотные, так и основные свойства, реакция проходит только с кислотными свойствами, образуя соль:

Основной оксид  + амфотерный оксид → соль

CaO + ZnO → CaZnO₂ 
Fe₂O₃ + 3CO₂ → Fe₂(CO₃)₂

Химические свойства кислотных оксидов

Кислотные оксиды, как и основные, – солеобразующие, а значит, тоже образуют соли. Давайте посмотрим, с какими веществами взаимодействует эта группа оксидов. 

Взаимодействие с водой

Кислотные оксиды взаимодействуют с водой, образуя кислоты. Исключением является оксид кремния(IV), известный как песок, так как ему соответствует нерастворимая кремниевая кислота. Представьте, если бы песок растворялся в воде, что было бы с пляжами? Лучше об этом не думать.

Кислотный оксид + вода →  кислота

P₂O₅ + 3H₂O₂ → H₃PO₄ фосфорная кислота,
SO₃+H₂O → H₂SO₄ серная кислота.

Способность кислотных оксидов образовывать кислоты при взаимодействии с водой не раз приводила к трагичным последствиям. 

После второй мировой войны в Британии было много угольных электростанций, а качество угля было низким. При сжигании такого угля выделялось много диоксида серы SO₂. В декабре 1952 года на Лондон опустился густой туман. В воздухе было так много диоксида серы, что туман окрасился в грязно-желтый цвет, за что получил название «гороховый суп». Вступая в реакцию с капельками воды, диоксид серы превращал туман в кислотное облако, а погодные условия не давали смертельным парам рассеяться. За четыре дня туман унес жизни четырех тысяч человек, а в последующем число жертв достигло 12 тысяч. 

Несмотря на такие «страшные» свойства диоксида серы, в малых дозах он безвреден и используется как консервант. Например, в конфетах диоксид серы не дает жирам окисляться и надолго сохраняет вкус.

Взаимодействие с основными оксидами и щелочами

При взаимодействии кислотного оксида с основным происходит реакция соединения, которая рассмотрена в химических свойствах основных оксидов, но повторим для закрепления материала: кислотный оксид + основной оксид → соль. Например, SO₃ + Na₂O → Na₂SO₄ (сульфат натрия).

При взаимодействии со щелочью происходит реакция обмена:

Кислотный оксид + щелочь → соль + вода

SO₃ +2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O 
SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O

Взаимодействие с амфотерными оксидами и гидроксидами

С амфотерными оксидами и гидроксидами взаимодействуют только оксиды сильных и средних кислот.

Кислотный оксид + амфотерный оксид → соль
Кислотный оксид + гидроксид → соль + вода (иногда без воды)

Отдельно отметим оксиды SO₂ и CO₂, которые реагируют с нерастворимыми гидроксидами в виде суспензий в воде с образованием основных солей, то есть солей, в которых гидроксогруппа замещена не полностью. Образование нормальных солей в данном случае невозможно. Однако с гидроксидами металлов в степени окисления +3 углекислый и сернистый газ не реагируют.

SO₃ + ZnO → ZnSO₄ 
2Zn(OH)₂ + CO₂ → (ZnOH)₂CO₃ + H₂O
2Cu(OH)₂ + CO₂ → (CuOH)₂ CO₃ + H₂O

Химические свойства амфотерных оксидов 

Амфотерные оксиды обладают двойственной природой. При взаимодействии с кислотами они проявляют основные свойства, а при взаимодействии с основаниями – кислотные. Рассмотрим реакции подробнее.  

Взаимодействие с водой

Амфотерные оксиды не растворяются в воде и не реагируют с ней. Оксиды могут реагировать с водой только с образованием растворимого гидроксида, однако все амфотерные гидроксиды нерастворимы.

Взаимодействие с кислотными оксидами и кислотой

Проявляя основные свойства, амфотерные оксиды вступают в реакцию с кислотными оксидами и кислотой с образованием солей. 

Амфотерный оксид + кислотный оксид   → соль

Fe₂O₃ + 3CO₂ → Fe₂(CO₃)₂
Al₂O₃ + 3SO₃ → Al₂(SO₄)₃

Амфотерный оксид + кислота   → растворимая соль +вода

BeO + 2HCL → BeCl₂ + H₂O 
ZnO + 2HCL → ZnCl₂ + H₂O

Взаимодействие с основными оксидами

Реакции с основными оксидами протекают при высокой температуре, а амфотерные оксиды проявляют кислотные свойства. В результате взаимодействии получается соль:

Амфотерный оксид + основной оксид   → соль

ZnO + Na₂O → NaZnO₂ 

Взаимодействие со щелочами

При таком взаимодействии амфотерные оксиды проявляют основные свойства, но механизм реакций зависит от условий протекания.

