Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Балаковский инженерно-технологический институт

Кислородные соединения металлов

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу «Химия» для студентов технических направлений,

по курсу «Общая и неорганическая химия» для студентов

направления ХМТН всех форм обучения

Балаково 2012

Цель работы: ознакомиться с наиболее важными химическими свойствами оксидов и гидроксидов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Кислородные соединения металлов – оксиды и гидроксиды имеют большое значение.

Оксиды металлов– это соединения металлов с кислородом. Состав выражается общей формулойMe_xO_y. По химическим свойствам оксиды металлов подразделяются на: основные, амфотерные, кислотные. Химический характер металлов в значительной мере сказывается на свойствах оксидов и гидроксидов. Металлы щелочные (1-А группы) и щелочно-земельные (2-А группы), металлы побочных подгрупп в низшей степени окисления (+1,+2) образуют основные оксиды. По мере уменьшения активности металлов, свойства их оксидов изменяются от типично основных через амфотерные к кислотным [1-4].

Основные и амфотерные оксидыобразуют одновалентные и двухвалентные металлы,кислотные оксиды– металлы с высшей валентностью. Одновалентные металлы образуют оксиды, например,Na₂О, К₂О,Cu₂О и др. Большинство двухвалентных металлов, за исключением (Be,Zn,Pb,Sn), также образуют оксиды, например,BaO, СаО,FeOи др.

Be,Zn,Pb,Snи большинство трех- и четырехвалентных металлов образуют амфотерные оксиды, например, ВеО,ZnО,PbO₂,SnO_2.,А1₂O₃, Сr₂O₃,Fe₂O₃ ,MnO₂ и др.

Пяти-, шести- и семивалентные металлы образуют кислотные оксиды, например, Sb₂O₃,CrO₃, Мп₂O₇и др. [1-4].

Изменение состава и характера оксидов можно проследить на примере высших оксидов элементов четвертого периода. В этом ряду наблюдается постепенный переход от типично основных оксидов (K₂O,CaO) через амфотерные (Se₂O₃,TiO₂) к кислотным (V₂O₅,CrO_3, Mn₂O₇). Такое же соответствие наблюдается в изменении свойств оксидов одного и того же элемента. Например, марганец образует несколько оксидов: основные –MnO,Mn₂O₃; амфотерный –MnO₂; кислотные –MnO₃,Mn₂O₇ [1-4].

Химические свойства оксидов

Связи в молекулах основных оксидов, например Na₂O,CaO, ионные или сильно полярные, что обусловливает их прочность, твердость, тугоплавкость. Основные оксиды при взаимодействии с кислотами, кислотными или амфотерными оксидами с образую соли:

К₂О + 2НС1 = 2КCl+H₂O

BaO+P₂O₅=Ba₃(PO₄)₂

CaO+Al₂O₃Ca(AlO₂)₂

Оксиды наиболее активных металлов при взаимодействии с водой образуют гидроксиды – типичные основания

Na₂O+H₂O= 2NaOH

Высшие оксиды малоактивных металлов, например CrO₃,Mn₂O₇, обладающие кислотными свойствами, характеризуются наличием ковалентных связей в молекуле, что обусловливает непрочность их кристаллических решеток. Эти оксиды с водой образуют гидроксиды, проявляющие кислотные свойства.

CrO₃+H₂O=H₂CrO₄

хромовая кислота

Амфотерными называются оксиды, которые, в зависимости от условий, проявляют и основные, и кислотные свойства. Амфотерные оксиды образуют металлы III-А группы; почти все металлы в степени окисления +3, +4.

Al₂O₃ + 2NaOH_(р-р) + 3H₂O = 2Na [Al(OH)₄]

тетрагидрооксоалюминат натрия

Al₂O₃ + 2NaOH_(тв.) 2NaAlO₂ + H₂O

алюминат натрия

Al₂O₃ +6HCl= 2AlCl₃+ 3H₂O

Амфотерные свойства проявляет оксид железа Fe₂O₃, при действии кислот он образует соответствующие соли, при сплавлении сNaOHилиNa₂СO₃– диоксифферат железа (III)NaFeO₂[1-4].

Оксиды металлов, взаимодействуя с кислотными оксидами или с кислотами, образуют соли:

СаО + 2HCl=CaCl₂+ 2H₂O

MgO+P₂O₅=Mg₃(PO₄)₂

Способы получения оксидов металлов

1. Окисление соответствующих металлов и оксидов кислородом:

2Са + O₂ = 2СаO

Этот метод не используется для получения оксидов щелочных металлов, так как они (кроме лития) при окислении образуют пероксиды.

2. Образование высших оксидов происходит при окислении кислородом соответствующих низших оксидов, сульфидов:

SnS₂+ 3O₂=SnO₂+ 2SO₂

3. Окисление соответствующих металлов оксидами других металлов:

2Аl+Cr₂O₃= 2Cr+Al₂O₃

4. Разложение оксидов и гидроксидов:

4CrO₃ 2Cr₂O₃ + 3О₂

Mg(OH)₂ MgO + H₂O

5. Разложение некоторых солей кислородосодержащих кислот:

CaCO₃ CaO+CO₂

Гидроксиды металлов– это соединения, в молекулах которых атомы металлов связаны с гидроксильными группами. Состав гидрооксидов выражается формулойMe(OH)_n, гдеn- степень окисления металла.

Гидрооксиды наиболее активных металлов характеризуются основными свойствами. По мере уменьшения активности металлов, свойства их гидрооксидов непрерывно изменяются от типичных оснований через амфотерные соединения к кислотам. Изменения состава и характера гидроксидов металлов можно видеть на примере элементов четвертого периода KOH,Ca(OH)₂,Se(OH)₃,Ti(OH)₄,Ti(OH)₂O,V(OH)O₂,HVO₃,H₂CrO₄,HMnO₄. В этом ряду наблюдается переход от типичных оснований – гидрооксидов калия и кальция к кислотам – хромовой и марганцевой [1-4].

В основных гидроксидах металл с кислородом связан ионной связью, а водород с кислородом – ковалентной. В кислотных гидрооксидах, наоборот, связь кислорода с металлом ковалентная, а с водородом – ионная или сильно полярная.

Растворимые в воде гидроксиды (щелочи) образуют щелочные металлы, за исключением LiOH. Умеренно растворимые – гидрооксиды щелочно-земельных металлов.

Способы получения растворимых гидроксидов

1. Взаимодействие металлов 1-А группы или 11-А группы с водой:

Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

Ba + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂

2. Взаимодействие оксидов металлов 1-А группы или 11-А группы (кроме ВеО и МgO) с водой:

К₂O + H₂O = 2KOH

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

3. Взаимодействие пероксидов калия или натрия с водой:

2К₂O+ 2H₂O= 4KOH+ О₂

4. Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O 2NaOH + Cl₂+H₂

5. Нерастворимые в воде гидроксиды получают косвенным путем: реакциями обмена солей металлов с гидрооксидами более активных металлов:

CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂+ K₂SO₄

Амфотерным оксидам соответству­ют амфотерные гидроксиды, например: А1(ОН)₃Н₃AlО₃, H₂ZnO₂ Zn(OH)₂

Амфотерные оксиды с водой не взаимодействуют, поэтому получить гидроксиды можно косвенным путем:

2Al(NO₃)₃ + 3KOH = Al(OH)₃+ 3KNO₃

Химические свойства

При нагревании щелочи плавятся, нерастворимые гидроксиды разлагаются, например:

Cu(OH)₂ CuO+H₂O

Самые непрочные гидроксиды AgOH,Hg₂(OH)₂,Hg(OH)₂ разлагаются в момент своего образования:

Hg(NO₃)₂ +2NaOH = HgO+ 2Na NO₃ + H₂O

Hg₂(NO₃)₂+2NaOH = Hg₂O+ 2Na NO₃ + H₂O

Амфотерные гидроксиды, как правило, плохо растворяются в воде. Амфотерные гидроксиды способны растворяться в кислотах и в щелочах, т.е. обладают одновременно свойствами оснований и кислот.

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂Zn(OH)₄

тетраоксоцинкат натрия

Zn(OH)₂ + 2NaOH Na₂ZnO₂ + 2H₂O

цинкат натрия

Zn(OH)₂ + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂O