Оксиды: виды, названия и химические свойства

Формулы CaO, CO₂, SO₃ и Fe₂O₃ на первый взгляд похожи: во всех присутствует кислород. Однако при добавлении воды первая даёт щёлочь, вторая образует кислоту, а третья с водой при обычных условиях почти не реагирует. Чтобы предсказывать такие различия, нужно определить тип оксида и учесть положение второго элемента в периодической системе.

Оксиды изучают в восьмом классе, а затем постоянно встречают в цепочках превращений, расчётных задачах и уравнениях реакций. Удобнее не заучивать каждое вещество отдельно, а видеть общую схему: оксиды металлов чаще обладают основными свойствами, оксиды неметаллов обычно кислотными, но из правила есть важные исключения.

Что такое оксиды

Слово «бинарные» означает, что в формуле есть два разных элемента. Например, MgO состоит из магния и кислорода, а P₂O₅ содержит фосфор и кислород. Вода H₂O тоже является оксидом водорода. При этом гидроксид натрия NaOH и серная кислота H₂SO₄ оксидами не называют: в них уже три элемента.

Главный признак оксида связан не просто с буквой O в записи. В пероксидах кислород имеет степень окисления −1, поэтому Na₂O₂ в школьной классификации не относят к обычным оксидам. В соединении OF₂ кислород, напротив, имеет положительную степень окисления, и это тоже не оксид. Такая проверка особенно полезна в заданиях с несколькими формулами.

Многие оксиды образуются при горении простых веществ в кислороде. Магний сгорает ослепительно белым пламенем: 2Mg + O₂ → 2MgO. При горении углерода может получиться CO₂, а при недостатке кислорода образуется CO. Оксиды возникают и при разложении некоторых солей, гидроксидов и кислот.

Как составлять формулы и называть оксиды

Формулу составляют по степеням окисления так, чтобы сумма зарядов была равна нулю. У кислорода в оксидах она равна −2. Если у алюминия степень окисления +3, наименьшее общее кратное для 3 и 2 равно 6. Два атома алюминия дают +6, три атома кислорода дают −6, поэтому формула имеет вид Al₂O₃. У калия степень окисления +1, отсюда K₂O.

Название обычно строят так: «оксид» и название второго элемента в родительном падеже. CaO называют оксидом кальция, SiO₂ называют оксидом кремния. Если элемент способен проявлять несколько степеней окисления, её указывают в скобках римской цифрой: FeO, оксид железа(II); Fe₂O₃, оксид железа(III). Степень окисления легко найти по кислороду: в Fe₂O₃ три атома кислорода дают суммарно −6, значит на два атома железа приходится +6, то есть по +3.

Основные и кислотные оксиды

Основными называют оксиды, которым соответствуют основания. Это преимущественно оксиды металлов с низкими степенями окисления: Na₂O, K₂O, CaO, BaO, CuO. Активные основные оксиды реагируют с водой, образуя щёлочи. Например: CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Оксид меди(II) CuO с водой не взаимодействует, но сохраняет основный характер и реагирует с кислотами.

Кислотные оксиды соответствуют кислотам. Их образуют главным образом неметаллы в высоких степенях окисления: CO₂, SO₂, SO₃, P₂O₅, N₂O₅, SiO₂. Часть из них соединяется с водой. Так, SO₃ + H₂O → H₂SO₄, а CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Кремнезём SiO₂ кислотный, хотя с водой при обычных условиях не реагирует. Класс определяет не одна реакция с водой, а совокупность свойств.

Основный оксид и кислота вступают в реакцию нейтрализации: CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. Кислотный оксид реагирует с основанием: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O. Эти два уравнения помогают запомнить направление реакций: соединения с противоположными свойствами обычно образуют соль и воду.

Амфотерные и несолеобразующие оксиды

Амфотерные оксиды проявляют и основные, и кислотные свойства. К важным школьным примерам относят BeO, ZnO, Al₂O₃, Cr₂O₃. Они реагируют и с кислотами, и с сильными основаниями. Оксид цинка взаимодействует с соляной кислотой: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O. В растворе гидроксида натрия он образует комплексную соль: ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄].

Амфотерность не следует понимать как одинаковую реакцию со всеми веществами. Часто нужны концентрированный раствор щёлочи, нагревание или избыток реагента. В школьных уравнениях достаточно помнить два направления: амфотерный оксид реагирует с кислотой подобно основному и со щёлочью подобно кислотному.

Несолеобразующими, или индифферентными, называют оксиды, которые не образуют солей в обычных реакциях с кислотами и основаниями. Наиболее известны CO, NO, N₂O. Угарный газ CO ядовит: он прочно связывается с гемоглобином и мешает переносу кислорода кровью. Поэтому его нельзя считать безобидным только потому, что он не проявляет кислотно-основных свойств.

Типичные химические свойства

Поведение оксида удобно рассматривать по типу. Основные оксиды реагируют с кислотами, а наиболее активные ещё и с водой. Кислотные оксиды взаимодействуют со щелочами и основаниями, некоторые из них дают кислоты с водой. Амфотерные вступают в реакции в обоих направлениях. Взаимодействие двух оксидов встречается реже, но возможно: CaO + SiO₂ → CaSiO₃ при нагревании.

При составлении уравнения сначала определяют продукты по классу веществ, затем расставляют коэффициенты. Например, CaO относится к основным оксидам, HNO₃ является кислотой. Значит ожидаются нитрат кальция и вода: CaO + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + H₂O. Если пытаться подбирать продукты без классификации, легко пропустить воду или записать неверную соль.

Не каждое теоретически возможное взаимодействие идёт в пробирке сразу. SiO₂ не реагирует с водой, а CO₂ с раствором щёлочи образует разные соли в зависимости от соотношения веществ. При избытке NaOH получается средняя соль Na₂CO₃, при избытке CO₂ возможен гидрокарбонат NaHCO₃. Условия реакции всегда стоит сверять с формулировкой задания.

Как распознать оксид в задании

Работайте последовательно. Сначала проверьте, что в формуле только два элемента. Затем убедитесь, что кислород имеет степень окисления −2. После этого определите второй элемент: металл или неметалл, его степень окисления и предполагаемый характер оксида. Для металлов полезно отдельно помнить амфотерные элементы, прежде всего алюминий, цинк и бериллий.

• Na₂O, CaO и CuO: основные оксиды.
• CO₂, SO₃ и P₂O₅: кислотные оксиды.
• Al₂O₃ и ZnO: амфотерные оксиды.
• CO, NO и N₂O: несолеобразующие оксиды.

Классификация оксидов связывает формулу с конкретными реакциями. Если вы определили тип вещества, то уже можете предсказать его взаимодействие с водой, кислотой или щёлочью и правильно назвать продукт. Для закрепления полезно сравнить это с тем, как строение и свойства вещества зависят от типа химической связи: формула показывает состав, а характер связей и класс вещества помогают объяснить поведение соединения.