1. В растворе получаются комплексные соли:

амфотерный оксид + щелочь + вода  → комплексная соль

Al₂O₃ + 2NaOH + H₂O → 2Na[Al(OH)₄] 
ZnO + 2KOH + H₂O → K₂[Zn(OH)₄]

2. При сплавлении – обычные соли:

амфотерный оксид + щелочь  → соль + вода

Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂+H₂O 
ZnO + 2KOH + H₂O → K₂ZnO + H₂O

Получение оксидов

Существует много способов получения оксидов, поэтому рассмотрим только основные.

1. Самый простой способ получения оксида – окисление металлов и неметаллов, то есть простых веществ:

2H₂ + O₂ → 2H₂O
4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

Исключения:

Золото, платина и палладий.

Натрий с кислородом образует пероксид, а калий, рубидий и цезий с кислородом образуют не оксиды, а надпероксиды:

2Na + O₂ → Na₂O₂ 
K + O₂ → KO₂
Rb + O₂ → RbO₂
Cs+O₂ → CsO₂

Не взаимодействуют с кислородом галогены (VII группа), инертные газы (VIII группа) и фосфор (обладает большей электроотрицательностью, чем кислород).

2. При горении или обжиге образуется оксид того элемента, из которого образовано сложное вещество:

2CH₄ + 4O₂ → 2CO₂ + 4H₂O 
2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

3. Термическое разложение солей, оснований и кислот с образованием оксидов:

CaCO₃ → CaO + CO₂ 
2Al(OH) → Al₂O₃O + 3H₂O
4HNO₃ → 4NO₂ + O₂ + H₂O

Если вы отдыхали в Турции, то наверняка видели или слышали о травертинах в поселке Памуккале. Это чудо природы – результат разложения соли. Горячая вода подземных источников протекает через залежи известняка и насыщается ионами кальция. В обычных условиях мел (карбонат кальция) в воде растворяется плохо, но термальная вода насыщена углекислым газом, и происходит реакция, при которой образуется растворимый бикарбонат кальция:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂ 

Когда насыщенная ионами кальция и углекислого газа термальная вода вырывается на поверхность, происходит реакция разложения, и карбонат кальция выпадает в осадок, образуя белоснежные террасы и бассейны:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O 

Теперь вы знаете тайну травертинов, но вернемся к способам получения оксидов. 

4. Оксиды получают при взаимодействии некоторых металлов с водой при высокой температуре:

Zn +H₂O → ZnO + H₂

Главное, не бросайте в воду натрий. Оксид при такой реакции не получится, а взрыв возможен. Дело в том, что натрий в воде выделяет тепло и плавится.  Реакция протекает с выделением водорода, который с легкостью воспламеняется. У химиков есть поговорка: «Не хотите быть калекой? Киньте дальше натрий в реку». Рисковые люди эти химики.

Задачи по теме «Оксиды»

От теории перейдем к практике и закрепим знания упражнениями.

Задача 1

Определите, солеобразующий оксид или нет. Для солеобразующих оксидов определите тип оксида. Обоснуйте решение.

ZnO, SiO, Al₂O₃, CO₂, Na₂O₂, MnO

Задача 2

С какими из указанных веществ будет реагировать оксид кремния(IV): H2O, NaOH, HF, CaO. Составьте уравнения возможных реакций.

Задача 3

С какими из указанных веществ будет реагировать оксид натрия: CO₂, HCl, H₂O, NaOH. Составьте уравнения возможных реакций.

Ответы к задачам

Проверим, как вы справились с заданиями.

Задача 1

ZnO – солеобразующий амфотерный оксид, степень окисления 2 (искл.),
SiO – несолеобразующий оксид,
Al₂O₃ – солеобразующий амфотерный оксид, степень окисления 3,
CO₂ – солеобразующий кислотный оксид, неметалл,
Na₂O₂ – пероксид, не является оксидом,
MnO – солеобразующий основной оксид, степень окисления 2.

Задача 2

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O,
SiO₂ + 6CH₂[SiF₆] + H₂O или 
SiO₂ + 4HFSiF₄ + 2H₂O,
SiO + CaO → CaSiO₃

Задача 3

Na₂O + 2CO₂ → Na₂CO₃,
Na₂O + 2HCl₂→ NaCl + H₂O,
Na₂O + H₂O → Na(OH)₂.

3 темы по химии с простыми объяснениями

Зная содержание этих статей, можно без страха отправляться на любую контрольную.

1. Что такое степень окисления элемента
2. Строение и свойства кристаллических решеток
3. Современные представления о строении атома

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Татьяна Архипова, онлайн-репетитор, учитель Ликино-Дулевского лицея (Орехово-Зуевский городской округ), эксперт по подготовке к ЕГЭ и ОГЭ по химии и биологии: