Разберём химические свойства основных, амфотерных и кислотных оксидов. Понимание базовых принципов взаимодействия веществ избавит от необходимости заучивать уравнения наизусть. После изучения статьи ты сможешь уверенно определять продукты реакций и решать задания из экзамена.
Задания ЕГЭ, где встречается тема
Понимание свойств и способов получения оксидов проверяется сразу в нескольких линиях контрольно-измерительных материалов ЕГЭ по химии:
- Классификация неорганических веществ (задание 5). Здесь оценивается умение отличать солеобразующие оксиды от несолеобразующих, а кислотные — от амфотерных.
- Химические свойства неорганических веществ (задания 7 и 8). В условии дают список реагентов и просят найти пары, между которыми протекает реакция, или сопоставить реагенты с продуктами.
- Генетическая связь неорганических веществ (задание 9). Оценивается способность найти неизвестное вещество $X$ или $Y$ в цепочке превращений.
- Задания второй части (29, 31). Требуется умение писать уравнения со сложными окислительно-восстановительными переходами или реакциями комплексообразования.
Ошибки чаще всего возникают при анализе свойств амфотерных оксидов из-за разницы между реакциями в расплаве и в растворе. Также сложности вызывают окислительно-восстановительные свойства соединений элементов в промежуточных степенях окисления, например оксида железа(II).
Общие представления об оксидах
Оксиды — это сложные бинарные вещества, состоящие из атомов двух химических элементов, один из которых — кислород в степени окисления $-2$.
По физическим свойствам оксиды очень разнообразны. Среди них есть газы ($CO_2$, $SO_2$), жидкости ($H_2O$, $Mn_2O_7$) и твёрдые вещества ($CuO$, $SiO_2$, $P_2O_5$).
Все оксиды делятся на солеобразующие и несолеобразующие. Солеобразующие делятся на три большие группы.
| Классификация | Какие химические элементы образуют | Примеры веществ |
|---|---|---|
| Несолеобразующие | Неметаллы в низких степенях окисления ($+1$, $+2$) | $N_2O,\, NO,\, CO,\, SiO$ |
| Основные | Металлы со степенью окисления $+1$, $+2$ (исключения: $ZnO$, $BeO$, $PbO$, $SnO$) | $Na_2O,\, CaO,\, CuO,\, FeO$ |
| Амфотерные | Металлы со степенью окисления $+3$, $+4$ и металлы-исключения со степенью окисления $+2$ ($Zn$, $Be$, $Pb$, $Sn$) | $Al_2O_3,\, Cr_2O_3,\, ZnO,\, BeO,\, MnO_2$ |
| Кислотные | Неметаллы (кроме несолеобразующих) и металлы в высоких степенях окисления ($+5$, $+6$, $+7$) | $SO_2,\, SO_3,\, P_2O_5,\, CO_2,\, CrO_3,\, Mn_2O_7$ |
Химические свойства основных оксидов
Основные оксиды реагируют с кислотами и кислотными оксидами, а также могут вступать в окислительно-восстановительные реакции.
Реакции с простыми веществами
Основные оксиды реагируют с сильными восстановителями, такими как углерод, водород, активные металлы.
Это реакции получения чистых металлов из их руд. Оксиды активных металлов в такие реакции не вступают.
$CuO + H_2 \xrightarrow{t^o} Cu + H_2O$
$2CuO + C \xrightarrow{t^o} 2Cu + CO_2$
$3Fe_3O_4 + 8Al \xrightarrow{t^o} 9Fe + 4Al_2O_3$
Если металл в оксиде находится не в высшей степени окисления, такой оксид способен окисляться кислородом:
$4FeO + O_2 \xrightarrow{t^o} 2Fe_2O_3$
Реакции с водой
Щелочные и щёлочноземельные металлы образуют оксиды, которые бурно растворяются в воде с образованием щелочей. Оксиды малоактивных металлов с водой не реагируют ($CuO$, $FeO$, $Ag_2O$).
$Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH$
$BaO + H_2O \rightarrow Ba(OH)_2$
Реакции с другими оксидами
Оксиды активных металлов (щелочных и щёлочноземельных) реагируют с кислотными или амфотерными оксидами, в результате образуется соль.
$CaO + CO_2 \rightarrow CaCO_3$
$Na_2O + Al_2O_3 \xrightarrow{t^o} 2NaAlO_2$
Оксиды неактивных металлов (например, $CuO$) не реагируют с амфотерными оксидами. Среди кислотных оксидов они могут реагировать только с теми, которые соответствуют сильным кислотам ($SO_3,\, N_2O_5$).
$CuO + SO_3 = CuSO_4$
С другими основными оксидами эти вещества не взаимодействуют.
Реакции с кислотами-неокислителями
Протекает реакция обмена с образованием соли и воды.
$CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$
$FeO + H_2SO_4 \text{ (разбавленная)} \rightarrow FeSO_4 + H_2O$
В реакции железной окалины с кислотами-неокислителями образуются сразу две соли:
$Fe_3O_4 + 8HBr \rightarrow FeBr_2 + 2FeBr_3 + 4H_2O$
Реакции с кислотами-окислителями
Если металл в основном оксиде находится в максимальной степени окисления, протекает обычный обмен:
$CuO + 2HNO_3 \text{ (концентрированная)} \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$
Если степень окисления металла можно повысить, кислота-окислитель забирает электроны, и протекает окислительно-восстановительная реакция. Это классическая экзаменационная ловушка, в которой часто забывают повысить степень окисления железа.
$3FeO + 10HNO_3 \text{ (разбавленная)} \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + NO + 5H_2O$
$2FeO + 4H_2SO_4 \text{ (концентрированная)} \xrightarrow{t^o} Fe_2(SO_4)_3 + SO_2 + 4H_2O$
Реакции с основаниями и солями
С щелочами и нерастворимыми основаниями основные оксиды не реагируют. Реакции с солями также не протекают, немногочисленные исключения не входят в кодификатор школьного экзамена.
Реакции с амфотерными гидроксидами
При сплавлении основные оксиды вытесняют воду из амфотерных гидроксидов, в результате образуются соли.
$Na_2O + 2Al(OH)_3 \xrightarrow{t^o} 2NaAlO_2 + 3H_2O$
Химические свойства кислотных оксидов
Кислотные оксиды — противоположность основным. Они реагируют с основаниями и основными оксидами.
Реакции с простыми веществами
Некоторые кислотные оксиды способны взаимодействовать с сильными восстановителями.
$CO_2 + 2Mg \xrightarrow{t^o} 2MgO + C$
$SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t^o} Si + 2MgO$
$CO_2 + C \xrightarrow{t^o} 2CO$
Реакции с водой
Почти все кислотные оксиды растворяются в воде, образуя кислоту. Исключением является диоксид кремния ($SiO_2$).
$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$
$P_2O_5 + 3H_2O \xrightarrow{t^o} 2H_3PO_4$
При растворении оксида азота(IV) в горячей воде происходит диспропорционирование:
$3NO_2 + H_2O \xrightarrow{t^o} 2HNO_3 + NO$
В присутствии кислорода вещество полностью переходит в азотную кислоту:
$4NO_2 + 2H_2O + O_2 \rightarrow 4HNO_3$
Реакции с другими оксидами
Кислотные оксиды, соответствующие сильным кислотам ($SO_3,\, N_2O_5$), взаимодействуют со всеми основными и амфотерными оксидами, образуя соль.
$SO_2 + CaO \rightarrow CaSO_3$
$3SO_3 + Al_2O_3 \rightarrow Al_2(SO_4)_3$
Остальные кислотные оксиды реагируют только с оксидами активных металлов.
С другими кислотными реагентами реакция не протекает.
Реакции с кислотами
По общему правилу кислотные оксиды с кислотами не реагируют. Однако возможны реакции, если вещество дополнительно окисляется. В рамках обычного обмена таких реакций нет.
$SO_2 + 2HNO_3 \text{ (концентрированная)} \rightarrow H_2SO_4 + 2NO_2$
Реакции с основаниями
При реакции кислотного оксида со щёлочью образуется соль и вода. Если щёлочи недостаток, образуется кислая соль.
$CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
(средняя соль, щёлочь в избытке)
$CO_2 + NaOH \rightarrow NaHCO_3$
(кислая соль, оксид в избытке)
Реакции с амфотерными гидроксидами
$SO_3$ и $N_2O_5$ реагируют с амфотерными гидроксидами с образованием солей.
$3SO_3 + 2Al(OH)_3 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2O$
Реакции с солями
Менее летучие кислотные оксиды при нагревании вытесняют более летучие из их солей.
Пример — вытеснение углекислого газа диоксидом кремния из карбонатов.
$CaCO_3 + SiO_2 \xrightarrow{t^o} CaSiO_3 + CO_2 \uparrow$
Химические свойства амфотерных оксидов
Амфотерные оксиды обладают двойственной природой. В кислой среде они ведут себя как основные оксиды, а в щелочной — как кислотные. Важнейшие примеры: $Al_2O_3$, $ZnO$, $Cr_2O_3$, $BeO$.
Реакции с простыми веществами
Аналогично основным оксидам, эти соединения восстанавливаются углеродом, угарным газом, водородом или более активными металлами.
$ZnO + C \xrightarrow{t^o} Zn + CO$
$Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t^o} 2Cr + Al_2O_3$
Реакции с водой
Амфотерные оксиды нерастворимы в воде и не реагируют с ней.
Невозможно добавить воду к оксиду цинка и получить гидроксид цинка.
Реакции с другими оксидами
Оксиды этого типа реагируют как с кислотными ($SO_3,\, N_2O_5$), так и с основными соединениями (оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов), но не реагируют между собой.
$ZnO + SO_3 \xrightarrow{t^o} ZnSO_4$
$Al_2O_3 + CaO \xrightarrow{t^o} Ca(AlO_2)_2$
Реакции с кислотами
Ведут себя как типичные основные оксиды, в результате реакции получается соль и вода.
$Al_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2O$
$ZnO + 2HNO_3 \text{ (разбавленная)} \rightarrow Zn(NO_3)_2 + H_2O$
Реакции с основаниями
Продукты взаимодействия амфотерных оксидов со щелочами зависят от условий проведения реакции, а именно от среды — расплавленной или водной.
При сплавлении с щелочами образуется средняя соль и вода:
$Al_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t^o} 2NaAlO_2 + H_2O$
$ZnO + 2NaOH \xrightarrow{t^o} Na_2ZnO_2 + H_2O$
При кипячении в водном растворе получаются комплексные соли. Вода участвует в реакции и выступает стабилизатором комплекса:
$Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]$
$ZnO + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$
Реакции с солями
Так же, как нелетучий диоксид кремния, амфотерные оксиды способны при сплавлении вытеснять летучие газы из карбонатов и сульфитов.
$Al_2O_3 + K_2CO_3 \xrightarrow{t^o} 2KAlO_2 + CO_2 \uparrow$
$ZnO + Na_2SO_3 \xrightarrow{t^o} Na_2ZnO_2 + SO_2 \uparrow$
Химические свойства несолеобразующих оксидов
К несолеобразующим оксидам традиционно относят угарный газ ($CO$), оксид азота(I) ($N_2O$) и оксид азота(II) ($NO$).
Свойства угарного газа
Угарный газ является сильным восстановителем, что широко используется в металлургии.
$Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^o} 2Fe + 3CO_2$
Хорошо горит в кислороде:
$2CO + O_2 \xrightarrow{t^o} 2CO_2$
Взаимодействует с хлором на свету:
$CO + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} COCl_2$
При пропускании угарного газа через расплав щёлочи образуются формиаты:
$CO + NaOH \rightarrow HCOONa$
Свойства оксида азота(I)
Газ $N_2O$ активно поддерживает горение. При нагревании соединение разлагается на элементы, выделяя свободный кислород:
$2N_2O \xrightarrow{t^o} 2N_2 + O_2$
Свойства оксида азота(II)
Характерная реакция $NO$ — мгновенное окисление кислородом при обычных условиях до получения бурого газа:
$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$
Основные способы получения оксидов
Чаще всего оксиды получают путём взаимодействия простых веществ с кислородом или при разложении сложных соединений.
