Контрольные задания по Теме 4

Тема 4. Характерные химические свойства оксидов

I. Общие свойства оксидов различных классов:

Основные оксиды

1. С водой реагируют только те основные оксиды, которым соответствуют растворимые основания. Это оксиды щелочных и щелочноземельных металлов (кроме BeO и MgO), например:

K₂O + H₂O = 2KOH

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

При этом образуются щелочи – сильные растворимые основания.

2. С кислотами основные оксиды образуют соль и воду, например:

MgO + 2HCl = MgCl₂ + H₂O

ZnO + 2HNO₃ = Zn(NO₃)₂ + H₂O

Следует помнить, что с сильными и со средней силы кислотами (серной, соляной, азотной, бромоводородной, уксусной и др.) реагируют практически все основные оксиды. Со слабыми, неустойчивыми кислотами (например сернистой, угольной и др.) реагируют только оксиды щелочных и щелочноземельных металлов.

3. С кислотными оксидами основные оксиды реагируют с образованием соли, например:

NiO + SO₃ = NiSO₄

Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃

При написании этих реакций нужно понимать, что образуется соль кислоты, которой соответствует данный кислотный оксид (см. раздел «Кислотные оксиды» данного пособия). Поэтому с кислотными оксидами слабых кислот (CO₂, SO₂ и т.п.) реагируют только оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Реакции с малоактивным, нерастворимым в воде кислотным оксидом SiO₂ протекает только при высокой температуре (сплавлении):

Na₂O + SiO₂ Na₂SiO₃

4. С амфотерными оксидами (а также с амфотерными гидроксидами) реакция протекает также только при сплавлении:

K₂O + ZnO K₂ZnO₂

Na₂O + Al(OH)₃ NaAlO₂

CaO + Al₂O₃ Ca(AlO₂)₂

Кислотные оксиды

1. С водой. С водой реагируют все кислотные оксиды кроме оксида кремния SiO₂, например:

N₂O₅ + H₂O = 2HNO₃

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

Mn₂O₇ + H₂O = H₂SO₄

CrO₃ + H₂O = H₂CrO₄ (избыток воды)

2CrO₃ + H₂O = H₂Cr₂O₇ (недостаток воды)

2. С основными оксидами образуется соль соответствующей кислотному оксиду кислоты (см. также раздел Основные оксиды данного пособия):

CO₂ + CaO = CaCO₃

SiO₂ + FeO FeSiO₃

3. С основаниями образуется соль соответствующей кислотному оксиду кислоты и вода:

SO₂ + 2NaOH = Na₂SO₃ + H₂O

в зависимости от соотношения реагентов, могут образовываться как средние, так и кислые соли:

CO₂ + KOH = КНСО₃

СО₂ + 2КОН = К₂СО₃ + Н₂О

4. С амфотерными оксидами (и гидроксидами) с видимой скоростью реагируют только ангидриды сильных кислот:

SO₃ + ZnO = ZnSO₄

3N₂O₅ + 2Al(OH)₃ = 2Al(NO₃)₃ + 3H₂O

5. С солями, если образуется или более слабая, или менее растворимая, или более летучая кислота, чем та, которой соответствует реагирующий кислотный оксид, например:

более слабая:

2ClO₂ + Na₂CO₃ = NaClO₂ + NaClO₃ + CO₂

менее растворимая:

CO₂ + K₂SiO₃ = K₂CO₃ + SiO₂¯

(эта реакция протекает в растворе, можно записать, что образуется кремневая кислота:

CO₂ + H₂O + K₂SiO₃ = K₂CO₃ + H₂SiO₃¯)

более летучая кислота:

(это имеет значения при высоких температурах – сплавлении):

SiO₂ + K₂CO₃ K₂SiO₃ + CO₂

Al₂O₃ + 2NaHCO₃ 2NaAlO₂ + H₂O + 2CO₂

6. С «собственными» средними солями в растворе с образованием кислых солей:

SO₂ + H₂O + Na₂SO₃ = 2Na₂SO₃

CO₂ + H₂O + CaCO₃ = Ca(HCO₃)₂

7. С некоторыми кислотами, например, нужно запомнить, что оксид фосфора (V) реагирует с азотной кислотой:

P₂O₅ + 2HNO₃ = 2HPO₃ + N₂O₅

Эта реакция возможна, так как P₂O₅ очень активно взаимодействует с водой, способен извлекать воду из других соединений. Кроме того, в реакции образуется газообразное вещество N₂O₅.

Амфотерные оксиды

Все амфотерные оксиды нерастворимые, малоактивные вещества. Они могут реагировать в обычных условиях только с высокоактивными веществами: с гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов, с сильными кислотами и их ангидридами. При высокой температуре возможны также реакции с менее активными оксидами (основными, кислотными и амфотерными). Рассмотрим каждый случай подробно.

1. С растворами щелочей (гидроксидов щелочных металлов, кальция, стронция и бария) амфотерные оксиды образуют комплексные соли. В кодификаторе указано, что необходимо знать комплексные соли цинка и алюминия:

ZnO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Zn(OH)₄]

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

или

Al₂O₃ + 6NaOH + 3H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆]

В этих реакциях образуются так называемые гидроксокомплексы: тетрагидроксоцинкат натрия Na₂[Zn(OH)₄], тетрагидроксоалюминат натрия Na[Al(OH)₄] или гексагидроксоалюминат натрия Na₃[Al(OH)₆]. Основная сложность в составлении формул этих солей – количество групп ОН в комплексном анионе. Обычно число групп ОН это удвоенная степень окисления металла, образующего комплексный ион, но следует запомнить, что в методических рекомендациях к ЕГЭ указано, что алюминий образует комплексный ион с четырьмя группами Na[Al(OH)₄]. Другие амфотерные оксиды образуют подобные комплексные соли:

BeO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Be(OH)₄]

Cr₂O₃ + 6NaOH + 3H₂O = 2Na₃[Cr(OH)₆]

2. С сильными кислотами амфотерные оксиды реагируют как основные:

ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O

BeO + 2HCl = BeCl₂ + H₂O

Со слабыми кислотами и их ангидридами в обычных условиях амфотерные оксиды не реагируют.

3. При высокой температуре (при сплавлении) амфотерные оксиды могут реагировать со многими оксидами: с основными оксидами (гидроксидами) образуются соли, содержащие амфотерный металл в анионе:

Al₂O₃ + Na₂O = 2NaAlO₂

Al₂O₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + H₂O

с кислотными оксидами образуются соли, содержащие амфотерный металл в катионе:

PbO + SiO₂ = PbSiO₃

С другими амфотерными оксидами также образуются соли:

ZnO + Fe₂O₃ = ZnFe₂O₄

II. Другие свойства оксидов (Свойства оксидов, вне зависимости от класса)

1. Окисление оксидов (взаимодействие с кислородом). С кислородом взаимодействуют оксиды, образованные элементом не в высшей степени окисления, например:

2CO + O₂ = 2CO₂

2SO₂ + O₂ = 2SO₃

4FeO + O₂ = 2Fe₂O₃

2. Восстановление оксидов. Большое значение имеет промышленное получение металлов из оксидов. В качестве восстановителей могут быть применены различные вещества: углерод, оксид углерода, газ водород, более активные металлы, аммиак.

а) Углерод – наиболее дешевый восстановитель. Его используют при выплавке металлов, которые или не образуют карбиды, или образуют неустойчивые карбиды. Восстановление углеродом используется для промышленного получения железа, меди, цинка, олова, свинка, кадмия, германия.

Металлургия железа (доменный процесс) описана в школьном учебнике. Для написания ЕГЭ надо помнить следующие реакции:

C + O₂ CO₂

CO₂ + C 2CO

Именно оксид углерода (II) в основном восстанавливает железо в доменном процессе:

3CO + Fe₂O₃ 2Fe + 3CO₂

Железо может быть восстановлено и самим углеродом:

3C + Fe₂O₃ 2Fe + 3CO

Обратим внимание, что при высокой температуре углерод переходит в CO, а не в CO₂.

Процесс восстановления меди можно выразить реакциями:

CuO + CO Cu + CO₂

CuO + C Cu + CO

Некоторые элементы легко образуют карбиды, поэтому их нельзя получить в виде металла при восстановлении углеродом, например

2Al₂O₃ + 9C Al₄C₃ + 6CO

WO₃ + 4C WC + 3CO

б) Водород. Некоторые малоактивные металлы (например, молибден, вольфрам) получают восстановлением водородом:

WO₃ + 3H₂ W + 3H₂O

Следует помнить, что углеродом, оксидом углерода (II) и водородом можно получить из оксидов только металлы средней активности – стоящие в ряду активности после алюминия. Более активные металлы (в том числе и алюминий) в промышленности получают электролизом расплавов, а также методом металлотермии.

в) Более активные металлы. Металлотермия – способ получения менее активных металлов из их соединений восстановлением другими металлами, более химически активными. В качестве более активного металла применяют алюминий, магний, кальций, натрий. Металлотермия – основной способ получения марганца, титана, хрома:

Cr₂O₃ + 2Al 2Cr + Al₂O₃

3. Взаимодействие с аммиаком / гидратом аммиака.

а) В водном растворе аммиака растворяются некоторые оксиды и гидроксиды d -металлов, например оксиды серебра и меди. Это возможно за счет образования комплексных соединений:

Ag₂O + 4NH₃·H₂O = 2[Ag(NH₃)₂]OH + H₂O

Cu(OH)₂ + 4NH₃·H₂O = 2[Cu(NH₃)₄](OH)₂ + 4H₂O

Образуются так называемые аммиачные растворы оксида серебра и меди, широко известные реактивы в органической химии.

б) При нагревании газообразный аммиак восстанавливает оксиды малоактивных металлов:

3CuO + 2NH₃ 3Cu + N₂ + 3H₂O

3PbO + 2NH₃ 3Pb + N₂ + 3H₂O

в) Безводный аммиак – очень слабая кислота, которая может образовывать соли (амиды) только с очень активными щелочными металлами. Реакция может протекать как с металлами, так и с оксидами и гидридами:

2Na + 2NH₃ = 2NaNH₂ + H₂

Na₂O + 2NH₃ = NaNH₂ + NaOH

NaH + 2NH₃ = NaNH₂ + H₂

4. Разложение оксидов при нагревании