Оксиды

Учебное пособие: Оксиды

Данное учебное пособие предназначено для изучения темы «Оксиды», систематизации теоретических знаний о составе, номенклатуре, способах получения и физических свойствах данных химических соединений, а также для самопроверки и подготовки к аналитическим заданиям.

1. Теоретический обзор

1.1. Определение и химическая природа оксидов

• Оксиды — это простейшие из сложных веществ, молекулы которых образованы атомами только двух химических элементов, одним из которых является кислород. Таким образом, оксиды представляют собой бинарные соединения кислорода.
• Сложных веществ в природе существенно больше, чем простых, и класс оксидов является одним из базовых классов сложных веществ.

1.2. Исключения из класса оксидов

Не все бинарные соединения, содержащие кислород, относятся к классу оксидов. К соединениям, не являющимся оксидами, относятся:

1. Пероксид водорода ($\text{H}_2\text{O}_2$) — в быту называется перекисью.
2. Дифторид кислорода ($\text{OF}_2$).

Уточнения к систематическому определению оксидов и причин исключения данных веществ вносятся после детального изучения строения вещества.

1.3. Номенклатура оксидов

Составление названий оксидов подчиняется общепринятым правилам номенклатуры бинарных соединений. Для элементов с переменной валентностью в скобках указывается их валентность/степень окисления римскими цифрами.

Многие оксиды имеют широко распространенные тривиальные названия:

Химическая формула · Систематическое название · Тривиальное название / Применение / Примечание

• $\text{H}_2\text{O}$ — Оксид водорода; Вода
• $\text{CO}$ — Оксид углерода(II); Угарный газ
• $\text{CO}_2$ — Оксид углерода(IV); Углекислый газ
• $\text{NO}_2$ — Оксид азота(IV); «Лисий хвост» (имеет характерную яркую окраску)
• $\text{N}_2\text{O}$ — Оксид диазота; Веселящий газ / составная часть смеси для наркоза
• $\text{Fe}_3\text{O}_4$ — Оксид железа; Железная окалина
• $\text{Fe}_2\text{O}_3$ — Оксид железа(III); Основная часть ржавчины
• $\text{SiO}_2$ — Оксид кремния(IV); Основная часть речного песка
• $\text{P}_4\text{O}_{10}$ — Оксид фосфора(V); —
• $\text{SO}_2$ — Оксид серы(IV); Образуется при горении сероводорода
• $\text{Cl}_2\text{O}_7$ — Оксид хлора(VII); —

1.4. Способы получения оксидов

Оксиды могут быть получены различными химическими путями:

1. Сжигание (горение) простых веществ: Оксиды практически всех химических элементов получают взаимодействием простых веществ с кислородом при нагревании/горении:

• Образование железной окалины: $3\text{Fe} + 2\text{O}_2 = \text{Fe}_3\text{O}_4$
• Образование оксида фосфора(V): $4\text{P} + 5\text{O}_2 = \text{P}_4\text{O}_{10}$

2. Горение сложных веществ: При окислении/горении бинарных или иных сложных соединений образуются оксиды элементов, входящих в их состав.

• Например, при горении сероводорода ($\text{H}_2\text{S}$) образуются оксид водорода (вода) и оксид серы(IV): $2\text{H}_2\text{S} + 3\text{O}_2 = 2\text{H}_2\text{O} + 2\text{SO}_2$

3. Разложение сложных веществ: Оксиды образуются при термическом расщеплении ряда сложных соединений.

• Например, при разложении минерала малахита образуются сразу три оксида: оксид меди(II), углекислый газ ($\text{CO}_2$) и вода ($\text{H}_2\text{O}$).

1.5. Физические свойства оксидов

• Агрегатные состояния (при обычных условиях): Оксиды могут находиться во всех трех агрегатных состояниях:
• Газообразные: оксид углерода(IV) ($\text{CO}_2$), оксид азота(IV) ($\text{NO}_2$), оксид серы(IV) ($\text{SO}_2$), оксид углерода(II) ($\text{CO}$), оксид диазота ($\text{N}_2\text{O}$).
• Жидкие: оксид водорода ($\text{H}_2\text{O}$).
• Твёрдые: оксид кремния(IV) ($\text{SiO}_2$), оксид железа(III) ($\text{Fe}_2\text{O}_3$), железная окалина ($\text{Fe}_3\text{O}_4$), оксид фосфора(V) ($\text{P}_4\text{O}_{10}$).
• Окраска:
• Многие оксиды бесцветны (например, вода $\text{H}_2\text{O}$, углекислый газ $\text{CO}_2$).
• Некоторые оксиды обладают ярким цветом, например, бурый оксид азота(IV) $\text{NO}_2$, из-за цвета называемый «лисьим хвостом».

2. Краткий опрос для самопроверки (Short-Answer Quiz)

Вопросы

1. Какое химическое определение дается классу оксидов?
2. Назовите два соединения, которые состоят только из кислорода и другого элемента (бинарные соединения кислорода), но при этом не являются оксидами.
3. Какова химическая формула и тривиальное название оксида, являющегося основной частью речного песка?
4. Напишите уравнение реакции получения оксида фосфора(V) путем сжигания простого вещества.
5. Какие три оксида образуются в процессе термического разложения малахита?
6. Назовите тривиальные названия для $\text{CO}$ и $\text{CO}_2$.
7. Какое тривиальное название имеет оксид азота(IV) $\text{NO}_2$ и с чем связано это наименование?
8. Напишите уравнение реакции горения сероводорода ($\text{H}_2\text{S}$) и перечислите продукты этой реакции.

Ответы для самопроверки

1. Оксиды — это простейшие из сложных веществ, молекулы которых образованы атомами только двух химических элементов, одним из которых является кислород (бинарные соединения кислорода).
2. Пероксид водорода ($\text{H}_2\text{O}_2$) и дифторид кислорода ($\text{OF}_2$).
3. Формула: $\text{SiO}_2$. Название: оксид кремния(IV) (основная часть речного песка).
4. $4\text{P} + 5\text{O}_2 = \text{P}_4\text{O}_{10}$
5. Оксид меди(II), углекислый газ ($\text{CO}_2$) и вода ($\text{H}_2\text{O}$).
6. $\text{CO}$ — угарный газ; $\text{CO}_2$ — углекислый газ.
7. «Лисий хвост». Это название дано оксиду за его яркую характерную окраску.
8. $2\text{H}_2\text{S} + 3\text{O}_2 = 2\text{H}_2\text{O} + 2\text{SO}_2$. Продукты реакции: оксид водорода (вода) и оксид серы(IV).

3. Темы для эссе и развернутых ответов (Essay Prompts)

1. Разнообразие методов получения оксидов в химии:

• Проанализируйте и сопоставьте три основных способа образования оксидов (прямое окисление простых веществ, сгорание сложных веществ и термическое разложение). Приведите соответствующие химические уравнения reactions, описанные в учебных материалах.

2. Исключения из правил бинарных соединений кислорода:

• Подробно рассмотрите, почему вещества $\text{H}_2\text{O}_2$ и $\text{OF}_2$, формально состоящие из двух элементов (одним из которых является кислород), выводятся за рамки класса оксидов.

3. Физическое и агрегатное многообразие оксидов вокруг нас:

• На основе пройденных материалов опишите встречающиеся в повседневной жизни и природе оксиды. Охарактеризуйте их агрегатные состояния при обычных условиях, цветовые особенности, а также практическое значение (на примере воды, речного песка, ржавчины и компонентов атмосферных газов).

4. Глоссарий терминов и веществ

• Бинарные соединения — сложные химические вещества, состоящие из атомов двух различных химических элементов.
• Дифторид кислорода ($\text{OF}_2$) — бинарное соединение кислорода и фтора, не относящееся к классу оксидов.
• Железная окалина ($\text{Fe}_3\text{O}_4$) — оксид железа, образующийся при горении (сжигании) железа в кислороде.
• «Лисий хвост» — тривиальное название оксида азота(IV) ($\text{NO}_2$), данное ему за характерный яркий цвет.
• Малахит — сложное вещество (минерал), при разложении которого образуются оксид меди(II), углекислый газ и вода.
• Оксиды — бинарные соединения, молекулы которых образованы атомами двух химических элементов, один из которых — кислород.
• Пероксид водорода ($\text{H}_2\text{O}_2$) — бинарное соединение водорода и кислорода (перекись), не принадлежащее к классу оксидов.
• Ржавчина — сложное образование, основную часть которого составляет оксид железа(III) ($\text{Fe}_2\text{O}_3$).
• Тривиальные названия — исторически сложившиеся, несистемные наименования химических веществ (например, угарный газ, вода, веселящий газ).