Оксиды: классификация, свойства и получение

Цели урока

• Систематизировать знания о классификации оксидов (основные, кислотные, амфотерные, несолеобразующие).
• Изучить химические свойства основных, кислотных и амфотерных оксидов.
• Научиться составлять уравнения химических реакций, характеризующих свойства оксидов.
• Отработать навыки решения заданий ЕГЭ по теме «Оксиды».

Зачем это нужно на ЕГЭ

Оксиды — один из ключевых классов неорганических веществ. Знание их свойств необходимо для успешного выполнения заданий:

• Задания 5–9 (базовый и повышенный уровни) проверяют умение классифицировать вещества, определять их принадлежность к определённому классу, составлять уравнения реакций, отражающих химические свойства.
• Задания 29–31 (высокий уровень) требуют составления окислительно-восстановительных реакций, реакций ионного обмена и схем генетических превращений с участием оксидов.

Без прочного понимания темы «Оксиды» невозможно получить высокий балл на ЕГЭ по химии.

Теория

Определение и общая формула

Оксиды — это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых — кислород в степени окисления –2.

Общая формула оксидов может быть представлена как $\text{Э}_x O_y$, где $x$ и $y$ — индексы, определяемые степенью окисления элемента.

Классификация оксидов

По способности образовывать соли оксиды делятся на:

1. Солеобразующие — взаимодействуют с кислотами или основаниями с образованием солей.
2. Несолеобразующие (безразличные) — не образуют солей при взаимодействии с кислотами и основаниями. К ним относятся: $CO$, $NO$, $N_2O$, $SiO$ (монооксид кремния).

Солеобразующие оксиды, в свою очередь, подразделяются на:

• Основные оксиды — им соответствуют основания. Образуются металлами в степенях окисления +1, +2 (реже +3). Примеры: $Na_2O$, $CaO$, $FeO$, $CuO$.
• Кислотные оксиды — им соответствуют кислоты. Образуются неметаллами и металлами в высоких степенях окисления (+5, +6, +7). Примеры: $CO_2$, $SO_3$, $P_2O_5$, $CrO_3$, $Mn_2O_7$.
• Амфотерные оксиды — проявляют свойства как основных, так и кислотных оксидов. Примеры: $Al_2O_3$, $ZnO$, $Cr_2O_3$, $BeO$, $PbO$.

Изменение кислотно-основных свойств оксидов

• В периодах слева направо основные свойства оксидов ослабевают, а кислотные — усиливаются.
• В главных подгруппах сверху вниз основные свойства оксидов усиливаются, а кислотные — ослабевают.
• Для одного элемента с увеличением степени окисления кислотные свойства оксидов усиливаются. Например, $CrO$ — основный, $Cr_2O_3$ — амфотерный, $CrO_3$ — кислотный.

Номенклатура оксидов

Названия оксидов образуются от русского названия элемента с добавлением суффиксов и окончаний:

• Если элемент имеет переменную степень окисления, в скобках римской цифрой указывается степень окисления: $FeO$ — оксид железа(II), $Fe_2O_3$ — оксид железа(III), $Cl_2O$ — оксид хлора(I), $Mn_2O_7$ — оксид марганца(VII).
• Широко используются тривиальные названия: $CO$ — угарный газ, $CO_2$ — углекислый газ, $SO_2$ — сернистый газ, $SiO_2$ — песок (кремнезём).
• Кислотные оксиды часто называют ангидридами соответствующих кислот: $SO_3$ — серный ангидрид, $P_2O_5$ — фосфорный ангидрид.

Химические свойства основных оксидов

1. Взаимодействие с водой — с образованием щелочей (только для оксидов щелочных и щелочноземельных металлов):

   $$Na_2O + H_2O = 2NaOH$$ $$CaO + H_2O = Ca(OH)_2$$

2. Взаимодействие с кислотными оксидами — с образованием солей:

   $$K_2O + CO_2 = K_2CO_3$$ $$CaO + SO_2 = CaSO_3$$ $$Na_2O + N_2O_5 = 2NaNO_3$$

3. Взаимодействие с кислотами — с образованием соли и воды:

   $$Na_2O + 2HCl = 2NaCl + H_2O$$ $$CuO + 2HNO_3 = Cu(NO_3)_2 + H_2O$$

Химические свойства кислотных оксидов

1. Взаимодействие с водой — с образованием кислот (кроме $SiO_2$):

   $$SO_3 + H_2O = H_2SO_4$$ $$P_2O_5 + 3H_2O = 2H_3PO_4$$ $$N_2O_5 + H_2O = 2HNO_3$$

2. Взаимодействие с основными оксидами — с образованием солей:

   $$SO_2 + K_2O = K_2SO_3$$ $$P_2O_5 + 3Na_2O = 2Na_3PO_4$$

3. Взаимодействие с основаниями — с образованием соли и воды:

   $$SO_2 + 2KOH = K_2SO_3 + H_2O$$ $$SiO_2 + 2KOH = K_2SiO_3 + H_2O$$

Химические свойства амфотерных оксидов

1. С водой — не взаимодействуют (в воде не растворяются).

2. Взаимодействие с кислотами — проявляют основные свойства:

   $$Al_2O_3 + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2O$$ $$ZnO + 2HNO_3 = Zn(NO_3)_2 + H_2O$$

3. Взаимодействие со щелочами — проявляют кислотные свойства:

   • При сплавлении: $$Al_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t} 2NaAlO_2 + H_2O$$
   • В растворе: $$Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O = 2Na[Al(OH)_4]$$

4. Взаимодействие с основными оксидами при сплавлении:

   $$Al_2O_3 + CaO \xrightarrow{t} Ca(AlO_2)_2$$

5. Взаимодействие с кислотными оксидами при сплавлении:

   $$ZnO + SiO_2 \xrightarrow{t} ZnSiO_3$$

Способы получения оксидов

1. Окисление простых веществ кислородом:

   $$2Ca + O_2 = 2CaO$$ $$C + O_2 = CO_2$$ $$4Al + 3O_2 = 2Al_2O_3$$

2. Термическое разложение некоторых кислот, оснований и солей:

   $$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO + H_2O$$ $$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow$$ $$H_2SiO_3 \xrightarrow{t} SiO_2 + H_2O$$

3. Окисление сложных веществ кислородом:

   $$4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8SO_2\uparrow$$

4. Взаимодействие металлов и неметаллов с кислотами-окислителями:

   $$Cu + 2H_2SO_4 \text{(конц.)} = CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$$ $$C + 2H_2SO_4 \text{(конц.)} = CO_2\uparrow + 2SO_2\uparrow + 2H_2O$$

5. Окисление низших оксидов в высшие или восстановление высших:

   $$2CO + O_2 = 2CO_2$$ $$Fe_2O_3 + C \xrightarrow{t} 2FeO + CO$$

6. Взаимодействие солей неустойчивых кислот с более сильными кислотами:

   $$CaCO_3 + 2HCl = CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$$ $$2KHSO_3 + H_2SO_4 = K_2SO_4 + 2SO_2\uparrow + 2H_2O$$

Примеры

Пример 1 (задание 5)

Установите соответствие между формулой оксида и его классификационной принадлежностью.

Решение:

• $NO$ — несолеобразующий оксид (Г).
• $Al_2O_3$ — амфотерный оксид (В).
• $SO_3$ — кислотный оксид (Б).
• $CaO$ — основный оксид (А).

Ответ: 1-Г, 2-В, 3-Б, 4-А.

Пример 2 (задание 6/7)

Оксид алюминия может реагировать с каждым из двух веществ:

1. $H_2O$ и $NaOH$
2. $HCl$ и $CaO$
3. $CO_2$ и $H_2SO_4$
4. $NaOH$ и $CO_2$

Решение: $Al_2O_3$ — амфотерный оксид, реагирует с кислотами, щелочами, основными и кислотными оксидами. С водой не реагирует. Правильный вариант: 2 ($HCl$ и $CaO$).

