Как определить какой оксид обладает высшими свойствами

Номенклатура оксидов

В настоящее время при формировании названий оксидов пользуются правилами систематической номенклатуры. Однако до её появления, пока число известных соединений было не столь велико, широко использовалась тривиальная номенклатура, в которой названия веществ основаны не на особенностях их строения, а на внешнем виде или каких-то специфических свойствах именуемых объектов. Многие тривиальные названия распространены и в наше время.

На смену тривиальной номенклатуре пришла полусистематическая номенклатура. В полусистематических названиях веществ с помощью использования морфем пытались отразить особенности химического строения соединений. Применительно к оксидам вводились следующие названия: закись – для оксидов элементов в низких степенях окисления, окись – для более высоких степеней окисления. Кислотные оксиды часто рассматривали как продукты дегидратации соответствующих кислот и отражали это в виде названия ангидрид: $P_2O_5$ – фосфорный ангидрид, $SO_3$ – серный ангидрид и т.д.

Таблица 1

Формулы и названия некоторых оксидов в соответствии с тривиальной, полусистематической и систематической номенклатурой

КЛАССИФИКАЦИЯ ОКСИДОВ

Оксиды делятся на две большие группы: солеобразующие и несолеобразующие. Последние, как вытекает из названия, не образуют солей.

Основные оксиды взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды. Это оксиды металлов (кроме некоторых переходных металлов в высших степенях окисления), твердые вещества.

Основным оксидам соответствуют основания, в которых металл имеет такую же степень окисления, как в оксиде, при этом степень окисления равна числу гидроксильных групп.

Например, оксиду натрия $overset{+1}{Na}_2O$  соответствует гидроксид натрия $overset{+1}{Na}OH$;

оксиду кальция $overset{+2}{Ca}O$  соответствует гидроксид кальция $overset{+2}{Ca}(OH)_2$;

оксиду железа (II) $overset{+2}{Fe}O$  соответствует гидроксид железа (II)  $overset{+2}{Fe}(OH)_2$.

Кислотные оксиды взаимодействуют с щелочами с образованием соли и воды, им соответствуют кислоты. Это оксиды неметаллов ($mathrm{CO_2, SO_2, SO_3, N_2O_5}$) или переходных металлов в высших степенях окисления ($mathrm{CrO_3, Mn_2O_7}$).

Оксиду соответствует кислота в случае, если степень окисления элемента в обоих соединениях одинакова, при этом степень окисления кислотного остатка равна количеству атомов водорода.

Например, оксиду углерода (IV) $overset{+4}{C}O_2$ соответствует угольная кислота  $H_2overset{+4}{C}O_3$;

оксиду серы (IV) $overset{+4}{S}O_2$  соответствует сернистая кислота $H_2overset{+4}{S}O_3$;

оксиду серы (VI) $overset{+6}{S}O_3$  соответствует серная кислота $H_2overset{+6}{S}O_4$;

оксиду азота (V) $overset{+3}{N}_2O_3$ соответствует азотистая кислота $Hoverset{+3}{N}O_2$;

оксиду азота (V) $overset{+5}{N}_2O_5$ соответствует азотная кислота $Hoverset{+5}{N}O_3$;

оксиду азота (IV) $overset{+4}{N}O_2$ соответствует сразу две кислоты:  азотная —  $Hoverset{+5}{N}O_3$ и азотистая — $Hoverset{+3}{N}O_2$;  

оксиду хлора  (IV) $Cloverset{+4}O_2$ соответствует хлорноватая  $Hoverset{+3}{Cl}O_2$ и хлористая $Hoverset{+5}{Cl}O_3$  кислоты. 

Обратите внимание: если элемент в оксиде проявляет степень окисления, отличную от той, которую он проявляет в кислоте, такой оксид является несолеобразующим!

Например: углерод в угарном газе $overset{+2}{C}O$ проявляет степень окисления +2, в то время как в единственной кислоте, содержащей углерод,  $H_2overset{+4}{C}O_3$ его степень окисления равна +4. Поэтому оксид углерода (II) относится к несолеобразующим оксидам.

Амфотерные оксиды проявляют в зависимости от условий свойства основных или кислотных оксидов.

Им соответствуют амфотерные основания. 

Например, оксиду железа (III) $overset{+3}{Fe}_2O_3$  соответствует гидроксид железа (III)  $overset{+3}{Fe}(OH)_3$

оксиду алюминия $overset{+3}{Al}_2O_3$  соответствует гидроксид алюминия  $overset{+3}{Al}(OH)_3$

оксиду хрома (III) $overset{+3}{Cr}_2O_3$  соответствует гидроксид хрома (III)  $overset{+3}{Cr}(OH)_3$

В таблице представлены основные свойства кислотных, основных и амфотерных оксидов.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИДОВ

Основные и амфотерные оксиды при комнатной температуре – твердые вещества ($CaO$, $Fe_2O_3$ и др.); кислотные оксиды – твёрдые вещества ($P_2O_5$, $SiO_2$), жидкости ($SO_3$, $Сl_2О_7$ и др.) или газы ($NO_2$, $SO_2$ и др.). Все несолеообразующие оксиды являются газами, кроме $SiO$, который является твердым веществом. Однако, нужно помнить, что кремниевую кислоту $H_2SiO_3$ нельзя получить непосредственно из оксида кремния, добавляя воду! Эту кислоту можно получить косвенным путем из солей кремния  – силикатов.

