Глава III. Основные классы неорганических соединений. § 23. Оксиды, их классификация и химические свойства — с. 105
§ 23. Проверьте свои знания.
1. Какие вещества называют оксидами?
На какие группы они делятся?
Найдите сходство и различия в свойствах этих групп оксидов.
Оксиды — сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых кислород (в степени окисления −2). Оксиды делят на солеобразующие и несолеобразующие (N₂O, NO, CO, SiO). Солеобразующие бывают основные (Na₂O, CaO, CuO, FeO), кислотные (CO₂, SO₃, P₂O₅, SiO₂, CrO₃) и амфотерные (о них речь дальше).
Сходство: и основные, и кислотные оксиды взаимодействуют с водой (если образуется растворимый гидроксид), друг с другом (CaO + SiO₂ = CaSiO₃) и образуют соли.
Различия: основные оксиды (оксиды металлов с валентностью I–II) реагируют с кислотами с образованием соли и воды (CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O), с водой образуют основания (CaO + H₂O = Ca(OH)₂), им соответствуют основания. Кислотные оксиды (оксиды неметаллов и металлов с высокой валентностью) реагируют с основаниями (CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O), с водой образуют кислоты (P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄), им соответствуют кислоты. Несолеобразующие оксиды не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами.
Сходство: и основные, и кислотные оксиды взаимодействуют с водой (если образуется растворимый гидроксид), друг с другом (CaO + SiO₂ = CaSiO₃) и образуют соли.
Различия: основные оксиды (оксиды металлов с валентностью I–II) реагируют с кислотами с образованием соли и воды (CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O), с водой образуют основания (CaO + H₂O = Ca(OH)₂), им соответствуют основания. Кислотные оксиды (оксиды неметаллов и металлов с высокой валентностью) реагируют с основаниями (CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O), с водой образуют кислоты (P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄), им соответствуют кислоты. Несолеобразующие оксиды не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами.
§ 23. Проверьте свои знания.
2. Приведите примеры гидроксидов — оснований и кислородсодержащих кислот — соответствующих солеобразующим оксидам.
Основным оксидам соответствуют основания: Na₂O — NaOH; MgO — Mg(OH)₂; CaO — Ca(OH)₂; BaO — Ba(OH)₂; CuO — Cu(OH)₂; FeO — Fe(OH)₂; Cu₂O — CuOH.
Кислотным оксидам соответствуют кислородсодержащие кислоты: N₂O₅ — HNO₃; N₂O₃ — HNO₂; SO₃ — H₂SO₄; SO₂ — H₂SO₃; P₂O₅ — H₃PO₄; CO₂ — H₂CO₃; SiO₂ — H₂SiO₃.
Гидроксиды — это основания и кислородсодержащие кислоты, которые формально можно получить присоединением воды к оксиду (например, SO₃ + H₂O = H₂SO₄).
Кислотным оксидам соответствуют кислородсодержащие кислоты: N₂O₅ — HNO₃; N₂O₃ — HNO₂; SO₃ — H₂SO₄; SO₂ — H₂SO₃; P₂O₅ — H₃PO₄; CO₂ — H₂CO₃; SiO₂ — H₂SiO₃.
Гидроксиды — это основания и кислородсодержащие кислоты, которые формально можно получить присоединением воды к оксиду (например, SO₃ + H₂O = H₂SO₄).
§ 23. Проверьте свои знания.
3. Назовите основные способы получения оксидов и проиллюстрируйте их уравнениями реакций.
1) Взаимодействие простых веществ (металлов и неметаллов) с кислородом: 2Mg + O₂ = 2MgO (при нагревании); S + O₂ = SO₂↑; 4P + 5O₂ = 2P₂O₅.
2) Взаимодействие (горение) сложных веществ с кислородом: 2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂↑ (обжиг, при нагревании); CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ + 2H₂O.
3) Разложение при нагревании гидроксидов (нерастворимых оснований и кислородсодержащих кислот) и солей: Fe(OH)₂ = FeO + H₂O; H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O; CaCO₃ = CaO + CO₂↑ (все реакции при нагревании).
2) Взаимодействие (горение) сложных веществ с кислородом: 2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂↑ (обжиг, при нагревании); CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ + 2H₂O.
3) Разложение при нагревании гидроксидов (нерастворимых оснований и кислородсодержащих кислот) и солей: Fe(OH)₂ = FeO + H₂O; H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O; CaCO₃ = CaO + CO₂↑ (все реакции при нагревании).
§ 23. Примените свои знания.
4. Запишите формулы оксидов, соответствующих следующим гидроксидам: а) серной кислоте H₂SO₄; б) марганцовой кислоте HMnO₄; в) гидроксиду железа(III); г) гидроксиду свинца(IV); д) хлорной кислоте HClO₄
Оксид, соответствующий гидроксиду, имеет ту же степень окисления элемента; его формулу получают «вычитанием» воды из формулы гидроксида.
а) H₂SO₄: сера(VI), оксид SO₃ (H₂SO₄ − H₂O = SO₃).
б) HMnO₄: марганец(VII), оксид Mn₂O₇ (2HMnO₄ − H₂O = Mn₂O₇).
в) Fe(OH)₃: железо(III), оксид Fe₂O₃ (2Fe(OH)₃ − 3H₂O = Fe₂O₃).
г) Pb(OH)₄: свинец(IV), оксид PbO₂ (Pb(OH)₄ − 2H₂O = PbO₂).
д) HClO₄: хлор(VII), оксид Cl₂O₇ (2HClO₄ − H₂O = Cl₂O₇).
а) H₂SO₄: сера(VI), оксид SO₃ (H₂SO₄ − H₂O = SO₃).
б) HMnO₄: марганец(VII), оксид Mn₂O₇ (2HMnO₄ − H₂O = Mn₂O₇).
в) Fe(OH)₃: железо(III), оксид Fe₂O₃ (2Fe(OH)₃ − 3H₂O = Fe₂O₃).
г) Pb(OH)₄: свинец(IV), оксид PbO₂ (Pb(OH)₄ − 2H₂O = PbO₂).
д) HClO₄: хлор(VII), оксид Cl₂O₇ (2HClO₄ − H₂O = Cl₂O₇).
§ 23. Примените свои знания.
5. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: а) Ca → CaO → Ca(OH)₂ → CaCl₂; б) Cu → CuO → CuSO₄ →(+NaOH) Cu(OH)₂ → CuO → Cu; в) фосфор → оксид фосфора(V) → фосфорная кислота → фосфат калия; г) кремний → оксид кремния(IV) → силикат натрия →(+HCl) кремниевая кислота → оксид кремния(IV)
а) 1) 2Ca + O₂ = 2CaO (горение);
2) CaO + H₂O = Ca(OH)₂;
3) Ca(OH)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O.
б) 1) 2Cu + O₂ = 2CuO (при нагревании);
2) CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O (при нагревании);
3) CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄ (голубой осадок);
4) Cu(OH)₂ = CuO + H₂O (при нагревании, осадок чернеет);
5) CuO + H₂ = Cu + H₂O (при нагревании, чёрный порошок становится красным).
в) 1) 4P + 5O₂ = 2P₂O₅;
2) P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄;
3) H₃PO₄ + 3KOH = K₃PO₄ + 3H₂O.
г) 1) Si + O₂ = SiO₂ (при нагревании);
2) SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O (при сплавлении, t);
3) Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃↓ + 2NaCl (студенистый осадок);
4) H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O (при нагревании).
2) CaO + H₂O = Ca(OH)₂;
3) Ca(OH)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O.
б) 1) 2Cu + O₂ = 2CuO (при нагревании);
2) CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O (при нагревании);
3) CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄ (голубой осадок);
4) Cu(OH)₂ = CuO + H₂O (при нагревании, осадок чернеет);
5) CuO + H₂ = Cu + H₂O (при нагревании, чёрный порошок становится красным).
в) 1) 4P + 5O₂ = 2P₂O₅;
2) P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄;
3) H₃PO₄ + 3KOH = K₃PO₄ + 3H₂O.
г) 1) Si + O₂ = SiO₂ (при нагревании);
2) SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O (при сплавлении, t);
3) Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃↓ + 2NaCl (студенистый осадок);
4) H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O (при нагревании).
§ 23. Примените свои знания.
6. Какой объём углекислого газа (н. у.) образуется при взаимодействии 730 г 20%-ной соляной кислоты с необходимым количеством мрамора?
Какое количество вещества карбоната кальция потребуется для реакции?
Дано: m(р-ра HCl) = 730 г; w(HCl) = 20 % (0,2). Мрамор — CaCO₃.
Найти: V(CO₂) — ?; n(CaCO₃) — ?
Решение: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑.
m(HCl) = 730 г · 0,2 = 146 г.
M(HCl) = 1 + 35,5 = 36,5 г/моль; n(HCl) = 146 г : 36,5 г/моль = 4 моль.
По уравнению n(CaCO₃) : n(HCl) : n(CO₂) = 1 : 2 : 1, поэтому n(CaCO₃) = n(CO₂) = 4 моль : 2 = 2 моль.
V(CO₂) = n · Vm = 2 моль · 22,4 л/моль = 44,8 л.
Ответ: V(CO₂) = 44,8 л; n(CaCO₃) = 2 моль.
Найти: V(CO₂) — ?; n(CaCO₃) — ?
Решение: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑.
m(HCl) = 730 г · 0,2 = 146 г.
M(HCl) = 1 + 35,5 = 36,5 г/моль; n(HCl) = 146 г : 36,5 г/моль = 4 моль.
По уравнению n(CaCO₃) : n(HCl) : n(CO₂) = 1 : 2 : 1, поэтому n(CaCO₃) = n(CO₂) = 4 моль : 2 = 2 моль.
V(CO₂) = n · Vm = 2 моль · 22,4 л/моль = 44,8 л.
Ответ: V(CO₂) = 44,8 л; n(CaCO₃) = 2 моль.
§ 23. Используйте дополнительную информацию.
7. Подготовьте сообщение о свойствах и областях применения одного из оксидов металла или неметалла. Аргументируйте выбор оксида.
Сообщение: оксид кремния(IV) SiO₂. Выбор: это один из самых распространённых оксидов — на него приходится более половины массы земной коры, а применяется он очень широко. В природе встречается в виде кварца, горного хрусталя, аметиста, речного песка, кремня. Это твёрдое тугоплавкое бесцветное кристаллическое вещество (температура плавления около 1700 °C), нерастворимое в воде и не реагирующее с водой. Химически SiO₂ — кислотный оксид: при сплавлении со щелочами и карбонатами он образует силикаты (SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O), с основными оксидами даёт соли (CaO + SiO₂ = CaSiO₃). Из кислот он реагирует только с плавиковой, поэтому её хранят не в стеклянной посуде. Песок и кварц — сырьё для производства стекла, керамики, цемента и кирпича. Кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолета и устойчиво к нагреванию, из него делают лабораторную посуду и лампы. Из очень чистого SiO₂ вытягивают оптические волокна для связи, а из кремния, полученного из него, — микросхемы и солнечные батареи. Кристаллы кварца применяют в часах и радиоэлектронике, а горный хрусталь, аметист и агат — ювелирные и поделочные камни. Оговорка: выбор оксида свободный; можно подготовить сообщение, например, об оксиде углерода(IV) или оксиде алюминия.
§ 24. Вопрос в начале параграфа. Вспомните названия изученных оснований и их состав. Какая группа атомов объединяет основания?
Как она влияет на их общие химические свойства?
Мы знаем основания: гидроксид натрия NaOH, гидроксид калия KOH, гидроксид кальция Ca(OH)₂, гидроксид бария Ba(OH)₂, гидроксид меди(II) Cu(OH)₂, гидроксид железа(III) Fe(OH)₃. Все они состоят из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH. Именно гидроксогруппа определяет общие свойства оснований: щёлочи (растворимые основания) меняют окраску индикаторов — фенолфталеин становится малиновым, лакмус синим; основания реагируют с кислотами (реакция нейтрализации) и с кислотными оксидами; нерастворимые основания при нагревании разлагаются на оксид металла и воду.