Хімія. 8 клас. Гранкіна

§ 22. Фізичні й хімічні властивості оксидів

— Чи знаєш ти, який із оксидів для нас є особливо дорогим? Без нього неможливе життя на Землі.

— Це гідроген оксид — вода.

— Так. Нас оточує безліч оксидів. Ознайомимося з ними ближче.

З яких елементів складаються оксиди, ми вже знаємо — будь-який елемент і Оксиген. Ми знаємо як складати формули цих сполук.

Нагадаємо ще й те, що в Оксигену в оксидах ступінь окиснення завжди -2. Зараз розглянемо їхні фізичні й хімічні властивості.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ОКСИДІВ

Фізичні властивості оксидів дуже різноманітні. Густини, температури плавлення й кипіння змінюються в широких межах.

Оксиди лужних, лужноземельних і деяких інших металічних елементів (Al, Zn, Ti) мають білий колір, інші оксиди забарвлені в різні кольори (рис. 41).

Рис. 41. Забарвлення деяких оксидів

За звичайних умов оксиди можуть перебувати в різних агрегатних станах. Наприклад, майже всі основні й амфотерні оксиди — тверді речовини. У них, в основному, йонна кристалічна ґратка.

Кислотні оксиди можуть бути твердими речовинами — P₂O₅, SiO₂, рідинами — N₂O₃, H₂O, багато з них є газами — CO₂, NO₂, SO₂. Найчастіше в цих оксидів молекулярна ґратка, хоча є оксиди й з атомною ґраткою, наприклад SiO₂.

ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ

Твердий СО₂ називають іще «сухий лід», тому що він із твердого стану переходить відразу в газоподібний, минаючи рідкий. При цьому утворюється густий білий дим (рис. 42).

Рис. 42. Сухий лід

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ОКСИДІВ

Хіміків насамперед цікавлять, звичайно ж, хімічні властивості оксидів. Вони досить різноманітні, але можна виділити й загальні властивості.

1. Взаємодія з водою

З водою реагують як кислотні, так і основні оксиди. Амфотерні оксиди з водою не взаємодіють. Це дуже важлива реакція — так добувають деякі кислоти й основи, причому кислоти утворюються з кислотних оксидів, а основи — з основних.

Це реакція сполучення. У найпростіших випадках формулу кислоти, що утворюється, легко добути з формули кислотного оксиду простим додаванням. Наприклад:

З іншими оксидами не так усе просто. Це оксиди, наприклад, VA підгрупи:

P₂O₅ + H₂O = 2HPO₃ (за нестачі води)

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄ (в разі надлишку води)

N₂O₅ + H₂O = 2HNO₃

Хоча й у цих випадках можна міркувати так само:

N₂O₅ + H₂O = H₂N₂O₆,

а тепер, скоротивши всі індекси на 2, одержимо HNO₃.

ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ

Кислуватий смак газованої води (рис. 43) пояснюється утворенням карбонатної кислоти H₂CO₃ внаслідок узаємодії кислотного оксиду CO₂ з водою:

CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ (карбонатна кислота)

Рис. 43. Газована вода

Не всі кислотні оксиди реагують із водою. Так, силіцій(IV) оксид SiO₂ з водою не реагує.

SiO₂ + H₂O ≠ — реакція не відбувається

SiO₂ — основна складова частина піску, а ви добре знаєте, що пісок із водою не реагує (рис. 44).

Рис. 44. Пісок

Однак SiO₂ можна добути з кислоти H₂SiO₃, віднімаючи воду.

H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O

Тому говорять, що кислотним оксидам відповідають кислоти, маючи при цьому на увазі, що можна добути певну кислоту з оксиду або, навпаки, відповідний оксид із кислоти. У будь-якому разі кислотному оксиду завжди відповідає певна кислота:

SO₂ (сульфур(IV) оксид) — H₂SO₃ (сульфітна кислота);

SO₃ (сульфур(VІ) оксид) — H₂SO₄ (сульфатна кислота);

SiO₂ (силіцій(IV) оксид) — H₂SiO₃ (силікатна кислота).

• Важливо! Ступені окиснення неметалічного елемента в оксиді й відповідній йому кислоті однакові!

ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ

Із цього правила є винятки, наприклад, унаслідок узаємодії кислотного оксиду з водою можуть утворитися навіть дві різні кислоти:

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂

Детальніше ви будете вивчати такі реакції в старших класах.

Завдання. Установіть відповідність між оксидом і кислотою.

1) P₂O₅

2) CO₂

3) N₂O₅

4) N₂O₃

а) H₂CO₃

б) HNO₃

в) H₃PO₄

г) HNO₂

Підказка: визначте ступені окиснення. В оксиді й відповідній йому кислоті вони однакові.

Перейдемо до основних оксидів.

• Із водою реагують тільки основні оксиди, утворені лужними (ІА підгрупа) і лужноземельними металічними елементами (ІІА підгрупа — Са, Sr, Ba). При цьому виділяється велика кількість тепла. Оксиди Кальцію, Стронцію й Барію реагують із водою за звичайних умов, а магній оксид реагує з водою тільки за тривалого кип'ятіння.

Є й інші оксиди металічних елементів, які реагують із водою, але їх вивчення не входить у рамки шкільної програми.

— А я знаю, як зварити яйця, не використовуючи вогню!

— І я знаю! На електроплиті.

— Та ні, з допомогою енергії хімічної реакції!

— Ну, і як?

— Треба обкласти яйце шматочками кальцій оксиду СаО (його ще називають негашеним вапном) і полити водою! Відбувається хімічна реакція з виділенням великої кількості тепла. Цього досить, щоби зварити яйце, точніше спекти (рис. 45).

Рис. 45. Як зварити яйце без вогню

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Але треба бути дуже обережним(!). У результаті реакції утворюється сильний луг — кальцій гідроксид, який може ушкодити шкіру рук. Ви можете повторити цей дослід у шкільній лабораторії.

Існує, однак, велика кількість основних оксидів, які не реагують із водою.

CuO + H₂O ≠ реакція не відбувається

Як ще можна дізнатися, чи реагують оксиди з водою? Можна скористатися таблицею розчинності й подивитися, чи буде гідроксид, який ми маємо намір добути, розчинним. Якщо «так» (у клітинці літера «Р»), то оксид із водою взаємодіє, якщо «ні» (у клітинці літера «Н») — взаємодія оксиду з водою неможлива.

Кожному основному оксиду відповідає певна основа:

• MgO (магній оксид) — Mg(OH)₂ (магній гідроксид);
• Cr₂O₃ (хром(ІІІ) оксид) — Cr(OH)₃ (хром(ІІІ)гідроксид);
• Na₂O (натрій оксид) — NaOH (натрій гідроксид).

Завдання. Визначте, чи реагуватимуть із водою барій оксид, оксиди Феруму(ІІ) і (ІІІ), нікол(ІІ) оксид, силіцій(IV) оксид.

Тут слово «відповідає» означає те саме, що й у кислотних оксидах: або із цього оксиду можна добути основу внаслідок узаємодії з водою, або оксид можна добути з відповідної основи під час відщеплення води (розкладу під час нагрівання).

Важливо! Ступені окиснення металічного елемента в оксиді й відповідному йому гідроксиді однакові.

Завдання. Установіть відповідності.

1) Fe₂O₃

2) FeO

3) K₂O

4) BaO

а) Калій гідроксид

б) Ферум(ІІ) гідроксид

в) Барій гідроксид

г) Ферум(ІІІ) гідроксид

Підказка: визначте ступені окиснення. В оксиді й відповідній йому основі вони однакові.

2. Взаємодія кислотних оксидів з основними

Всі кислотні оксиди реагують із основними оксидами. При цьому утворюється сіль. Це реакція сполучення.

Щоби правильно написати такі рівняння, треба діяти поетапно:

1) Зрозуміти, яка кислота відповідає кислотному оксиду. У цьому випадку це карбонатна кислота H₂CO₃ (CO₂ → H₂CO₃).

2) Потім, згадавши, що солі складаються з атомів металічного елемента й кислотного залишку, записати формулу солі: металічний елемент, зрозуміло, буде такий, як в основному оксиді, а кислотний залишок — як у відповідній кислотному оксиду кислоті.

Завдання. Закінчіть рівняння реакцій:

MgO + SiO₂ =

BaO +SO₃ =

CuO +SO₂ =

Відповідь 1 дивіться наприкінці параграфа.

Можна навіть підписати формулу кислоти під формулою кислотного оксиду, ось так:

3. Взаємодія кислотних оксидів із лугами

Всі кислотні оксиди реагують із лугами. При цьому утворюються сіль і вода. Це реакція обміну.

• Реакції обміну — це реакції, у результаті яких дві складні речовини обмінюються своїми складовими частинами:

Під час складання таких рівнянь слід також спочатку подумати, яка кислота відповідає оксиду:

Оскільки реакція з основами є загальною для всіх кислотних оксидів, їм можна дати таке визначення:

• Оксиди, які взаємодіють з основами з утворенням солі й води, називають кислотними оксидами.

Завдання. Закінчіть рівняння реакцій:

CO₂ + Ca(OH)₂ = ...

P₂O₅ + KOH = ...

Відповідь 2 дивіться наприкінці параграфа.

4. Взаємодія основних оксидів із кислотами

Всі основні оксиди реагують із кислотами. При цьому утворюються сіль і вода. Це реакція обміну.

Завдання. Напишіть рівняння реакцій між такими речовинами:

1) сульфатною кислотою й купрум(ІІ) оксидом;

2) нітратною кислотою й ферум(ІІІ) оксидом.

Відповідь 3 дивіться наприкінці параграфа.

Дослід

Якщо до чорного порошку купрум(ІІ) оксиду додати розчин сульфатної кислоти, порошок розчиниться й утвориться розчин блакитного кольору. Такий колір у всіх розчинів солей двовалентного Купруму.

Таким чином, загальна властивість основних оксидів полягає в здатності реагувати з кислотами з утворенням солі й води. Дамо їм інше визначення:

• Оксиди, які взаємодіють із кислотами з утворенням солі й води та яким відповідають основи, називають основними оксидами.

5. Взаємодія з воднем

Внаслідок узаємодії оксидів металічних елементів з воднем утворюються метал і вода. Так добувають чисті метали в лабораторії та промисловості.

CuO + H₂ = Cu + H₂O

Рис. 46. 1 — суміш цинку з хлоридною кислотою; 2 — газовідвідна трубка; 3 — водень; 4 — CuO; 5 — спиртівка; 6 — штатив

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АМФОТЕРНИХ ОКСИДІВ

• Амфотерні оксиди — це оксиди, які залежно від умов можуть проявляти як кислотні, так і основні властивості. Отже, їх характеризують реакції взаємодії як із кислотами, так і з основами (лугами).

З водою амфотерні оксиди не реагують.

1. Взаємодія з кислотами

Реакція відбувається так само, як і з основними оксидами.

2. Взаємодія з лугами

Ця реакція може відбуватися по-різному залежно від умов. Якщо реакція відбувається між речовинами в розплавленому стані:

Пояснення може бути таким: у цій реакції Al₂O₃ є кислотним оксидом. Міркування такі самі, як і під час запису реакції кислотних оксидів з основами. Тому запишемо під формулою оксиду відповідний йому гідроксид: Al(OH)₃. Зараз він виглядає як основа. Запишемо інакше: H₃AlO₃ — тепер цей гідроксид виглядає як кислота. Оскільки реакція відбувається в розплаві, температура проведення реакції висока, і від H₃AlO₃ (ортоалюмінатна кислота) відщеплюється вода:

— метаалюмінатна кислота.

Закінчуємо рівняння реакції виходячи з того, що з NaOH реагує HAlO₂ з утворенням солі NaAlO₂.

Реакція між речовинами в розчині відбувається так:

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

У результаті реакції утворюється складна комплексна сіль — натрій тетрагідроксоалюмінат. Такі складні солі ми будемо вивчати пізніше.

Цікаво, що деякі амфотерні оксиди можуть витискувати залишки слабких і нестійких кислот із їх солей:

Al₂O₃ + Na₂CO₃ = 2NaAlO₂ + CO₂ (натрій метаалюмінат і карбон(IV) оксид)

ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ

Менш леткі оксиди витісняють із солей більш леткі. Наприклад, SiO₂ (пісок), очевидно, зовсім нелеткий, а CO₂ (вуглекислий газ) — звичайно ж, леткий, він же газ! Тому можлива реакція:

Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂↑

Оксиди Алюмінію й Цинку взаємодіють також з кислотними оксидами:

Al₂O₃ + 3SO₃ = Al₂(SO₄)₃; ZnO + SO₃ = ZnSO₄

та основними оксидами:

а) під час сплавлення:

Al₂O₃ + Na₂O = 2NaAlO₂; ZnO + Na₂O = Na₂ZnO₂

б) в розчині:

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

ZnO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Zn(OH)₄]

Робимо висновки:

ВІДПОВІДІ ДО ЗАВДАНЬ ПАРАГРАФА

Відповідь 1

MgO + SiO₂ = MgSiO₃

BaO + SO₃ = BaSO₄

CuO + SO₂ = CuSO₃

Відповідь 2

CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃ + H₂O

P₂O₅ + 6KOH = 2K₃PO₄ + 3H₂O

Відповідь 3

H₂SO₄ + CuO = CuSO₄ + H₂O

6HNO₃ + Fe₂O₃ = 2Fe(NO₃)₃ + 3H₂O

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

1. Назвіть хімічні властивості основних оксидів; кислотних оксидів.

2. У чому особливість хімічних властивостей амфотерних оксидів?

3. Виберіть помилкове твердження:

• а) у складі оксидів є атоми Оксигену;
• б) у реакції з водою кислотний оксид SO₂ утворює кислоту;
• в) оксид — складна речовина, загальна формула якого E_xH_y, де Е — атоми елемента, а Н — атоми Гідрогену;
• г) основні оксиди утворені тільки металічними елементами.

4. Кожний ряд оксидів доповніть формулою речовини, подібної до наведених за хімічними властивостями:

• а) CO₂, SO₂, ...;
• б) Na₂O, СаО, ...;
• в) Al₂O₃, Cr₂O₃, ...

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

1. З якими речовинами, формули яких наведено в другому стовпчику, необхідно провести хімічні реакцій, щоб з'ясувати кислотно-основний характер кожного з оксидів першого стовпчика?

• 1) СaO
• 2) SnO₂
• 3) As₂O₅
• а) NaOH
• б) NaOH і HCl
• в) HCl

Запишіть ці рівняння реакцій.

2. Укажіть правильну схему реакції:

• а) оксид неметалічного елемента + вода → основа;
• б) металічний елемент + кисень → основний оксид;
• в) неметалічний елемент + кисень → основний оксид;
• г) основний оксид + кислотний оксид → кислота.

Запишіть рівняння реакції.

3. Амфотерний оксид — це складна речовина, яка проявляє такі властивості:

• а) кислотні;
• б) основні;
• в) кислотні й основні;
• г) правильної відповіді немає.

4. Закінчіть рівняння можливих реакцій:

• а) HgO + H₂O →
• б) Na₂O + H₂O →
• ^в) P₂O₅ + H₂O →
• г) CuO + H₂O →
• д) SO₃ + H₂O →
• е) CaO + H₂O →
• ж) SiO₂ + H₂O →

Підказка: не забудьте, що деякі реакції неможливі!

5. Напишіть формули вищих оксидів елементів третього періоду.

Які властивості вони проявлятимуть?

Підтвердьте свою відповідь рівняннями реакцій.

6. Сульфур(VІ) оксид взаємодіє з кожною з двох речовин:

• 1) вода й хлоридна кислота;
• 2) кисень і магній оксид;
• 3) кальцій оксид і натрій гідроксид;
• 4) вода й мідь.

7. На повне відновлення міді з купрум(ІІ) оксиду витрачено 3,5 моль водню (н. у.).

Яка маса міді утворилася?

8. Яка кількість речовини води необхідна для повного розчинення 0,25 моль натрій оксиду?

Обчисліть масу отриманого при цьому гідроксиду.

9. Необхідно добути 2 моль сульфатної кислоти. Обчисліть масу води й кількість речовини відповідного оксиду, які мають прореагувати.

10. Які з наведених речовин можна використовувати для поглинання вуглекислого газу з повітря:

• розчин натрій гідроксиду,
• розчин сульфатної кислоти,
• фосфор(V) оксид,
• вапнякова вода Ca(OH)₂,
• кальцій оксид?

Напишіть відповідні рівняння реакцій.