Горение простых веществ
Большинство металлов и неметаллов при сжигании в кислороде образуют оксиды. Для перевода серы в диоксид достаточно кислорода, а для синтеза триоксида потребуется катализатор.
$S + O_2 \rightarrow SO_2$
$2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO$
Горение бинарных соединений
При обжиге сульфидов образуется оксид металла и сернистый газ:
$4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t^o} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$
$2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t^o} 2ZnO + 2SO_2$
Горение водородных соединений также сопровождается оксидированием элементов:
$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$
$2H_2S + 3O_2 \rightarrow 2SO_2 + 2H_2O$
Доокисление оксидов в промежуточной степени окисления:
$2SO_2 + O_2 \xrightleftharpoons[t^o]{V_2O_5} 2SO_3$
$2CO + O_2 \xrightarrow{t^o} 2CO_2$
Разложение гидроксидов, карбонатов и нитратов
Оксиды синтезируют при термическом разложении нерастворимых оснований, некоторых кислот и солей.
- Гидроксиды: $Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^o} CuO + H_2O$, $2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t^o} Fe_2O_3 + 3H_2O$. Разлагается кремниевая кислота: $H_2SiO_3 \xrightarrow{t^o} SiO_2 + H_2O$.
- Нерастворимые карбонаты: $CaCO_3 \xrightarrow{t^o} CaO + CO_2$.
Особое внимание на ЕГЭ уделяется разложению нитратов. Продукты реакции зависят от активности исходного металла.
| Положение металла в электрохимическом ряду напряжений | Продукты разложения нитрата | Пример |
|---|---|---|
| Левее $Mg$ (до $Na$ включительно) | Нитрит металла + $O_2$ | $2NaNO_3 \xrightarrow{t^o} 2NaNO_2 + O_2$ |
| От $Mg$ до $Cu$ включительно и $Li$ | Оксид металла + $NO_2$ + $O_2$ | $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^o} 2CuO + 4NO_2 + O_2$ |
| Правее $Cu$ ($Ag$, $Pt$, $Au$) | Чистый металл + $NO_2$ + $O_2$ | $2AgNO_3 \xrightarrow{t^o} 2Ag + 2NO_2 + O_2$ |
Типичные ошибки на экзамене
Частые ошибки, за которые снимают баллы:
- Написание реакции $SiO_2 + H_2O \rightarrow H_2SiO_3$. Большинство кислотных оксидов реагирует с водой, поэтому возникает ошибка. $SiO_2$ в воде не растворяется, и такая реакция не протекает.
- Образование гидроксидов при реакции амфотерных оксидов с водой. Часто свойства активных щелочных металлов зеркально переносят на соединения других подгрупп. Амфотерные оксиды ($ZnO$, $Al_2O_3$) в воде не растворимы и с ней не взаимодействуют.
- Отсутствие изменения степеней окисления в реакции $FeO$ (или $Fe_3O_4$) с азотной кислотой. Основная ошибка — написание реакции обмена. Азотная кислота является мощным окислителем, поэтому железо в степени окисления $+2$ обязательно переходит в степень $+3$.
- Одинаковые продукты при реакции амфотерных оксидов со щелочами. Нужно проверять указание условий в задании: слова «раствор» или «расплав». В расплаве образуется средняя соль (например, $Na_2ZnO_2$). В водном растворе синтезируется комплекс (например, $Na_2[Zn(OH)_4]$).
Разбор заданий из ЕГЭ
Задание 1
Установите соответствие между формулой вещества и установленным списком реагентов, с каждым из которых это вещество может взаимодействовать: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Формула:
А) $CuO$.
Б) $SO_3$.
В) $ZnO$.Реагенты:
1. $AgNO_3,\, Na_3PO_4,\, Cl_2$.
2. $BaO,\, H_2O,\, KOH$.
3. $H_2,\, HCl,\, NH_3$.
4. $H_2O,\, CO_2,\, HCl$.
Оксид меди(II) из варианта А — основный оксид. С водой соединение не реагирует, со щелочами ($KOH$) не реагирует. Зато реагирует с кислотами ($HCl$) и восстанавливается газами ($H_2$, $NH_3$). Проверяем ряд 3:
$CuO + H_2 \rightarrow Cu + H_2O$
$CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$
$3CuO + 2NH_3 \rightarrow 3Cu + N_2 + 3H_2O$
Подходит вариант ответа 3.
Оксид серы(VI) из варианта Б — высший кислотный оксид. Вещество проявляет кислотные свойства, активно присоединяет воду, реагирует с основными оксидами и щелочами. В списке реагентов есть нужный набор воды и основных соединений. Это ряд 2.
$SO_3 + BaO \rightarrow BaSO_4$
$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$
$SO_3 + 2KOH \rightarrow K_2SO_4 + H_2O$
Подходит ряд 2.
Оксид цинка из варианта В — амфотерный оксид. Главное свойство — нерастворимость в воде при способности реагировать и с кислотами, и со щелочами. В рядах 2 и 4 есть вода — они не подходят. В ряду 1 собраны соли и хлор, с ними реакция не идёт. В ряду 3 собраны два восстановителя ($H_2$, $NH_3$) и кислота-неокислитель. Все они реагируют с амфотерным оксидом.
$ZnO + H_2 \rightarrow Zn + H_2O$
$ZnO + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2O$
$3ZnO + 2NH_3 \rightarrow 3Zn + N_2 + 3H_2O$
Ответ: 323.
Задание 2
Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами их взаимодействия: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Реагирующие вещества:
А) $CO_2 + CaO \rightarrow$
Б) $CO_2 + Ca(OH)_2 \text{ (избыток)} \rightarrow$
В) $CO_2 \text{ (избыток)} + Ca(OH)_2 \rightarrow$Продукты:
1. $CaCO_3$.
2. $CaCO_3 + H_2O$.
3. $Ca(HCO_3)_2$.
4. $CO + H_2$.
А. Кислотный оксид углерода(IV) реагирует с основным оксидом кальция по реакции соединения, в результате образуется средняя соль.
$CO_2 + CaO \rightarrow CaCO_3$. Подходит вариант 1.
Б. Реакция со щёлочью. Если щёлочи добавлено с избытком, образуется средняя соль и вода.
$CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$. Подходит вариант 2.
В. Если в избытке присутствует кислотный оксид, происходит образование кислой соли. Вода в этой реакции не выделяется.
$2CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$. Подходит вариант 3.
Ответ: 123.
Задание 3
Задана следующая схема превращений веществ:
$Cu \xrightarrow{X} CuO \xrightarrow{Y} Cu(NO_3)_2$.Определите, какие из указанных веществ являются веществами $X$ и $Y$:
1. $AgNO_3$
2. $O_2$
3. $N_2$
4. $NH_3$
5. $HNO_3$
Рассмотрим переход $Cu \rightarrow CuO$. Из простого металла получить оксид можно путём сжигания в кислороде. Из предложенного списка реагентов это вещество 2 ($O_2$).
$2Cu + O_2 \xrightarrow{t^o} 2CuO$. Вещество $X$ — 2.
Рассмотрим переход $CuO \rightarrow Cu(NO_3)_2$. Основный оксид переходит в соль азотной кислоты. Для этого на исходное вещество нужно подействовать азотной кислотой. В представленном списке это реагент 5 ($HNO_3$).
$CuO + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$. Вещество $Y$ — 5.
Ответ: 25.
Заключение
После изучения этого материала можно уверенно работать с оксидами на экзамене. Теперь ты умеешь классифицировать эти соединения, предсказывать продукты реакций с кислотами, щелочами и водой, а также учитывать условия протекания процессов. Чтобы закрепить тему, прорешай 8–10 разнотипных заданий на свойства оксидов в «100балльном банке».
