Химические свойства основных оксидов

Подробно про оксиды, их классификацию и способы получения можно прочитать .

1. Взаимодействие с водой. С водой способны реагировать только основные оксиды, которым соответствуют растворимые гидроксиды (щелочи). Щелочи образуют щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий и цезий) и щелочно-земельные (кальций, стронций, барий). Оксиды остальных металлов с водой химически не реагируют. Оксид магния реагирует с водой при кипячении.

CaO + H 2 O → Ca(OH) 2

CuO + H 2 O ≠

2. Взаимодействие с кислотными оксидами и кислотами. При взаимодействии основным оксидов с кислотами образуется соль этой кислоты и вода. При взаимодействии основного оксида и кислотного образуется соль:

основный оксид + кислота = соль + вода

основный оксид + кислотный оксид = соль

При взаимодействии основных оксидов с кислотами и их оксидами работает правило:

Хотя бы одному из реагентов должен соответствовать сильный гидроксид (щелочь или сильная кислота) .

Иными словами, основные оксиды, которым соответствуют щелочи, реагируют со всеми кислотными оксидами и их кислотами. Основные оксиды, которым соответствуют нерастворимые гидроксиды, реагируют только с сильными кислотами и их оксидами (N 2 O 5 , NO 2 , SO 3 и т.д.).

3. Взаимодействие с амфотерными оксидами и гидроксидами.

При взаимодействии основных оксидов с амфотерными образуются соли:

основный оксид + амфотерный оксид = соль

С амфотерными оксидами при сплавлении взаимодействуют только основные оксиды, которым соответствуют щелочи . При этом образуется соль. Металл в соли берется из более основного оксида, кислотный остаток — из более кислотного. В данном случае амфотерный оксид образует кислотный остаток.

K 2 O + Al 2 O 3 → 2KAlO 2

CuO + Al 2 O 3 ≠ (реакция не идет, т.к. Cu(OH) 2 — нерастворимый гидроксид)

(чтобы определить кислотный остаток, к формуле амфотерного или кислотного оксида добавляем молекулу воды: Al 2 O 3 + H 2 O = H 2 Al 2 O 4 и делим получившиеся индексы пополам, если степень окисления элемента нечетная: HAlO 2 . Получается алюминат-ион AlO 2 — . Заряд иона легко определить по числу присоединенных атомов водорода — если атом водорода 1, то заряд аниона будет -1, если 2 водорода, то -2 и т.д.).

Амфотерные гидроксиды при нагревании разлагаются, поэтому реагировать с основными оксидами фактически не могут.

4. Взаимодействие основных оксидов с восстановителями.

Таким образом, ионы некоторых металлов — окислители (чем правее в ряду напряжений, тем сильнее). При взаимодействии с восстановителями металлы переходят в степень окисления 0.

4.1. Восстановление углем или угарным газом .

Углерод (уголь) восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности после алюминия. Реакция протекает только при нагревании.

FeO + C → Fe + CO

Угарный газ также восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные после алюминия в электрохимическом ряду:

Fe 2 O 3 + CO → Al 2 O 3 + CO 2

CuO + CO → Cu + CO 2

4.2. Восстановление водородом .

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Реакция с водородом протекает только в жестких условиях – под давлением и при нагревании.

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

4.3. Восстановление более активными металлами (в расплаве или растворе, в зависимости от металла)

При этом более активные металлы вытесняют менее активные. То есть добавляемый к оксиду металл должен быть расположен левее в ряду активности, чем металл из оксида. Реакции, как правило, протекают при нагревании.

Например , оксид цинка взаимодействует с алюминием:

3ZnO + 2Al → Al 2 O 3 + 3Zn

но не взаимодействует с медью:

ZnO + Cu ≠

Восстановление металлов из оксидов с помощью других металлов — это очень распространенный процесс. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Например , цезий взрывается на воздухе .

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al → Al 2 O 3 + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

4.4. Восстановление аммиаком.

Аммиаком можно восстанавливать только оксиды неактивных металлов. Реакция протекает только при высокой температуре.

Например , аммиак восстанавливает оксид меди (II):

3CuO + 2NH 3 → 3Cu + 3H 2 O + N 2

5. Взаимодействие основных оксидов с окислителями .

Под действием окислителей некоторые основные оксиды (в которых металлы могут повышать степень окисления, например Fe 2+ , Cr 2+ , Mn 2+ и др.) могут выступать в качестве восстановителей.

Например , оксид железа (II) можно окислить кислородом до оксида железа (III):

4FeO + O 2 → 2Fe 2 O 3

Оксиды – сложные вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород. Оксиды могут быть солеобразующими и несолеобразующими: одним из видов солеобразующих оксидов являются основные оксиды. Чем они отличаются от других видов, и каковы их химические свойства?

Солеобразующие оксиды подразделяются на основные, кислотные и амфотерные оксиды. Если основным оксидам соответствуют основания, то кислотным – кислоты, а амфотерным оксидам соответствуют амфотерные образования. Амфотерными оксидами называют такие соединения, которые в зависимости от условий могут проявлять либо основные, либо кислотные свойства.

Рис. 1. Классификация оксидов.

Физические свойства оксидов очень разнообразны. Они могут быть как газами (CO 2), так и твердыми (Fe 2 O 3) или жидкими веществами (H 2 O).

При этом большинство основных оксидов является твердыми веществами различных цветов.

оксиды, в которых элементы проявляют свою высшую активность называются высшими оксидами. Порядок возрастания кислотных свойств высших оксидов соответствующих элементов в периодах слева направо объясняется постепенным возрастанием положительного заряда ионов этих элементов.

Химические свойства основных оксидов

Основными оксидами называются оксиды, которым соответствуют основания. Например, основным оксидам K 2 O, СaO соответствуют основания KOH, Ca(OH) 2 .

Рис. 2. Основные оксиды и соответствующие им основания.

Основные оксиды образуются типичными металлами, а также металлами переменной валентности в низшей степени окисления (например, CaO, FeO), реагируют с кислотами и кислотными оксидами, образуя при этом соли:

CaO (основной оксид)+CO 2 (кислотный оксид)=СaCO 3 (соль)

FeO (основной оксид)+H 2 SO 4 (кислота)=FeSO 4 (соль)+2H 2 O (вода)

Основные оксиды также взаимодействуют с амфотерными оксидами, в результате чего происходит образование соли, например:

С водой реагируют только оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов:

BaO (основной оксид)+H 2 O (вода)=Ba(OH) 2 (основание щелочнозем. металла)

Многие основные оксиды имеют характер восстанавливаться до веществ, состоящих из атомов одного химического элемента:

3CuO+2NH 3 =3Cu+3H 2 O+N 2

При нагревании разлагаются только оксиды ртути и благородных металлов:

Рис. 3. Оксид ртути.

Список основных оксидов:

Это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых - кислород со степенью окисления (-2). Общая формула оксидов: Э m О n , где m - чис­ло атомов элемента Э , а n - число атомов кис­лорода. Оксиды могут быть твердыми (песок SiO 2 , разно­видности кварца), жидкими (оксид водорода H 2 O), газо­образными (оксиды углерода: углекислый CO 2 и угарный СО газы).

Номенклатура химических соединений развивалась по мере накопления фактического материала. Сначала, пока число известных соединений было невелико, широко использовались тривиальные названия, не отражающие состава, строения и свойства вещества, - сурик РЬ 3 О 4 , глет РЬО, жженая магнезия MgO, железная окалина Fe 3 О 4 , веселящий газ N 2 О, белый мышьяк As 2 О 3 На смену тривиальной номенклатуре при шла полусистематическая номенклатура - в название были включены указания числа атомов кислорода в соединении: закись - для более низких, окись - для более высоких степеней окисления; ангидрид - для оксидов кислотного характера.

В настоящее время почти завершен переход к современной номенклатуре. Согласно международной номенклатуре, в названии оксида следует указывать валентность элемента; например, SО 2 - оксид cepы(IV), SО 3 - оксид cepы(VI), CrO - оксид хрома(II), Cr 2 О 3 - оксид хрома(III), CrO 3 - оксид хрома(VI).

По химическим свойствам оксиды подразде­ляются на солеобразующие и несолеобразующие .

Несолеобразующими называются такие окси­ды, которые не взаимодействуют ни со щелочами, ни с кислотами и не образуют солей. Их немного, в состав входят неметаллы.

Солеобразующими называются такие оксиды, которые взаимодействуют с кислотами или основа­ниями и образуют при этом соль и воду.

Среди солеобразующих оксидов различают ок­сиды основные, кислотные, амфотерные.

Основные оксиды - это такие оксиды, кото­рым соответствуют основания. Например: CuO со­ответствует основание Cu(OH) 2 , Na 2 O - основание NaOH, Cu 2 O - CuOH и т. д.

Типичные реакции основных оксидов

1. Основный оксид + кислота = соль + вода (реак­ция обмена):

2. Основный оксид + кислотный оксид = соль (реакция соединения):

3. Основный оксид + вода = щелочь (реакция со­единения):

Кислотные оксиды - это такие оксиды, кото­рым соответствуют кислоты. Это оксиды неметал­лов: N 2 O 5 соответствует HNO 3 , SO 3 - H 2 SO 4 , CO 2 - H 2 CO 3 , P 2 O 5 - H 4 PO 4 а также оксиды металлов с большим значением степеней окисления: Cr 2 +6 O 3 соответствует H 2 CrO 4 , Mn 2 +7 O 7 - HMnO 4 .

Типичные реакции кислотных оксидов

1. Кислотный оксид + основание = соль + вода (реакция обмена):

2. Кислотный оксид + основный оксид соль (реакция соединения):

3. Кислотный оксид + вода = кислота (реакция соединения):

Такая реакция возможна, только если кислот­ный оксид растворим в воде.

Амфотерными называются оксиды, которые в зависимости от условий проявляют основные или кислотные свойства. Это ZnO, Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 , V 2 O 5 .

Амфотерные оксиды с водой непосредственно не соединяются.

Типичные реакции амфотерных оксидов

1. Амфотерный оксид + кислота = соль + вода (ре­акция обмена):

2. Амфотерный оксид + основание = соль + вода или комплексное соединение:

Основные оксиды. К основным относят оксиды типичных металлов, им соответствуют гидроксиды, обладающие свойствами оснований.

Получение основных оксидов

Окисление металлов при нагревании в атмосфере кислорода.

2Mg + O 2 = 2MgO

2Cu + O 2 = 2CuO

Метод неприменим для получения оксидов щелочных металлов. В реакции с кислородом щелочные металлы обычно дают пероксиды, поэтому оксиды Na 2 O, К 2 O труднодоступны.

Обжиг сульфидов

2CuS + 3O 2 = 2CuO + 2SO 2

4FeS 2 + 110 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

Метод неприменим для сульфидов активных металлов, окисляю­щихся до сульфатов.

Разложение гидроксидов

Cu(OH) 2 = СuО + Н 2 О

Этим методом нельзя получить оксиды щелочных металлов.

Разложение солей кислородсодержащих кислот.

ВаСO 3 = ВаО + СO 2

2Pb(NO 3) 2 = 2РЬО + 4N0 2 + O 2

4FeSO 4 = 2Fe 2 O 3 + 4SO 2 + O 2

Разложение легко осуществляется для нитратов и карбонатов, в том числе и для основных солей.

2 CO 3 = 2ZnO + СO 2 + Н 2 O

Получение кислотных оксидов

Кислотные оксиды представлены оксидами неметаллов или переходных металлов в высоких степенях окис­ления. Они могут быть получены методами, аналогичными методам получения основных оксидов, например:

1. 4Р + 5O 2 = 2Р 2 O 5
2. 2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2
3. K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 = 2CrO 3 ↓ + K 2 SO 4 + H 2 O
4. Na 2 SiO 3 + 2HCl = 2NaCl + SiO 2 ↓ + H 2 O

При изучении химических свойств воды вы узнали, что многие оксиды (окислы) неметаллов, вступая в реакцию с водой, образуют кислоты, например:

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 + Q

Некоторые оксиды металлов, взаимодействуя с водой, образуют основания (щелочи), например:

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 + Q

Однако свойство оксидов вступать в реакцию с водой не является общим для всех веществ этого класса. Многие оксиды, например двуокись кремния SiO 2 , оксид углерода СО, оксид азота NO, оксид меди CuO, оксид железа Fe 2 O 3 и др., не взаимодействуют с водой.

Взаимодействие оксидов с кислотами

Вам известно, что некоторые оксиды металлов вступают в реакцию с кислотами с образованием соли и воды, например:

CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O

Взаимодействие оксидов с основаниями

Некоторые оксиды (углекислый газ СO 2 , сернистый газ SO 2 , фосфорный ангидрид Р 2 O 5 и др.) не вступают в реакцию с кислотами с образованием соли и воды. Выясним: не взаимодействуют ли они с основаниями?

Сухую колбу наполним углекислым газом и насыплем в нее едкий натр NaOH. Закроем колбу резиновой пробкой с вставленной в нее стеклянной трубкой и надетой на ее свободный конец резиновой трубкой с зажимом. Прикоснувшись рукой к колбе, мы ощутим разогревание стекла. На внутренних стенках колбы появились капли воды. Все это – признаки химической реакции . Если углекислый газ вступил в реакцию с едким натром, то можно предполагать, что в колбе создалось разрежение. Чтобы это проверить, после того когда колба охладится до комнатной температуры, опустим конец резиновой трубки прибора в кристаллизатор с водой и откроем зажим. Вода быстро устремится в колбу. Наше предположение о разрежении в колбе подтвердилось – углекислый газ взаимодействует с едким натром. Одним из продуктов реакции является вода. Каков состав образовавшегося твердого вещества?

NaOH + CO 2 = H 2 O + ? + Q

Известно, что углекислому газу соответствует гидрат оксида (окисла) – угольная кислота Н 2 СO 3 . Образовавшееся в колбе твердое вещество – соль угольной кислоты – углекислый натрий Na 2 CO 3 .

Для образования молекулы углекислого натрия потребуется две молекулы едкого натра:

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O + Q

При взаимодействии углекислого газа с едким натром получилась соль углекислый натрий Na 2 CO 3 и вода.

Помимо углекислого газа, есть еще многие оксиды (окислы) (SO 2 , SO 3 , SiO 2 , Р 2 O 5 и др.), которые взаимодействуют со щелочами с образованием соли и воды.

В природе существует три класса неорганических химических соединений: соли, гидроксиды и оксиды. Первые являются соединениями атома металла с кислотным остатком, к примеру, СІ-. Вторые подразделяются на кислоты и основания. Молекулы первых из них состоят из катионов Н+ и кислотного остатка, например, SO 4 -. Основания же имеют в своем составе катион металла, к примеру, К+, и анион в виде гидроксильной группы ОН-. А оксиды, в зависимости от своих свойств, делятся на кислотные и основные. О последних мы и расскажем в этой статье.

Определение

Основные оксиды — это вещества, состоящие из двух химических элементов, одним из которых обязательно является оксиген, а вторым — металл. При добавлении воды к веществам этого типа образуются основания.

Химические свойства основных оксидов

Вещества данного класса в первую очередь способны вступать в реакцию с водой, вследствие которой получается основание. Для примера можно привести следующее уравнение: СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2 .

Реакции с кислотами

Если основные оксиды смешать с кислотами, можно получить соли и воду. К примеру, если к оксиду калия добавить хлоридную кислоту, получим хлорид калия и воду. Уравнение реакции будет выглядеть таким образом: К 2 О + 2НСІ = 2КСІ + Н 2 О.

Взаимодействие с кислотными оксидами

Такого рода химические реакции приводят к образованию солей. Например, если к оксиду кальция добавить углекислый газ, получим карбонат кальция. Данную реакцию можно выразить в виде следующего уравнения: СаО + СО 2 = СаСО 3 . Подобного рода химическое взаимодействие может произойти только под воздействием высокой температуры.

Амфотерные и основные оксиды

Эти вещества также могут взаимодействовать между собой. Это происходит, потому что первые из них имеют свойства как кислотных, так и основных оксидов. В результате подобных химических взаимодействий образуются сложные соли. Для примера приведем уравнение реакции, которая происходит при смешивании оксида калия (основного) с оксидом алюминия (амфотерным): К 2 О + АІ 2 О 3 = 2КАІО 2 . Полученное при этом вещество называется алюминат калия. Если смешать те же реагенты, но еще и добавить воду, то реакция пройдет следующим образом: К 2 О + АІ 2 О 3 + 4Н 2 О = 2К. Вещество, которое образовалось, называется тетрагидроксоалюминат калия.

Физические свойства

Разнообразные основные оксиды весьма отличаются друг от друга по физическим свойствам, однако все они в основном при нормальных условиях пребывают в твердом агрегатном состоянии, имеют высокую температуру плавления.

Давайте рассмотрим каждое химическое соединение по отдельности. Оксид калия выглядит как твердое вещество светло-желтого цвета. Плавится при температуре +740 градусов по шкале Цельсия. Оксид натрия представляет собой бесцветные кристаллы. Превращаются в жидкость при температуре +1132 градуса. Оксид кальция представлен белыми кристаллами, которые плавятся при +2570 градусах. Диоксид железа выглядит как черный порошок. Принимает жидкое агрегатное состояние при температуре +1377 градусов Цельсия. Оксид магния похож на соединение кальция — это также кристаллы белого цвета. Плавится при +2825 градусах. Оксид лития представляет собой прозрачные кристаллы с температурой плавления +1570 градусов. Данное вещество обладает высокой гигроскопичностью. Оксид бария выглядит так же, как и предыдущее химическое соединения, температура, при которой оно принимает жидкое состояние, чуть выше — +1920 градусов. Оксид ртути — порошок оранжево-красного цвета. При температуре +500 градусов по Цельсию данное химическое вещество разлагается. Оксид хрома — это порошок темно-красной расцветки с такой же температурой плавления, как и у соединения лития. Оксид цезия обладает такой же окраской, как и ртути. Разлагается под воздействием солнечной энергии. Оксид никеля — кристаллы зеленого цвета, превращаются в жидкость при температуре +1682 градуса по шкале Цельсия. Как видите, физические свойства всех веществ данной группы обладают многими общими чертами, хотя и имеют некоторые различия. Оксид купрума (меди) выглядит как кристаллы, обладающие черной окраской. В жидкое агрегатное состояние переходит при температуре +1447 градус по Цельсию.

Как добывают химические вещества этого класса?

Основные оксиды можно получить путем проведения реакции между металлом и кислородом под воздействием высокой температуры. Уравнение такого взаимодействия выглядит следующим образом: 4К + О 2 = 2К 2 О. Второй способ получения химических соединений данного класса — разложение нерастворимого основания. Уравнение можно записать так: Са(ОН) 2 = СаО + Н 2 О. Для осуществления подобного рода реакции необходимы специальные условия в виде высоких температур. Кроме того, основные оксиды также образуются при разложении определенных солей. Примером может служить такое уравнение: СаСО 3 = СаО + СО 2 . Таким образом, образовался еще и кислотный оксид.

Использование основных оксидов

Химические соединения данной группы находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Далее рассмотрим использование каждого из них. Оксид алюминия применяют в стоматологии для изготовления зубных протезов. Его также используют при производстве керамики. Оксид кальция является одним из компонентов, участвующих в изготовлении силикатного кирпича. Также он может выступать в роли огнеупорного материала. В пищевой промышленности это добавка Е529. Оксид калия — один из ингредиентов минеральных удобрений для растений, натрия — используется в химической промышленности, в основном при получении гидроксида этого же металла. Оксид магния также применяют в пищевой отрасли, в качестве добавки под номером Е530. Кроме того, он является средством против повышения кислотности желудочного сока. Оксид бария применяется в химических реакциях в качестве катализатора. Диоксид железа используют в производстве чугуна, керамики, красок. Он также является пищевым красителем по номером Е172. Оксид никеля придает стеклу зеленый цвет. Кроме того, он используется в синтезе солей и катализаторов. Оксид лития — один из компонентов в производстве некоторых видов стекла, он повышает прочность материала. Соединение цезия выступает в роли катализатора для проведения некоторых химических реакций. Оксид купрума, как и некоторые другие, находит свое применение в изготовлении специальных видов стекла, а также для получения чистой меди. При производстве красок и эмалей он используется в качестве пигмента, придающего синий цвет.

Вещества данного класса в природе

В естественной среде химические соединения этой группы встречаются в виде минералов. В основном это кислотные оксиды, но среди других также они встречаются. К примеру, соединение алюминия — корунд.

В зависимости от присутствующих в нем примесей, он может быть различного цвета. Среди вариаций на основе АІ 2 О 3 можно выделить рубин, который имеет красную расцветку, и сапфир — минерал, обладающий синей окраской. Это же химическое вещество можно встретить в природе и в виде глинозема. Соединение купрума с оксигеном встречается в природе в виде минерала тенорита.

Заключение

В качестве вывода можно сказать, что все вещества, рассмотренные в данной статье, обладают похожими физическими и аналогичными химическими свойствами. Они находят свое применение во многих отраслях промышленности — от фармацевтической до пищевой.