Оксиды металлов могут быть окрашены в разные цвета: оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов обычно белого цвета, оксиды переходных металлов $Cr_2O_3$ – зеленый; $HgO$ – красно-оранжевый; $CuO$ – черный, а $Cu_2O$ – красный.

Оксид кремния $SiO_2$ – самое распространенное твердое вещество на Земле. Он входит в состав почвы (песок), горных пород и минералов. Драгоценные камни, такие как изумруд, сапфир, горный хрусталь имеют в своей структуре молекулы оксида кремния, при этом атомы кремния и кислорода образуют атомную кристаллическую решетку, и, поэтому представляют собой тугоплавкие, твердые, но хрупкие кристаллы правильной формы:

   Бурый газ (оксид азота(IV))           Оксид железа (III)                                 Оксид кремния

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИДОВ

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ ОКСИДОВ

* Взаимодействие основного оксида с водой протекает только в случае, если образуется растворимое основание, т.е. щелочь. В случае возможного образования нерастворимого основания реакция не идет, например:

$MgO + H_2O not = Mg(OH)_2 downarrow$

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОТНЫХ ОКСИДОВ

*Реакция не протекает в случае,если образуется нерастворимая кислота, например: $SiO_2 + H_2O not = H_2SiO_3 downarrow$

Кислотные оксиды образуют соли, соответствующие определенной кислоте. Если у элемента может быть две или более кислот, то следует ориентироваться на степень окисления этого элемента в оксиде и кислоте: она должна быть одинаковой. Для лучшего понимания превращений кислотных оксидов в соли советуем воспользоваться следующим алгоритмом (на примере взаимодействия оксида азота(V) с гидроксидом кальция): $N_2O_5 + Ca(OH)_2 rightarrow$

1) Определим степень окисления азота в оксиде: $overset{X}{N}_2 overset{-2}{O_5} $ X=10/2=+5

2) Вспомним, какие кислоты образует азот и определим в каждой его степень окисления:

$hspace{2cm} overset{+1}{H}overset{x}{N}overset{-2}{O_2}hspace{3cm} overset{+1}{H}overset{x}{N}overset{-2}{O_3}hspace{2cm}  $

$1cdot (+1) +1 cdot x + 2cdot(−2) = 0   hspace{0.5cm} 1cdot (+1) +1 cdot x + 3cdot(−2) = 0 $

$hspace{2cm} x = +3 hspace{3.2cm} x = +5$

Значит оксиду азота (V) соответствует азотная кислота, и $N_2O_5$ при взаимодействии с щелочами образует ее соли – нитраты ($NO_3^ – $):

$N_2O_5 + Ca(OH)_2 = Ca(NO_3)_2 + H_2O$

Воспользовавшись этим алгоритмом, можно составить следующие логические ряды:

$N_2O_5 rightarrow HNO_3$          ст.ок=+5     образует соли нитраты $NO_3^ – $

$ N_2O_3 rightarrow HNO_2$          ст.ок=+3     образует соли нитриты $NO_2^ –$

$P_2O_5 rightarrow H_3PO_4$       ст.ок=+5    образует соли нитраты $PO_4^{3 -}$ 

Для наглядного запоминания этого принципа можно воспользоваться таблицей, приведенной ниже.

Таблица. Формулы и названия кислот, кислотных остатков и соответствующих кислотных оксидов

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМФОТЕРНЫХ ОКСИДОВ

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДОВ

1) взаимодействие простых веществ с кислородом

$mathrm{2Ca + O_2 = 2CaO}$

$mathrm{S + O_2 = SO_2}$

2)  взаимодействие сложных веществ с кислородом

$mathrm{2ZnS + 3O_2 = 2ZnO + SO_2}$

3) разложение некоторых солей при нагревании

$mathrm{CaCO_3 =  CaO + CO_2}$

$mathrm{2CuSO_4 = 2CuO + 2SO_2 + O_2}$

Примечание: соли натрия и калия обычно не разлагаются с образованием оксидов. Подробнее смотрите тему “Разложение солей”

4) дегидратация кислот и нерастворимых оснований

$mathrm{ H_2SO_4 = SO_3 + H_2O}$

(точнее: $mathrm{3H_2SO_4 + P_2O_5 = 3SO_3uparrow + 2H_3PO_4}$) 

$mathrm{H_2SiO_3 = SiO_2 + H_2O}$

$mathrm{Cu(OH)_2 = CuO + H_2O}$

5) окисление одних оксидов и восстановление других

$mathrm{MnO_2 + 2H_2 = MnO + 2H_2O}$

$mathrm{2NO + O_2 = 2NO_2}$

$mathrm{Cr_2O_3 + 2Al = Al_2O_3 + 2Cr}$ (алюмотермия)

$mathrm{CuO + C = Cu + CO}$

При этом более активный металл вытесняет менее активный из его оксида. Для сравнения активности металлов следует использовать электрохимический ряд напряжения металлов.

6) вытеснение летучих оксидов из солей менее летучими

$mathrm{Na_2CO_3 + SiO_2  =  Na_2SiO_3 + CO_2uparrow}$