Оксид железа (II,III)

Взаимодействие оксидов с водой

Вы убедились, насколько активным веществом является кислород. Способны ли оксиды — продукты взаимодействия кислорода с простыми и сложными веществами — к взаимодействию с другими веществами? Выясним это на опытах и начнем со взаимодействия оксидов с самым распространенным в природе оксидом — оксидом водорода, или водой.

Опыт 1. Получим оксид фосфора

Воды было добавлено в избытке, поэтому оставшаяся ее часть растворила в себе образовавшуюся кислоту, раствор которой мы и обнаружили с помощью индикатора.

Немало оксидов неметаллов, а также оксиды некоторых металлов с высоким значением валентности 

Существует правило: чтобы определить валентность кислотообразующего элемента в молекуле кислородсодержащей кислоты, необходимо от суммы единиц валентности кисло рода отнять сумму единиц валентности водорода.

Воспользуемся этим правилом и определим валентность серы в сернистой и серной кислотах.

Вычисления показали, что сера в сернистой кислоте четырехвалентна, а в серной — шестивалентна.

Следовательно, вступая в реакцию с водой, оксид серы

Пример №5

Составить формулу оксида, соответствующего марганцевой кислоте.

Решение

1. Воспользовавшись данным правилом, определим валентность марганца в марганцевой кислоте:

2. Составим формулу семивалентного оксида марганца.

Наименьшее общее кратное для единиц валентности марганца и кислорода — 14. По очереди разделив его на 7 (валентность марганца) и на 2 (валентность кислорода ), получим индексы 2 и 7.

Ответ: 

Опыт 2. В фарфоровую чашку поместим немного негашеной извести, или оксида кальция и осторожно дольем немного воды (рис. 6, о). Наблюдается «вскипание» образовавшейся смеси (рис. 6, б). Оно вызвано тем, что негашеная известь активно реагирует с водой и реакция сопровождается сильным разогретом.

В дальнейшем будем работать с прозрачным фильтратом, который разделим на 3 пробирки. В первую пробирку добавим несколько капель лакмуса и будем наблюдать, как раствор сразу же начнет синеть. До этих пор вы знали, что в растворах кислот лакмус приобретает розовый цвет. Появление другого цвета индикатора свидетельствует о наличии в растворе другого вещества.

Рассмотрим уравнение реакции между оксидом кальция и водой и выясним, что это за вещество:

Таким образом, в растворе есть основание. Выдвигаем гипотезу (предположение), что лакмус можно использовать в качестве индикатора для обнаружения оснований. Чтобы проверить это, проведем следующий опыт.

Опыт 3. Нальем в пробирку 1—2 мл раствора гидроксида натрия 

В растворе оснований лакмус изменяет свой цвет на синий.

Опыт 4. Во вторую пробирку с гидроксидом кальция, полученным в опыте 2, добавим несколько капель метилового оранжевого. Наблюдается появление желтой окраски раствора.

Опыт 5. Прибавим несколько капель метилового оранжевого к раствору гидроксида натрия или любого другого растворимого в воде основания. Наблюдаем такой же результат — раствор приобретает желтый цвет.

В растворе оснований метиловый оранжевый приобретает желтый цвет.

Есть еще одно вещество, чувствительное к наличию в растворе оснований. Это — фенолфталеин. Вспомните, раствор этого вещества в воде бесцветен. Проведем опыт.

Опыт 6. В пробирку с водой добавим несколько капель раствора фенолфталеина. Цвет раствора не изменился.

Опыт 7. В третью пробирку с раствором гидроксида кальция, полученного в опыте 2, добавим несколько капель фенолфталеина — раствор сразу становится ярко-малинового цвета.

Опыт 8. Добавим несколько капель фенолфталеина к раствору гидроксида натрия или любого другого растворимого в воде основания. Наблюдаем такой же результат, как и в опыте 7.

В растворе оснований фенолфталеин приобретает малиновый цвет.

Опыт 9. Поместим в химический стакан немного оксида медигидроксиды для таких оксидов не характерны. Так, всем хорошо известна ржавчина — 

Валентность металла в основании равна валентности металла в соответствующем оксиде:

Таким образом, одни оксиды металлов взаимодействуют с водой и образуют растворимые основания, или щелочи, другие с водой не взаимодействуют, но соответствующие им нерастворимые в воде основания существуют.

Большинство оксидов неметаллов взаимодействуют с водой при обычных условиях и образуют кислоты.

Оксиды, которые взаимодействуют с водой и образуют основания, и оксиды, которые не взаимодействуют с водой, но им соответствуют основания, называют основными.

Итоги:

• Оксиды способны к взаимодействию с другими веществами.
• Оксидам отвечают гидроксиды — кислоты и основания.
• Валентность кислотообразующего элемента в кислоте равна его валентности в соответствующем оксиде.
• Валентность металла в основании совпадает с его валентностью в соответствующем оксиде.
• Присутствие щелочи в растворе (щелочной среды) обнаруживают с помощью индикаторов: лакмуса, фенолфталеина, метилового оранжевого.

Первый индикатор был изготовлен из природного сырья. Случилось это так. Как-то английскому ученому Роберту Бойлю (1627— 1691 гг.) понадобился сосуд, в котором он изготовил водную настойку лакмусового лишайника. Он освободил сосуд от настойки, налил в нее соляной кислоты и заметил, что бесцветный до этого раствор кислоты стал красным.

Потом он добавил несколько капель настойки в раствор гидроксида натрия. Теперь раствор стал синим. Так был открыт и впервые использован индикатор для определения кислой и щелочной среды, который назвали лакмусом. Впоследствии настойкой стали пропитывать бумажные полоски, а зятем высушивать их и использовать в химических лабораториях.

Оксид цинка, химические свойства, получение

Оксиды в природе

Вы уже знаете, что среди химических элементов чемпионами по распространению в природе является кислород, кремний, алюминий, железо. Своим первенством они обязаны оксидам. Оксиды — самые распространенные вещества на нашей планете. Больше всего оксидов содержится в оболочках Земли: атмосфере (оксид углерода

Из уроков природоведения вы узнали, что воздух приблизительно на 0,03 % состоит из углекислого газа. На первый взгляд, это вроде бы немного. Однако, если учесть, что воздушная оболочка Земли достигает до 15 км в высоту, становится понятным, насколько распространен этот газообразный оксид.

А что уж говорить о другом оксиде неметалла — оксиде водорода, которым покрыто 

Залежи оксидов железа в Украине в большом количестве находятся вблизи Кривого Рога.

По рисунку 7 вы сможете дополнительно ознакомиться с распространением оксидов в природе.

Применение оксидов основывается на разнообразии их химических и физических свойств. Так, свойство оксидов взаимодействовать с другими веществами используют при получении сплавов железа: чугуна и стали, кислот.

Без использования свойства оксида водорода (воды) растворять другие вещества, образуя растворы, нельзя представить быт, пищевую промышленность, производства лекарств и т. п. Высокая теплоемкость воды дает возможность использовать ее для отопления помещений, в теплообменниках на заводах по производству кислот, в производстве удобрений и т. п.

Однако не следует забывать, что в воде зародилась жизнь и без воды живая природа существовать не может. Поэтому забота о сохранении чистоты водоемов — дело каждого.

Оксид кремния

Из оксида алюминия приблизительно на 50 % состоят бокситовые руды, залежи которых есть в Украине. Из этого оксида на алюминиевых заводах получают «крылатый» металл алюминий. Вам хорошо известно, что самолетов и ракетостроение без него было бы невозможным.

Твердость оксида алюминия и оксида кремниярудах — оксидах железа (буром, красном, магнитном железняках) работают доменные печи. Так называют сооружения, в которых из руд выплавляют железо в виде чугуна. Из руды магнитного железняка, в состав которой входит железная окалина 

•  Оксид серы — производство 
•  оксид углеводорода — производство сахара, газированных вод, соды.
•  оксид бериллия- в ядерных реакторах.
•  оксид титана— изготовление белой краски( титановые белила) 
•  оксид алюминия — производство алюминия, огнеупорных и абразивных материалов,синтетических драгоценных камней (рубины, сапфиры и др.)
•  оксид фосфора — осушитель газов и жидкостей
•  оксид кальция — производство гашеной извести,карбида, кальция, хлорной извести; в строительстве
•  Оксид Ванадия — катализатор в производстве аммиака и серной кислоты
•  Оксид кремния— производство стекла, керамики,фарфора, абразивных материалов; компонент строительных смесей; фильтр для воды на водоочистительных станциях; в виде кварца—для изготовления линз.
•  Оксид магния — производство резины, огнеупорных материалов
•  Оксид углерода — восстановление металлов из руд в металлургии
•  Оксид серы — производство  в текстильной, бумажной, сахарной промышленности в качестве отбеливателя; обеззараживание помещений,хранение фруктов и ягод
•   Оксид хрома — производство абразивных материалов; изготовление зеленой краски
•  оксид железа — производство чугуна и стали; изготовление красок
•  Оксид водорода — растворитель на многих производствах; сырье для производства других веществ (водорода, кислорода, ацетилена, спирта, кислот и др.); теплообменник на заводах
•  Оксид азота— производство  окислитель жидкого ракетного топлива

Относительно использования оксида углерода

Рассмотренные оксиды распространены в природе и используются человеком в больших количествах. Однако многие другие оксиды, хотя и уступают по распространению и масштабах использования, являются не менее важными. Приведем конкретные примеры.

Многие химические производства прекратили бы свою работу без катализаторов, в том числе и оксида ванадияоксида марганца

Белая, зеленая, коричневая и некоторые другие краски своим цветом обязаны оксидам металлических элементов — цинка, хрома, железа, кобальта и т. п.

Оксид серы

Оксид магния применяют для производства огнеупорных материалов, из которых изготавливают тигли и огнеупорный кирпич.

Добавляя в стекло вместо части оксида кремнияоксид бора 

В медицине применяют оксид цинка, оксид магния, оксид алюминия и другие.

Строительство было бы невозможным без оксида кремния

По рисунку 8 вы можете еще раз убедиться в разностороннем применении оксидов.

Итоги:

• По распространению в природе оксиды занимают первое место среди сложных неорганических веществ.
• Благодаря разнообразию физических и химических свойств оксиды находят широкое применение в разных отраслях народного хозяйства и быту.

Было рассмотрено применение каждого из оксидов. Однако существуют производства, где задействованы сразу несколько оксидов, например производство чугуна в специально построенных печах, которые называются доменными, или домнами. Во-первых, железо добывают из руд, которые содержат 

Получение оксидов

Оксиды получают различными методами. Ознакомимся с некоторыми из них.

Непосредственное взаимодействие простых веществ с кислородом.

4 Li O₂₂O    4P 5O₂₂O₅

Разложение гидроксидов малоактивных металлов (т.е. нерастворимых в воде оснований).

Mg(OH)₂₂O    2A1(OH)₃₂O₃ 3H₂O

Разложение неустойчивых или слабых кислородсодержащих кислот.

H₂CO₃₂ ↑ H₂O            H₂SO₃₂ ↑ H₂OРазложение некоторых солей.
CaCO_{3 2}↑Если элемент образует несколько оксидов, путем окисления оксида с низковалентным элементом или, наоборот, восстановления оксида с высоковалентным элементам можно получить новые оксиды:
2NO O₂ → 2NO₂
CO₂ C

Вытеснение одного оксида другим оксидам из их солей. Малолетучие кислотные оксиды вытесняют летучие оксиды из их солей.

Na2CO₃ SiO₂₂SiO₃ CO₂↑Na₂SiO₃ CO₂ ↑

Эти реакции являются необратимыми.
В результате горения некоторых сложных веществ.
CH₄ 2O₂₂↑ 2H₂O ↑

Химические свойства оксидов. Изучим химические свойства каждого типа оксидов в отдельности. Каждый вид оксида обладает присущими ему химическими свойствами.

