Оксиды металлов

Оксиды металлов
Для металлов характерны солеобразующие оксиды: основные и
амфотерные. Основными являются оксиды щелочных и щелочноземельных
металлов, амфотерными — оксиды бериллия, алюминия, германия и
некоторых других металлов главных подгрупп Периодической системы
элементов Д. И. Менделеева. Из d-элементов амфотерный оксид образует
только цинк. Характер оксидов других d -элементов зависит от степени
окисления металла. Вы уже знаете, что хром в соединениях проявляет три
степени окисления: +2, +3, +6 и образует соответствующие оксиды: СrО —
основный оксид, Сr2O3 — амфотерный оксид, СrO3 — кислотный.
Обратите внимание на то, что d -металлы в своей высшей степени
окисления образуют оксиды, сходные с элементами А-групп: например, СrO3
и SO3, Мn2O7 и Сl2O7.
Оксиды щелочных металлов. Это твердые белые кристаллические
вещества, хорошо растворимые в воде. Причем процесс растворения
сопровождается химическим взаимодействием, в результате которого
образуются щелочи.
Это типичные основные оксиды: кроме реакции с водой, они вступают в
реакции с кислотными оксидами и кислотами, образуя в зависимости от
основности кислоты различные соли.
Все оксиды щелочных металлов, кроме оксида лития, получают
косвенным путем, например:
to
Na2O2 + 2Na = 2Na2O
Оксиды элементов группы IIА. Все оксиды элементов группы IIА
проявляют ярко выраженные основные свойства кроме амфо-терного оксида
бериллия. Это белые кристаллические, тугоплавкие вещества. Их получают,
главным образом, термическим разложением карбонатов металлов:
to
ВеСO3 = ВеО + СO2
Оксиды щелочных металлов и магния взаимодействуют с кислотными
оксидами и кислотами с образованием солей:
СаО + СО2 = СаСО3
МgО + Н2SО4 - МgSО4 + Н2О
ВаО + 2НСl = ВаСl2 + Н2О
При комнатной температуре с водой реагируют только оксиды
щелочноземельных металлов, образуя соответствующие щелочи, например:
SrО + Н2O = Sr(OН)2
Амфотерность оксида бериллия выражается в его способности
реагировать как с кислотами, так и со щелочами при сплавлении или в
растворе:
ВеО + 2НNO3 = Ве(NO3)2 + Н2O
to
ВеО + 2NaОН = Na2ВeO2 + Н2O
Оксид магния используют при производстве огнеупорных строительных
материалов, оксид бериллия — в качестве замедлителя нейтронов в ядерных
реакторах, оксид кальция (негашеная известь) — в качестве флюса при
получении чугуна и в производстве строительных материалов.
Оксид алюминия. Это белое кристаллическое вещество с очень высокой
температурой плавления (2050 °С). Однако помимо кристаллических
модификаций оксида алюминия существует и аморфная форма, называемая
алюмогелем. Кристаллические формы Аl2O3 получают переработкой
природных соединений, содержащих оксид алюминия, а алюмогель —
разложением гидроксида алюминия.
Вам хорошо известно, что оксид алюминия — типичный представитель
амфотерных оксидов. Но, оказывается, не все так просто. Кристаллические
формы Аl2O3 химически пассивны: не растворяются не только в воде, но и в
разбавленных кислотах и щелочах. Для того чтобы «пробудить» в оксиде
алюминия его амфотерные свойства, необходимо использовать горячие
концентрированные кислоты:
to
Аl2O3 + 6НСl = 2АlСl3 + 3Н2O
При сплавлении оксида алюминия со щелочами образуется безводный
метаалюминат натрия:
to
Аl2O3 + 2NaОН = 2NаАlO2 + Н2O
Амфотерность оксида алюминия проявляется также в том, что он
способен реагировать с кислотными и основными оксидами с образованием
соответствующих солей:
Аl2O3 + 3N2O5 = 2Аl(NO3)3
to
Аl2O3 + К2O = 2КАIO2
Почти 100 млн т оксида алюминия в год использует мировая
металлургия для производства алюминия. Безводный кристаллический оксид
алюминия подобно силикагелю обладает большой площадью поверхности за
счет пористой структуры и широко используется в хроматографии для
очистки и разделения веществ. Искусственные корунды — прекрасные
шлифовальные материалы.
На циферблате или задней крышке многих механических часов указано
число камней, использованных при их сборке. Что это за камни? Это
искусственные рубины, которые в часовом механизме служат опорой осей
шестеренок. У рубиновых камешков очень мал коэффициент трения (не
создается сопротивления вращению); они обладают уникальной стойкостью
к истиранию. В механизме часов их хорошо видно невооруженным глазом:
они, как и природные рубины, имеют красную окраску.
Оксиды железа. Известно три оксида железа: FеО, Fе2O3 и смешанный
оксид Fе3O4 (FеО ∙ Fе2O3).
Оксид железа(II) — черный порошок. Ввиду нестабильности
соединений железа в степени окисления +2, получить FеО не удается ни
окислением железа, ни разложением соответствующего ему гидроксида
Fе(ОН)2. Получают оксид железа(II) восстановлением оксида железа(II)
оксидом углерода(II):
to
Fе2О3 + СО = 2FеО + СО2
Этот процесс представляет собой начальную стадию получения чугуна.
Оксид железа(II) проявляет основные свойства, не взаимодействует с водой,
но легко реагирует с кислотами:
FеО + 2НСl = FеСl2 + Н2О
Оксид железа(III) — порошок красно-бурого цвета. В промышленности
его получают обжигом пирита:
4РеS2 + IIO2 = 2Fе2O3 + 8SO2
Проявляет слабоамфотерные свойства. Он хорошо растворяется в
кислотах с образованием солей Fе3+:
Fе2О3 + 3Н2SО4 = Fе2(SО4)3 + 3Н2О
Вместе с тем при сплавлении со щелочами оксид железа(III) образует
соли — ферриты:
Fе2О3 + 2NaОН = 2NaFеО2 + Н2О
При нагревании оксид железа(III) восстанавливается водородом или
оксидом углерода(II). Последняя реакция лежит в основе промышленного
получения чугуна из железных руд:
3Fе2О3 + СО = 2Fе3О4 + СО2
Fе3О4 + СО = 3FeО + СО2
FеО + СО = Fе + СО2
Оксид железа(II, III) составляет основную массу природного минерала
магнетита. При взаимодействии с кислотами образует смесь солей железа:
Fе3О4 + 8НСl = FeСl2 + 2FеСl3 + 4Н2O
Оксиды железа используют в качестве сырья для доменного процесса,
как пигмент красок (например, железный сурик) и эмалей, а также для
получения ферритов.
Оксиды меди. Известны два оксида меди: Сu2О и СuО.
Оксид меди(I) Сu2O — твердое вещество красного цвета. В природе
встречается в виде минерала куприта. Оксид меди(I) в воде практически
нерастворим. Он обладает преимущественно основными свойствами.
Оксид меди(II) СuО получается как при взаимодействии меди с
кислородом, так и при разложении гидроксида меди(II). (Напишите
уравнения реакций.) Обладает слабыми амфотерными свойствами, т.е.
взаимодействует как с кислотами, так и со щелочами. (Напишите уравнения
реакций.) При сплавлении с последними образует купраты:
2КОН + СuО = К2СuО2 + Н2О
Оксид серебра(I) Аg2О. Серебро непосредственно с кислородом не
взаимодействует, и его оксид получают косвенно, например по реакции:
2АgNO3 + 2NaОН = Аg2O + 2NaNO3 + Н2O
Это темно-коричневый порошок, обладающий сильными основными
свойствами; плохо растворим в воде.
Оксид цинка ZnO. Это тугоплавкий (2000 °С) порошок белого цвета;
плохо растворяется в воде; является амфотерным оксидом:
ZnО + Н2SO4 = ZnSO4 + Н2O
ZnО + 2КОН = К2ZnO2 + Н2O
Оксид цинка используют как катализатор многих химических
процессов; он входит в состав цинковых белил, парфюмерных,
косметических и медицинских средств.
Оксид ртути(II) Нg0. Твердое вещество желтого или красного цвета;
легко разлагается при нагревании. Обладает только основными свойствами, а
потому растворяется в кислотах:
НgO + 2НNO3 = Нg(NO3)2 + Н2O
Получается при действии щелочей на соли ртути:
НgСl2 + 2NaОН = НgO + 2NаСl + Н2O
Оксиды хрома. Проявляют, как вы знаете, основный, амфотерный или
кислотный характер в зависимости от степени окисления хрома.
Оксиды марганца. Марганец образует ряд оксидов, кислотно-основные
свойства которых также зависят от степени окисления марганца:
МnО → Мn2O3 → МnO2 → (МnO3) → Мn2O7
Основный
Амфотерные
Кислотные
Ослабление основных и усиление кислотных свойств
Вопросы
1. Вспомните, какие соединения называют оксидами. На какие группы делят этот класс
соединений?
2. Какие солеобразующие оксиды характерны для металлов? От чего зависит характер
оксидов металла?
3. Составьте формулы и сравните характер оксидов следующих химических элементов: а)
бериллия, магния и кальция; б) натрия, магния, алюминия. Сформулируйте
закономерности Периодической системы Д.И.Менделеева, которые можно подтвердить
данными примерами. Напишите уравнения соответствующих реакций.
4. Среди перечня бинарных соединений кислорода: Na2O, ОF2, ВаO2, Na2O2, МgO, SiO2, N2O3,
Н2O2 — укажите те, которые не относятся к оксидам. Почему? Напишите
молекулярные и ионные уравнения реакций, характеризующих свойства
перечисленных оксидов.
5. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие
превращения:
а)
б)
6. Напишите ионные уравнения и рассмотрите процессы окисления-восстановления.
7. Найдите массу продукта, полученною при горении 8 г железа в кислороде. Каков
его состав? Найдите массовые доли железа и кислорода в полученном продукте.