Как составить уравнение реакции оксида металла с кислородом

2.4. Характерные химические свойства оксидов: основных, амфотерных, кислотных.

Прежде чем начать говорить про химические свойства оксидов, нужно вспомнить о том, что все оксиды делятся на 4 типа, а именно основные, кислотные, амфотерные и несолеобразующие. Для того чтобы определить тип какого-либо оксида, прежде всего нужно понять — оксид металла или неметалла перед вами, а затем воспользоваться алгоритмом (его надо выучить!), представленным в следующей таблице:

Помимо типов оксидов, указанных выше, введем также еще два подтипа основных оксидов, исходя из их химической активности, а именно активные основные оксиды и малоактивные основные оксиды.

• К активным основным оксидам отнесем оксиды щелочных и щелочноземельных металлов (все элементы IA и IIA групп, кроме водорода H, бериллия Be и магния Mg). Например, Na₂O, CaO, Rb₂O, SrO и т.д.
• К малоактивным основным оксидам отнесем все основные оксиды, которые не попали в список активных основных  оксидов. Например, FeO, CuO, CrO и т.д.

Логично предположить, что активные основные оксиды часто вступают в те реакции, в которые не вступают малоактивные.

Следует отметить, что несмотря на то что фактически вода является оксидом неметалла (H₂O), обычно ее свойства рассматривают в отрыве от свойств иных оксидов. Обусловлено это ее специфически огромным распространением в окружающем нас мире, в связи с чем в большинстве случаев вода является не реагентом, а средой, в которой может осуществляться бесчисленное множество химических реакций. Однако нередко она принимает и непосредственное участие в различных превращениях, в частности, некоторые группы оксидов с ней реагируют.

Какие оксиды реагируют с водой?

Из всех оксидов с водой реагируют только:

1) все активные основные оксиды (оксиды ЩМ и ЩЗМ);

2) все кислотные оксиды, кроме диоксида кремния (SiO₂);

т.е. из вышесказанного следует, что с водой точно не реагируют:

1) все малоактивные основные оксиды;

2) все амфотерные оксиды;

3) несолеобразующие оксиды (NO, N₂O, CO, SiO).

Способность определить то, какие оксиды могут реагировать с водой даже без умения писать соответствующие уравнения реакций, уже позволяет получить баллы за некоторые вопросы тестовой части ЕГЭ.

Теперь давайте разберемся, как же все-таки те или иные оксиды реагируют с водой, т.е. научимся писать соответствующие уравнения реакций.

Активные основные оксиды, реагируя с водой, образуют соответствующие им гидроксиды. Напомним, что соответствующим оксиду металла является такой гидроксид, который содержит металл в той же степени окисления, что и оксид. Так, например, при реакции с водой активных основных оксидов K⁺¹₂O и Ba⁺²O образуются соответствующие им гидроксиды K⁺¹OH и Ba⁺²(OH)₂:

K₂O + H₂O = 2KOH – гидроксид калия

BaO + H₂O = Ba(OH)₂ – гидроксид бария

Все гидроксиды, соответствующие активным основным оксидам (оксидам ЩМ и ЩЗМ), относятся к щелочам. Щелочами называют все хорошо растворимые в воде гидроксиды металлов, а также малорастворимый гидроксид кальция Ca(OH)₂ (как исключение).

Взаимодействие кислотных оксидов с водой так же, как и реакция активных основных оксидов с водой, приводит к образованию соответствующих гидроксидов. Только в случае кислотных оксидов им соответствуют не основные, а кислотные гидроксиды, чаще называемые кислородсодержащими кислотами. Напомним, что соответствующей кислотному оксиду является такая кислородсодержащая кислота, которая содержит кислотообразующий элемент в той же степени окисления, что и в оксиде.

Таким образом, если мы, например, хотим  записать уравнение взаимодействия кислотного оксида SO₃ с водой, прежде всего мы должны вспомнить основные, изучаемые в рамках школьной программы, серосодержащие кислоты. Таковыми являются сероводородная H₂S, сернистая H₂SO₃ и серная H₂SO₄ кислоты. Cероводородная кислота H₂S, как легко заметить, не является кислородсодержащей, поэтому ее образование при взаимодействии SO₃ с водой можно сразу исключить. Из кислот H₂SO₃ и H₂SO₄ серу в степени окисления +6, как в оксиде SO₃, содержит только серная кислота H₂SO₄. Поэтому именно она и будет образовываться в реакции SO₃ с водой:

H₂O + SO₃ = H₂SO₄

Аналогично оксид N₂O₅, содержащий азот в степени окисления +5, реагируя с водой, образует азотную кислоту HNO₃, но ни в коем случае не азотистую HNO₂, поскольку  в азотной кислоте степень окисления азота, как и в N₂O₅, равна +5, а в азотистой — +3:

N⁺⁵₂O₅ + H₂O = 2HN⁺⁵O₃

Взаимодействие оксидов друг с другом

Прежде всего нужно четко усвоить тот факт, что среди солеобразующих оксидов (кислотных, основных, амфотерных) практически никогда не протекают реакции между оксидами одного класса, т.е. в подавляющем большинстве случаев невозможно взаимодействие:

1) основный оксид + основный оксид ≠

2) кислотный оксид + кислотный оксид  ≠

3) амфотерный оксид + амфотерный оксид  ≠

В то время, как практически всегда возможно взаимодействие между оксидами, относящимися к разным типам, т.е. практически всегда протекают реакции между:

1) основным оксидом и кислотным оксидом;

2) амфотерным оксидом и кислотным оксидом;

3) амфотерным оксидом и основным оксидом.

В результате всех таких взаимодействий всегда продуктом является средняя (нормальная) соль.

Рассмотрим все указанные пары взаимодействий более детально.

В результате взаимодействия:

Me_xO_y + кислотный оксид, где Me_xO_y – оксид металла (основный или амфотерный)

образуется соль, состоящая из катиона металла Me (из исходного Me_xO_y) и кислотного остатка кислоты, соответствующей кислотному оксиду.

Для примера попробуем записать уравнения взаимодействия следующих пар реагентов:

Na₂O + P₂O₅   и    Al₂O₃ + SO₃

В первой паре реагентов мы видим основный оксид (Na₂O) и кислотный оксид (P₂O₅). Во второй – амфотерный оксид (Al₂O₃) и кислотный оксид (SO₃).

Как уже было сказано, в результате взаимодействия основного/амфотерного оксида с кислотным образуется соль, состоящая из катиона металла (из исходного основного/амфотерного оксида) и кислотного остатка кислоты, соответствующей исходному кислотному оксиду.

Таким образом, при взаимодействии Na₂O и P₂O₅ должна образоваться соль, состоящая из катионов Na⁺ (из Na₂O) и кислотного остатка PO₄^3-, поскольку оксиду P⁺⁵₂O₅ соответствует кислота H₃P⁺⁵O₄. Т.е. в результате такого взаимодействия образуется фосфат натрия:

3Na₂O + P₂O₅ = 2Na₃PO₄ — фосфат натрия

В свою очередь, при взаимодействии Al₂O₃ и SO₃ должна образоваться соль, состоящая из катионов Al³⁺ (из Al₂O₃) и кислотного остатка SO₄^2-, поскольку оксиду S⁺⁶O₃ соответствует кислота H₂S⁺⁶O₄. Таким образом, в результате данной реакции получается сульфат алюминия:

Al₂O₃ + 3SO₃ = Al₂(SO₄)₃ — сульфат алюминия

Более специфическим является взаимодействие  между амфотерными и основными оксидами. Данные реакции осуществляют при высоких температурах, и их протекание возможно благодаря тому, что амфотерный оксид фактически берет на себя роль кислотного. В результате такого взаимодействия образуется соль специфического состава, состоящая из катиона металла, образующего исходный основный оксид и «кислотного остатка»/аниона, в состав которого входит металл из амфотерного оксида. Формулу такого «кислотного остатка»/аниона в общем виде можно записать как MeO₂^x—, где Me – металл из амфотерного оксида, а х = 2 в случае амфотерных оксидов с общей формулой вида Me⁺²O (ZnO, BeO, PbO) и x = 1 – для амфотерных оксидов с общей формулой вида Me⁺³₂O₃ (например, Al₂O₃, Cr₂O₃ и Fe₂O₃).

Попробуем записать в качестве примера уравнения взаимодействия

ZnO + Na₂O и Al₂O₃ + BaO

В первом случае ZnO является амфотерным оксидом с общей формулой Me⁺²O, а Na₂O – типичный основный оксид. Согласно сказанному выше, в результате их взаимодействия должна образоваться соль, состоящая из катиона металла, образующего основный оксид, т.е. в нашем случае Na⁺ (из Na₂O) и «кислотного остатка»/аниона c формулой ZnO₂^2-, поскольку амфотерный оксид имеет общую формулу вида Me⁺²O. Таким образом, формула получаемой соли при соблюдении условия электронейтральности одной ее структурной единицы («молекулы») будет иметь вид Na₂ZnO₂:

ZnO + Na₂O =t^o=> Na₂ZnO₂

В случае взаимодействующей пары реагентов Al₂O₃ и BaO первое вещество является амфотерным оксидом с общей формулой вида Me⁺³₂O₃, а второе — типичным основным оксидом. В этом случае образуется соль, содержащая катион металла из основного оксида, т.е. Ba²⁺ (из BaO) и «кислотного остатка»/аниона AlO₂^—. Т.е. формула получаемой соли при соблюдении условия электронейтральности одной ее структурной единицы («молекулы») будет иметь вид Ba(AlO₂)₂, а само уравнение взаимодействия запишется как:

Al₂O₃ + BaO =t^o=> Ba(AlO₂)₂

Как мы уже писали выше, практически всегда протекает реакция:

Me_xO_y + кислотный оксид,

где Me_xO_y – либо основный, либо амфотерный оксид металла.

Однако следует запомнить два «привередливых» кислотных оксида – углекислый газ (CO₂) и сернистый газ (SO₂). «Привередливость» их заключается в том, что несмотря на явные кислотные свойства, активности CO₂ и SO₂ недостаточно для их взаимодействия с малоактивными основными и амфотерными оксидами. Из оксидов металлов они реагируют только с активными основными оксидами (оксидами ЩМ и ЩЗМ). Так, например, Na₂O и BaO, являясь активными основными оксидами, могут с ними реагировать:

CO₂ + Na₂O = Na₂CO₃

SO₂ + BaO = BaSO₃

В то время, как оксиды CuO и Al₂O₃, не относящиеся к активным основным оксидам, в реакцию с CO₂ и SO₂ не вступают:

CO₂ + CuO ≠

CO₂ + Al₂O₃ ≠

SO₂ + CuO ≠

SO₂ + Al₂O₃ ≠

Взаимодействие оксидов с кислотами

С кислотами реагируют основные и амфотерные оксиды. При этом образуются соли и вода:

FeO + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂O

Несолеобразующие оксиды не реагируют с кислотами вообще, а кислотные оксиды не реагируют с кислотами в большинстве случаев.

Когда все-таки кислотный оксид реагирует с кислотой?

Решая часть ЕГЭ с вариантами ответа, вы должны условно считать, что кислотные оксиды не реагируют ни с кислотными оксидами, ни с кислотами, за исключением следующих случаев:

1) диоксид кремния, будучи кислотным оксидом, реагирует с плавиковой кислотой, растворяясь в ней. В частности, благодаря этой реакции в плавиковой кислоте можно растворить стекло. В случае избытка HF уравнение реакции имеет вид:

SiO₂ + 6HF = H₂[SiF₆] + 2H₂O,

а в случае недостатка HF:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2H₂O

2) SO₂, будучи кислотным оксидом, легко реагирует с сероводородной кислотой H₂S по типу сопропорционирования:

S⁺⁴O₂ + 2H₂S^-2 = 3S⁰ + 2H₂O

3) Оксид фосфора (III) P₂O₃ может реагировать с кислотами-окислителями, к которым относятся концентрированная серная кислота и азотная кислота любой концентрации. При этом степень окисления фосфора повышается от значения +3 до +5:

4) Оксид серы (IV) SO₂ может быть окислен азотной кислотой, взятой в любой концентрации. При этом степень окисления серы повышается с +4 до +6.

Взаимодействие оксидов с гидроксидами металлов

С гидроксидами металлов как основными, так и амфотерными реагируют кислотные оксиды. При этом образуется соль, состоящая из катиона металла (из исходного гидроксида металла) и кислотного остатка кислоты, соответствующей кислотному оксиду.

SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O

Кислотные оксиды, которым соответствуют многоосновные кислоты, с щелочами могут образовывать как нормальные, так и кислые соли:

CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O

CO₂ + NaOH = NaHCO₃

P₂O₅ + 6KOH = 2K₃PO₄ + 3H₂O

P₂O₅ + 4KOH = 2K₂HPO₄ + H₂O

P₂O₅ + 2KOH + H₂O = 2KH₂PO₄

«Привередливые» оксиды CO₂ и SO₂, активности которых, как уже было сказано, не хватает для протекания их реакции с малоактивными основными и амфотерными оксидами, тем не менее, реагируют с большей частью соответствующих им гидроксидов металлов. Точнее, углекислый и сернистый газы взаимодействуют с нерастворимыми гидроксидами  в виде их суспензии в воде. При этом образуются только основные соли, называемые гидроксокарбонатами и гидроксосульфитами, а образование средних (нормальных) солей невозможно:

2Zn(OH)₂ + CO₂ = (ZnOH)₂CO₃ + H₂O (в растворе)

2Cu(OH)₂ + CO₂ = (CuOH)₂CO₃ + H₂O (в растворе)

Однако с гидроксидами металлов в степени окисления +3, например, такими, как Al(OH)₃, Cr(OH)₃ и т.д., углекислый и сернистый газ не реагируют вовсе.

Следует отметить также особую инертность диоксида кремния (SiO₂), в природе наиболее часто встречаемого в виде обычного песка. Данный оксид является кислотным, однако из гидроксидов металлов способен реагировать только с концентрированными (50-60%) растворами щелочей,  а также с чистыми (твердыми) щелочами при сплавлении. При этом образуются силикаты:

2NaOH + SiO₂ =t^o=> Na₂SiO₃ + H₂O

Амфотерные оксиды из гидроксидов металлов реагируют только со щелочами (гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов). При этом при проведении реакции в водных растворах образуются растворимые комплексные соли:

ZnO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] — тетрагидроксоцинкат натрия

BeO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Be(OH)₄] — тетрагидроксобериллат натрия

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄] — тетрагидроксоалюминат натрия

А при сплавлении этих же амфотерных оксидов со щелочами получаются соли, состоящие из катиона щелочного или щелочноземельного металла и аниона вида MeO₂^x—, где x = 2 в случае амфотерного оксида типа Me⁺²O и x = 1 для амфотерного оксида вида Me₂⁺²O₃:

ZnO + 2NaOH =t^o=> Na₂ZnO₂ + H₂O

BeO + 2NaOH =t^o=> Na₂BeO₂ + H₂O

Al₂O₃ + 2NaOH =t^o=> 2NaAlO₂ + H₂O

Cr₂O₃ + 2NaOH =t^o=> 2NaCrO₂ + H₂O

Fe₂O₃ + 2NaOH =t^o=> 2NaFeO₂ + H₂O

Следует отметить, что соли, получаемые сплавлением амфотерных оксидов с твердыми щелочами, могут быть легко получены из растворов соответствующих комплексных солей их упариванием и последующим прокаливанием:

Na₂[Zn(OH)₄] =t^o=> Na₂ZnO₂ + 2H₂O

Na[Al(OH)₄] =t^o=> NaAlO₂ + 2H₂O

Взаимодействие оксидов со средними солями

Чаще всего средние соли с оксидами не реагируют.

Однако следует выучить следующие исключения из данного правила, часто встречающиеся на экзамене.

Одним из таких исключений является то, что амфотерные оксиды, а также диоксид кремния (SiO₂) при их сплавлении с сульфитами и карбонатами вытесняют из последних сернистый (SO₂) и углекислый (CO₂) газы соответственно. Например:

Al₂O₃ + Na₂CO₃ =t^o=> 2NaAlO₂ + CO₂

SiO₂ + K₂SO₃ =t^o=> K₂SiO₃ + SO₂

Также к реакциям оксидов с солями можно условно отнести взаимодействие сернистого и углекислого газов с водными растворами или взвесями соответствующих солей — сульфитов и карбонатов, приводящее к образованию кислых солей:

Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O = 2NaHCO₃

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

Также сернистый газ при пропускании его через водные растворы или взвеси карбонатов вытесняет из них углекислый газ благодаря тому, что сернистая кислота является более сильной и устойчивой кислотой, чем угольная:

K₂СO₃ + SO₂ = K₂SO₃ + CO₂

ОВР с участием оксидов

Восстановление оксидов металлов и неметаллов

Аналогично тому, как металлы могут реагировать с растворами солей менее активных металлов, вытесняя последние в свободном виде, оксиды металлов при нагревании также способны реагировать с более активными металлами.

Напомним, что сравнить активность металлов можно либо используя ряд активности металлов, либо, если одного или сразу двух металлов нет в ряду активности, по их положению относительно друг друга в таблице Менделеева: чем ниже и левее металл, тем он более активен. Также полезно помнить, что любой металл из семейства ЩМ и ЩЗМ будет всегда активнее металла, не являющегося представителем ЩМ или ЩЗМ.

В частности, на взаимодействии металла с оксидом менее активного металла основан метод алюмотермии, используемый в промышленности для получения таких  трудновосстанавливаемых металлов, как хром и ванадий:

Cr₂O₃ + 2Al =t^o=> Al₂O₃ + 2Cr

При протекании процесса алюмотермии образуется колоссальное количество тепла, а температура реакционной смеси может достигать более 2000^oC.

Также оксиды практически всех металлов, находящихся в ряду активности правее алюминия, могут быть восстановлены до свободных металлов водородом (H₂), углеродом (C) и угарным газом (CO) при нагревании. Например:

Fe₂O₃ + 3CO =t^o=> 2Fe + 3CO₂

CuO + C =t^o=> Cu + CO

FeO + H₂ =t^o=> Fe + H₂O

Следует отметить, что в случае, если металл может иметь несколько степеней окисления, при недостатке используемого восстановителя возможно также неполное восстановление оксидов.  Например:

Fe₂O₃ + CO =t^o=> 2FeO + CO₂

4CuO + C  =t^o=> 2Cu₂O + CO₂

Оксиды активных металлов (щелочных, щелочноземельных, магния и алюминия) с водородом и угарным газом не реагируют.

Однако оксиды активных металлов реагируют с углеродом, но иначе, чем оксиды менее активных металлов.

В рамках программы ЕГЭ, чтобы не путаться, следует считать, что в результате реакции оксидов активных металлов (до Al включительно) с углеродом образование свободного ЩМ, ЩЗМ, Mg, а также Al невозможно. В таких случаях происходит образование карбида металла и угарного газа. Например:

2Al₂O₃ + 9C  =t^o=> Al₄C₃ + 6CO

CaO + 3C  =t^o=> CaC₂ + CO

Оксиды неметаллов нередко могут быть восстановлены металлами до свободных неметаллов. Так, например, оксиды углерода и кремния при нагревании реагируют с щелочными,  щелочноземельными металлами и магнием:

CO₂ + 2Mg =t^o=> 2MgO + C

SiO₂ + 2Mg =t^o=> Si + 2MgO

При избытке магния последнее взаимодействие может приводить также к образованию силицида магния Mg₂Si:

SiO₂ + 4Mg =t^o=> Mg₂Si + 2MgO

Оксиды азота могут быть относительно легко восстановлены даже менее активными металлами, например, цинком или медью:

Zn + 2NO =t^o=> ZnO + N₂

2NO₂ + 4Cu =t^o=> 4CuO + N₂

Взаимодействие оксидов с кислородом

Для того чтобы в заданиях реального ЕГЭ суметь ответить на вопрос, реагирует ли какой-либо оксид с кислородом (O₂), прежде всего нужно запомнить, что оксиды, способные реагировать с кислородом (из тех, что могут попасться вам на самом экзамене) могут образовать только химические элементы из списка:

углерод С, кремний Si, фосфор P, сера S, медь Cu, марганец Mn, железо Fe, хром Cr, азот N

Встречающиеся в реальном ЕГЭ оксиды любых других химических элементов с кислородом  реагировать не будут (!).

Для более наглядного удобного запоминания перечисленных выше списка элементов, на мой взгляд, удобна следующая иллюстрация:

В первую очередь, среди перечисленных элементов следует рассмотреть азот N, т.к. отношение его оксидов к кислороду заметно отличается от оксидов остальных элементов приведенного выше списка.

Следует четко запомнить тот факт, что всего азот способен образовать пять оксидов, а именно:

Из всех оксидов азота с кислородом может реагировать только NO. Данная реакция протекает очень легко при смешении NO как с чистым кислородом, так и с воздухом. При этом наблюдается быстрое изменение окраски газа с бесцветной (NO) на бурую (NO₂):

Для того чтобы дать ответ на вопрос — реагирует ли с кислородом какой-либо оксид любого другого из перечисленных выше химических элементов (т.е. С, Si, P, S, Cu, Mn, Fe, Cr) — прежде всего обязательно нужно запомнить их основные степени окисления (СО). Вот они:

Далее нужно запомнить тот факт, что из возможных оксидов указанных выше химических элементов, с кислородом будут реагировать только те, которые содержат элемент в минимальной, среди указанных выше, степени окисления. При этом степень окисления элемента повышается до ближайшего положительного значения из возможных: