Оксиды: понятие, классификация, свойства¶
Оксид — бинарное химическое соединение, состоящее из кислорода и другого элемента, находящегося в положительной степени окисления. Формула оксида записывается как X₂Oₙ, где X — элемент, образующий соединение с кислородом. Исключение составляют пероксиды (например, Na₂O₂), супероксиды (KO₂) и озониды, в которых кислород имеет формальную степень окисления −1, −1/2 и −1/3 соответственно; их принято рассматривать отдельно от «обычных» оксидов.
¶Классификация
Оксиды разделяют по нескольким признакам.
По состоянию другого элемента:
- Кислотные оксиды (безводные кислоты) — оксиды неметаллов и высшие оксиды переходных металлов: SO₃, CO₂, P₂O₅, Mn₂O₇. Реагируют с водой с образованием кислот, с основными оксидами и основаниями — с образованием солей.
- Основные оксиды — оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов: Na₂O, CaO, BaO. Реагируют с водой с образованием оснований, с кислотными оксидами и кислотами.
- Амфотерные оксиды — проявляют свойства и кислотных, и основных оксидов: Al₂O₃, ZnO, BeO, Cr₂O₃. Реагируют как с кислотами, так и со щелочами.
- Нейтральные оксиды — не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами: CO, NO, N₂O.
По степени окисления элемента: низшие оксиды (SO₂, N₂O₃), высшие (SO₃, N₂O₅) и оксиды промежуточных степеней окисления.
¶Физические свойства
Физические свойства оксидов крайне разнообразны и зависят от природы элемента. Оксиды металлов, как правило, твёрдые кристаллические вещества; многие из них имеют ионную или ионно-ковалентную структуру. Примеры: магнитный оксид Fe₃O₄ (магнетит) — чёрное кристаллическое вещество, оксид алюминия Al₂O₃ (корунд) — один из самых твёрдых природных минералов.
Оксиды неметаллов могут быть газами (CO₂, SO₂, NO), жидкостями (например, оксид серы VI в жидкой форме) или твёрдыми веществами (P₂O₅, SiO₂). Диоксид кремния SiO₂ (кварц, песок) — один из самых распространённых соединений в земной коре.
¶Химические свойства
Основные типы реакций оксидов:
- С водой. Кислотные оксиды образуют кислоты: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Основные оксиды щелочных металлов образуют основания: Na₂O + H₂O → 2NaOH. Амфотерные оксиды с водой обычно не реагируют.
- С кислотами и основаниями. Оксиды реагируют с противоположными по характеру соединениями: CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O; Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O.
- С кислотными оксидами. Основные оксиды образуют соли: CaO + SO₃ → CaSO₄.
- С простыми веществами. Многие оксиды восстанавливаются до элемента: CuO + H₂ → Cu + H₂O; Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (восстановление железа в доменной печи).
- Термическое разложение. Некоторые оксиды разлагаются при нагревании: 2HgO → 2Hg + O₂.
¶Получение
Основные способы получения оксидов:
- прямое соединение элемента с кислородом: 2Mg + O₂ → 2MgO;
- разложение оксидов, гидроксидов, карбонатов, нитратов: CaCO₃ → CaO + CO₂;
- восстановление высших оксидов металлов водородом, углём, оксидом углерода.
¶Применение
Оксиды имеют широкое практическое значение. Диоксид кремния SiO₂ используется в производстве стекла, керамики, волоконной оптики. Оксид алюминия Al₂O₃ применяется как абразив, огнеупорный материал, носитель катализаторов. Оксид кальция CaO (негашёная известь) применяется в строительстве, металлургии, сельском хозяйстве. Диоксид титана TiO₂ — основной пигмент в красках и лаках. Оксид железа Fe₂O₃ (гематит) — руда для производства чугуна и стали, а также пигмент.
В биологии и медицине оксид азота NO играет роль сигнальной молекулы, участвуя в регуляции сосудистого тонуса.
¶Оксиды в природе
Оксиды составляют основу большинства минералов. Кору Земли в основном формируют силикаты — сложные оксидные соединения кремния и алюминия. Кислород, входящий в состав оксидов, составляет около 46 % массы земной коры. Многие рудные минералы — оксиды: гематит Fe₂O₃, магнетит Fe₃O₄, боксит Al₂O₃·nH₂O, касситерит SnO₂.
¶Историческая справка
Понятие оксида как соединения элемента с кислородом сформировалось в конце XVIII века в работах французского химика Антуана Лавуазье, который ввёл термин «оксид» (от греч. ὀξύς — кислый) и определил роль кислорода в образовании кислот. До Лавуазье кислородсодержащие соединения описывали в рамках флогистонной теории.
Источники:
- Химическая энциклопедия / Гл. ред. Кнунянц И. Л. — М.: Большая Российская энциклопедия.
- Рабинович В. А., Ховякова Л. Я. Справочник по неорганической химии. — Л.: Химия.
- Глинка Н. Л. Общая химия. — М.: Высшая школа.
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона.