Хімічні властивості оксидів

Основні оксиди — це оксиди металів, яким відповідають основи (гідроксиди). Їхня головна хімічна риса — здатність реагувати з кислотами, кислотними оксидами й (для деяких) з водою. Розберімо кожну з цих реакцій окремо.

Реакція з водою

З водою реагують лише основні оксиди лужних (Na, K) і лужноземельних (Ca, Sr, Ba) металів. Продукт — луг (розчинна основа):

• Na₂O + H₂O → 2NaOH — натрій гідроксид (їдкий натр)

• K₂O + H₂O → 2KOH — калій гідроксид

• CaO + H₂O → Ca(OH)₂ — кальцій гідроксид (гашене вапно); цей процес називають гасінням вапна і він супроводжується сильним виділенням тепла

Магній оксид MgO може повільно гідратуватися до Mg(OH)₂, однак ця основа нерозчинна, тому MgO не відносять до оксидів, що утворюють луги. Оксиди FeO, CuO, Fe₂O₃ (і взагалі більшість основних оксидів перехідних металів) з водою за звичайних умов не реагують.

Реакція з кислотами

Будь-який основний оксид реагує з кислотою, утворюючи сіль і воду. Це реакція нейтралізації в широкому сенсі. Ступінь окиснення металу в ній не змінюється — це не окисно-відновна реакція.

• CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O — чорний порошок купрум(II) оксиду розчиняється, розчин набуває блакитно-зеленого кольору

• CaO + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + H₂O

• Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O

• MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O

Реакція з кислотними оксидами

Основний оксид + кислотний оксид → сіль. Вода в цій реакції не утворюється. Кислотний оксид виконує роль ангідриду кислоти — він стає кислотним залишком у складі солі, зберігаючи свій ступінь окиснення:

• CaO + CO₂ → CaCO₃ (кальцій карбонат)

• Na₂O + SO₃ → Na₂SO₄ (сульфат — ступінь окиснення Сульфуру +6)

• CaO + SiO₂ → CaSiO₃ (кальцій силікат, реакція під час сплавляння)

• Na₂O + SO₂ → Na₂SO₃ (сульфіт — ступінь окиснення Сульфуру +4)

Зверни увагу: SO₂ дає сульфіт (SO₃²⁻), а SO₃ — сульфат (SO₄²⁻). Ступінь окиснення Сульфуру в продукті той самий, що й у вихідному оксиді.

Чого не роблять основні оксиди

• Не реагують з лугами (основний оксид + луг — неможлива пара).

• Не реагують з іншими основними оксидами.

• Реакції з амфотерними оксидами й гідроксидами розглядають окремо — в уроці про амфотерність.

Кислотні оксиди — це оксиди неметалів або металів у високому ступені окиснення (наприклад, CrO₃, Mn₂O₇). Їм відповідають кислоти. Розгляньмо їхні реакції з водою, лугами й основними оксидами.

Реакція з водою

Більшість кислотних оксидів реагує з водою, утворюючи відповідну кислоту. Продукт — кислота, а не сіль:

• SO₃ + H₂O → H₂SO₄ — сульфатна кислота

• P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄ — ортофосфатна кислота

• N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃ — нітратна кислота

• CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ — карбонатна кислота (оборотна, нестійка)

• SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃ — сульфітна кислота (оборотна, нестійка)

Важливий виняток: силіцій(IV) оксид SiO₂ з водою не реагує. Тому силікатну кислоту H₂SiO₃ добувають іншими способами (наприклад, дією кислоти на натрій силікат).

Реакція з лугами

Кислотний оксид + луг → сіль + вода. Це аналог реакції основного оксиду з кислотою, тільки «ролі» змінені:

• CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O

• SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃↓ + H₂O (кальцій сульфіт випадає в осад)

• P₂O₅ + 6KOH → 2K₃PO₄ + 3H₂O

• SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O (під час сплавляння)

Якщо кислотного оксиду взято в надлишку, замість середньої солі може утворитися кисла сіль. Наприклад, CO₂ (надлишок) + NaOH → NaHCO₃. Цю тему розглядають в уроці про кислі солі.

Реакція з основними оксидами

Кислотний оксид + основний оксид → сіль. Це дзеркальна реакція до тієї, що ми вже розібрали в попередньому розділі. Вода не утворюється.

Чого не роблять кислотні оксиди

• Не реагують з кислотами (кислотний оксид + кислота — неможлива пара).

Зведена таблиця реакцій оксидів

Оксиди можна добути кількома способами. Програма НМТ передбачає три: горіння простих речовин, горіння (випалювання) складних речовин і розкладання нерозчинних основ, деяких кислот і солей під час нагрівання.

Горіння простих речовин

Більшість металів і неметалів згоряють у кисні, утворюючи оксиди:

• 2Mg + O₂ → 2MgO — магній оксид

• 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ — алюміній оксид

• 2Cu + O₂ → 2CuO — купрум(II) оксид (потрібне нагрівання)

• S + O₂ → SO₂ — сульфур(IV) оксид (сірка згоряє до SO₂, а не до SO₃!)

• 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ — фосфор(V) оксид

• C + O₂ → CO₂ — карбон(IV) оксид

Пастки: сірка згоряє до SO₂, а не SO₃; залізо в кисні дає залізну окалину Fe₃O₄, а не Fe₂O₃; натрій утворює пероксид Na₂O₂, а не Na₂O.

Горіння й випалювання складних речовин

За достатньої кількості кисню складні речовини згоряють, утворюючи оксиди елементів, що входять до їхнього складу:

• CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O — горіння метану

• 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O — горіння сірководню

• 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂ — випалювання цинкової руди (сульфіду)

• 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂ — випалювання піриту (залізного колчедану)

Термічне розкладання

Нерозчинні основи:

• Cu(OH)₂ → CuO + H₂O (нагрівання)

• 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O (нагрівання)

Кислоти:

• H₂SiO₃ → SiO₂ + H₂O (нагрівання)

• H₂CO₃ → CO₂ + H₂O (розкладається вже за кімнатної температури)

Солі (карбонати):

• CaCO₃ → CaO + CO₂ — випалювання вапняку

• MgCO₃ → MgO + CO₂

Луги (NaOH, KOH) і карбонати лужних металів (Na₂CO₃, K₂CO₃) під час нагрівання не розкладаються. SO₃ добувають каталітичним окисненням SO₂: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃.

Розгляньмо типові завдання НМТ, які перевіряють хімічні властивості оксидів. Кожен приклад супроводжується покроковим розв'язанням.

Приклад 1. Речовина, з якою реагують і CaO, і CO₂

Завдання: Укажіть речовину, з якою реагує кожний з оксидів: кальцій оксид і карбон(IV) оксид.

• А хлоридна кислота

• Б натрій гідроксид

• В вода

• Г натрій хлорид

Розв'язання: CaO — основний оксид, CO₂ — кислотний оксид. Нам потрібна речовина, що реагує з обома. Вода реагує і з CaO (CaO + H₂O → Ca(OH)₂), і з CO₂ (CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃). Хлоридна кислота реагує тільки з CaO (основний оксид + кислота), але не з CO₂. Натрій гідроксид реагує тільки з CO₂ (кислотний оксид + луг), але не з CaO. Натрій хлорид не реагує з жодним.

Відповідь: В (вода).

Чому інші варіанти неправильні: А — HCl реагує лише з основним оксидом; Б — NaOH реагує лише з кислотним оксидом; Г — NaCl — сіль, не реагує з оксидами.

Приклад 2. Логічні пари: реагенти → продукти

Завдання: Установіть відповідність між реагентами (1–3) і продуктами реакції (А–Д).

Розв'язання: 1 — CaO + H₂O → Ca(OH)₂ (А). 2 — SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O (В); SO₃ — ангідрид сульфатної кислоти, тому утворюється сульфат, а не сульфіт. 3 — CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O (Г); це реакція основного оксиду з кислотою, водень не виділяється.

Відповідь: 1 → А, 2 → В, 3 → Г. Б і Д — зайві.

Чому інші варіанти неправильні: Б (Na₂SO₃) — це продукт реакції SO₂ з лугом, а не SO₃; Д (CuSO₄ + H₂) — водень виділяється лише в реакції металу з кислотою, а CuO — оксид, не метал.

Приклад 3. Оксид, що реагує з водою з утворенням кислоти

Завдання: Укажіть оксид, який реагує з водою з утворенням кислоти.

• А SiO₂

• Б P₂O₅

• В CuO

• Г CO

Розв'язання: P₂O₅ — кислотний оксид, реагує з водою: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. SiO₂ — кислотний оксид, але з водою не реагує. CuO — основний оксид, з водою не реагує. CO — несолетворний оксид, з водою не реагує.

Відповідь: Б (P₂O₅).

Чому інші варіанти неправильні: А — SiO₂ не реагує з водою; В — CuO не реагує з водою; Г — CO несолетворний, не реагує з водою.

Приклад 4. Яким процесом не можна одержати оксид

Завдання: Укажіть процес, яким не можна одержати оксид.

• А нагрівання Cu(OH)₂

• Б нагрівання Na₂CO₃

• В випалювання CaCO₃

• Г горіння H₂S

Розв'язання: Нагрівання Cu(OH)₂ → CuO + H₂O (оксид утворюється). Випалювання CaCO₃ → CaO + CO₂ (оксид утворюється). Горіння H₂S: 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O (оксид SO₂ утворюється). Нагрівання Na₂CO₃ — натрій карбонат не розкладається під час нагрівання, оксид не утворюється.

Відповідь: Б (нагрівання Na₂CO₃).

Чому інші варіанти правильні: А — Cu(OH)₂ розкладається на CuO і H₂O; В — CaCO₃ розкладається на CaO і CO₂; Г — H₂S згоряє до SO₂ і H₂O.

• Помилка: вважають, що CuO чи Fe₂O₃ реагують з водою з утворенням основи. Насправді ці оксиди з водою за звичайних умов не реагують. Луги утворюють лише оксиди лужних і лужноземельних металів (Na₂O, K₂O, CaO, SrO, BaO).

• Помилка: записують SiO₂ + H₂O → H₂SiO₃. Насправді силіцій(IV) оксид з водою не реагує. Силікатну кислоту добувають дією кислоти на розчинний силікат.

• Помилка: пишуть реакцію кислотного оксиду з кислотою (наприклад, CO₂ + HCl) або основного оксиду з лугом (CaO + NaOH). Такі реакції неможливі: кислотний оксид реагує з лугом, а основний — з кислотою.

• Помилка: у реакції основного оксиду з кислотним дописують воду: CaO + CO₂ → CaCO₃ + H₂O. Насправді вода не утворюється — продуктом є тільки сіль.

• Помилка: змінюють ступінь окиснення: SO₂ + NaOH → Na₂SO₄ замість Na₂SO₃. Ступінь окиснення Сульфуру в SO₂ (+4) зберігається в сульфіті (SO₃²⁻). Сульфат (SO₄²⁻) утворюється тільки з SO₃.

• Помилка: вважають, що сірка згоряє до SO₃, а залізо — до Fe₂O₃. Насправді сірка згоряє до SO₂, а залізо в кисні утворює залізну окалину Fe₃O₄.

У демоваріанті НМТ 2026 року окреме завдання, де тема 2.2.1 «Оксиди» була б основною, відсутнє. Однак властивості оксидів регулярно перевіряють у завданнях різних форматів.

Формат 1: вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання 1–18)

Це завдання на 0 або 1 бал. Приклад: «Укажіть речовину, з якою реагує кожний з оксидів: кальцій оксид і карбон(IV) оксид». Тут перевіряють уміння знайти спільний реагент для основного й кислотного оксиду.

Формат 2: логічні пари (завдання 19–20)

Формат «1–3 → А–Д», де дві букви зайві. Кожна правильно встановлена пара дає 1 бал (максимум 3 бали за завдання). Тема — «реагенти → продукти». Наприклад, потрібно зіставити реагент (CaO + H₂O) з продуктом (Ca(OH)₂).

Довідкові матеріали

Під час НМТ доступна таблиця розчинності. Вона допомагає визначити, чи розчинна основа (луг) і чи випаде сіль в осад (наприклад, CaSO₃, CaCO₃). Рівнянь реакцій оксидів у довідці немає — їх треба знати.

Стратегія розв'язання

• Для кожного реагенту спершу визнач тип оксиду: основний, кислотний чи амфотерний.

• Перевір пару за логікою: основний оксид реагує з кислотами й кислотними оксидами; кислотний оксид реагує з лугами й основними оксидами.

• Переконайся, що ступінь окиснення елемента в продуктах не змінився — у кислотно-основних реакціях він залишається сталим.

• Звіряйся з таблицею розчинності, щоб визначити, чи випадає сіль в осад.

• Na₂O, K₂O, CaO з водою утворюють луги; MgO повільно утворює Mg(OH)₂; вивчені кислотні оксиди (SO₃, P₂O₅, N₂O₅) утворюють кислоти, крім SiO₂, який з водою не реагує.

• Основний оксид + кислота → сіль + вода.

• Кислотний оксид + луг → сіль + вода.

• Основний оксид + кислотний оксид → сіль, без води.

• У розглянутих кислотно-основних реакціях ступінь окиснення елемента не змінюється.

• Оксиди одержують горінням простих і складних речовин, а також термічним розкладанням нерозчинних основ, кислот і карбонатів.

• Основні оксиди не реагують з лугами; кислотні оксиди не реагують з кислотами.