Ответ: 2.

Пример 3 (задание 29 — ОВР)

Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции:

$$Cu + HNO_3 \text{(конц.)} \rightarrow Cu(NO_3)_2 + NO_2 + H_2O$$

Решение:

1. Определим степени окисления: $Cu^0$ → $Cu^{+2}$ (восстановитель) $N^{+5}$ → $N^{+4}$ (окислитель)

2. Составим электронный баланс: $Cu^0 - 2e^- = Cu^{+2}$ | 1 $N^{+5} + 1e^- = N^{+4}$ | 2

3. Расставим коэффициенты:

   $$Cu + 4HNO_3 \text{(конц.)} = Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$$

Пример 4 (задание 31 — генетическая связь)

Осуществите превращения:

$$CaCO_3 \rightarrow CaO \rightarrow Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \rightarrow CO_2$$

Решение:

1. $CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow$
2. $CaO + H_2O = Ca(OH)_2$
3. $Ca(OH)_2 + CO_2 = CaCO_3\downarrow + H_2O$
4. $CaCO_3 + 2HCl = CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

Вопросы для самопроверки

Вопрос 1 (выбор нескольких ответов)

Какие из перечисленных оксидов являются кислотными?

• $Na_2O$
• $CO_2$
• $Al_2O_3$
• $SO_3$
• $CaO$
• $P_2O_5$

Ответ: $CO_2$, $SO_3$, $P_2O_5$.

Вопрос 2 (сопоставление)

Установите соответствие между формулой оксида и его характером.

Ответ: 1-Б, 2-В, 3-А.

Вопрос 3 (упорядочивание)

Расположите оксиды в порядке увеличения кислотных свойств: $SiO_2$, $CO_2$, $PbO_2$, $SO_3$

Ответ: $PbO_2$ < $SiO_2$ < $CO_2$ < $SO_3$ (усиление кислотных свойств в периодах и группах).

Вопрос 4 (расчётная задача)

Какой объём углекислого газа (н.у.) выделится при термическом разложении 100 г карбоната кальция, содержащего 10% примесей?

Ответ: $m(CaCO_3) = 100 \cdot 0.9 = 90$ г. $n(CaCO_3) = 90 / 100 = 0.9$ моль. $V(CO_2) = 0.9 \cdot 22.4 = 20.16$ л.

Краткий конспект

• Оксиды — сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых кислород в степени окисления –2.
• Классификация:
  • Несолеобразующие: $CO$, $NO$, $N_2O$, $SiO$.
  • Солеобразующие: основные ($Na_2O$, $CaO$), кислотные ($CO_2$, $SO_3$), амфотерные ($Al_2O_3$, $ZnO$).
• Основные оксиды реагируют с водой (щелочные и щелочноземельные), с кислотами, с кислотными оксидами.
• Кислотные оксиды реагируют с водой (кроме $SiO_2$), с основаниями, с основными оксидами.
• Амфотерные оксиды реагируют и с кислотами, и со щелочами (проявляют двойственные свойства).
• Способы получения: окисление простых и сложных веществ, термическое разложение солей, оснований и кислот, действие кислот на соли.
• Закономерности изменения свойств:
  • В периоде слева направо — основные свойства ослабевают, кислотные — усиливаются.
  • В группе сверху вниз — основные свойства усиливаются, кислотные — ослабевают.
  • С увеличением степени окисления элемента — кислотные свойства усиливаются.

Что изучать дальше

• Урок 14 «Основания и амфотерные гидроксиды» — их классификация, свойства и способы получения.
• Урок 15 «Кислоты: классификация, свойства и получение» — классификация, химические свойства, основные способы получения.
• Урок 16 «Соли: классификация и свойства» — классификация, свойства, генетическая связь между классами неорганических соединений.
• Урок 34 «Генетическая связь между классами неорганических соединений» — закрепление знаний о взаимопревращениях веществ разных классов.