Взаимодействие основных оксидов с водой. Из основных оксидов лишь те оксиды, которые образованы щелочными и щелочноземельными металлами, вступая в обычных условиях в реакцию соединения с водой, образуют гидроксиды (щелочи).

Na2O H2O → 2NaOHCaO H2O → Ca(OH)2

Другие основные оксиды не вступают в реакцию с водой.Взаимодействие основных оксидов с кислотами и кислотными оксидами. Основные оксиды, вступая во взаимодействие с кислотными оксидами, образуют соли. При реакции с кислотами образуют соль и воду.

CaO CO_2з       CuO H₂SO₄ → CuSO₄ H₂O

Взаимодействие основных оксидов малоактивных металлов с восстановителями. Основные оксиды малоактивных металлов восстанавливаются посредством H2, С, СО до металла. Li2O, Na2O, K2O, CaO, BaO и др. в эти реакции не вступают, т.е. не восстанавливаются до металла.

CuO C

Взаимодействие кислотных оксидов с водой. Кроме оксида кремния (IV) (SiO2), все другие кислотные оксиды, вступая в реакцию соединения с водой, образуют кислоты. Эти реакции называются реакциями гидратации. Реакция взаимодействия NO2 с водой не является реакцией гидратации.

3NO₂ H₂O₃ NO
SO₃ H₂O → H₂SO₄

Кислотные оксиды не вступают в реакцию с большинством кислот. Амфотерные оксиды ни при каких условиях не вступают в реакцию с водой. Поскольку амфотерным оксидам присущи двойственные свойства, они вступают в реакции как с кислотами, так и с щелочами.

ZnO 2NaOH₂ZnO₂ H₂O

Na2ZnO2 — цинкат натрия

ZnO H2SO4 → ZnSO4 H2O

ZnSO4 —  сульфат цинка

Взаимодействие амфотерных оксидов с восстановителями. Амфотерные оксиды, взаимодействуя с восстановителями H2, С, СО, востанавливаются до свободного металла.

ZnO C

Смешанные оксиды ни при каких условиях не вступают в реакцию с водой.Взаимодействие сметанных оксидов с кислотами. При реакции этих оксидов с кислотами образуются две различные соли.

Fe3O4 8НС1 → FeCl2 2FeCl3 4H2O

Взаимодействие смешанных оксидов с восстановителями. Смешанные оксиды, взаимодействуя с восстановителями H2, С, СО, восстанавливаются до свободного металла.

Fe₃O₄ 4С0 ₂Разложение оксидов. Некоторые оксиды при нагревании разлагаются до свободного металла.
2HgO ₂ ↑

Задача:

Определите оксиды:

Решение: Li₂O, Na₂O, K₂O, CaO, BaO в нормальных условиях вступают в реакцию как с водой, так и с кислотами.
В таком случае, X_aO_b2O.Амфотерные оксиды (ВеО, ZnO, Fe₂O₃, Cr₂O₃, Al₂O₃) вступают в реакцию как с щелочами, так и с кислотами. В таком случае, Y_aO_b2O₃.Из кислотных оксидов CO₂, SO₂, SO₃, NO₂, N₂O₅, Р₂О₃, P₂O₅, CrO₃, Cl₂O₇ взаимодействуют как с водой, так и с щелочами. В таком случае, Z_aO_b3.
Ответ: А

Задача:

Какие выражения верные?1)    X неметалл2)    Y2O3 кислотный оксид3)    Z2O3 амфотерный оксид4)    Y неметалл5)    X металл

Решение: Если XO вступает в реакцию как с щелочами, так и с кислотами, то это амфотерный оксид (BeO, ZnO). Если Y2O3 вступает в реакцию только с щелочами, то это кислотный оксид (N2O3, Р2О3).

Расчеты по химическим уравнениям

В средние века алхимики не знали, что с помощью вычислений можно определить, какая масса вещества должна вступить в реакцию или образоваться в результате реакции. Они брали для экспериментов произвольные порции веществ и по их остаткам выясняли, какая масса каждого вещества прореагировала.

В настоящее время расчеты не только масс, но и количеств вещества реагентов и продуктов реакций, объемов газов осуществляют по химическим уравнениям. При этом используют значения относительных атомных, молекулярных, формульных или молярных масс. Благодаря таким расчетам химик или инженер-технолог может целенаправленно осуществлять химические превращения, получать продукты реакций в необходимом количестве, избегая избытка исходных веществ.

В этом параграфе рассмотрены решения нескольких задач с использованием химических уравнений. Напомним, что коэффициенты в уравнениях указывают на соотношение количеств вещества реагентов и продуктов реакций:

Пример №1

Какое количество вещества литий гидроксида образуется в результате реакции 4 моль литий оксида с достаточным количеством воды?

Решение

1. Составляем химическое уравнение:

2. Готовим запись для составления пропорции. Под формулами соединений х моль):3. Рассчитываем количество вещества литий гидроксида. Составляем пропорцию и решаем ее: по уравнению реакции из 1 моль х моль

Пример №2

Какая масса углекислого газа прореагирует с 28 г кальций оксида?

Решение

1-й способ

1. Составляем химическое уравнение:

Согласно уравнению, в реакцию вступают одинаковые количества вещества оксидов, например 1 моль

2. Определяем молярные массы веществ, указанных в условии задачи: 

Масса 1 моль

3. Записываем под формулами реагентов в химическом уравнении массы 1 моль каждого соединения, а над формулами — известную из условия задачи массу кальций оксида и неизвестную массу углекислого газа:

4. Вычисляем массу углекислого газа. Составляем пропорцию и решаем ее: по уравнению реакции

56 г х г

2-й способ

1. Составляем химическое уравнение:

2. Рассчитываем количество вещества кальций оксида:

3. Записываем под формулами реагентов в химическом уравнении их количества вещества согласно коэффициентам, а над формулами — вычисленное количество вещества кальций оксида и неизвестное количество вещества углекислого газа:

4. Вычисляем количество вещества углекислого газа:

5. Находим массу углекислого газа:

Ответ:

Пример №3

Какой объем сернистого газа (н. у.) прореагирует с натрий гидроксидом с образованием натрий сульфита количеством вещества 0,2 моль?

Решение

1. Записываем химическое уравнение и готовим запись для составления пропорции:

2. Находим количество вещества сернистого газа. Составляем пропорцию и решаем ее:
из 1 моль
из х моль

3. Вычисляем объем сернистого газа при нормальных условиях:

Ответ:

В некоторых задачах речь идет о двух одновременно протекающих реакциях. Способ их решения заключается в составлении математического уравнения с одним неизвестным (или системы двух уравнений с двумя неизвестными).

Пример №4

После добавления достаточного количества воды к 11,6 г смеси оксидов Лития и Кальция образовалось 17,0 г смеси гидроксидов. Найти массы оксидов в смеси.

Решение

1. Принимаем массу литий оксида за х г. Тогда масса кальций оксида будет равна (в граммах):

2. Вычисляем молярные массы оксидов и гидроксидов Лития и Кальция:

3. Составляем уравнения реакций с записями масс реагентов и продуктов, обозначив неизвестные массы соединений

4. Записываем две пропорции и получаем математические выражения для масс гидроксидов:

5. Приравниваем сумму найденных масс гидроксидов к 17,0 г, решаем уравнение и находим массы оксидов:

Ответ:

Выводы:

Для того чтобы вычислять массы, количества вещества реагентов и продуктов реакций, объемы газов, используют химические уравнения.

Решение задач осуществляют составлением пропорций, а также по формулам, которые отображают связь между соответствующими физическими величинами.

Таблица оксидов (1 часть):

Таблица оксидов (2 часть):