Условие задачи

Что вы знаете о применении оксидов CO2, H2O, SiO2 и др.? Составьте формулы оксидов: S(IV), Cu(II), Fe(III), Hg(II), N(V), P(V), Se(VI), Cl(VII). Какие из них вступают в реакцию с водой? Составьте уравнения этих реакций.

Решение

Ниже приведено подробное решение, основанное на неорганической химии, в частности на химии оксидов и их реакциях с водой (гидратация, образование кислот или щёлочей).

─────────────────────────────
1. Применение оксидов CO₂, H₂O, SiO₂ и других

• CO₂ (углекислый газ) широко используется для получения газированных напитков, в технологиях повышения нефтеотдачи, как хладагент, а также как один из парниковых газов, влияющих на климат. При растворении в воде он образует слабую угольную кислоту (H₂CO₃).

• H₂O (вода) является универсальным растворителем, средой для большинства химических реакций, а также важнейшим компонентом живых организмов и технологий переработки материалов.

• SiO₂ (диоксид кремния) применяется при производстве стекла, керамики, строительных материалов, а также в микро- и наноэлектронике (например, в виде тонких пленок в интегральных схемах). Он практически не взаимодействует с водой при нормальных условиях.

─────────────────────────────
2. Составление формул оксидов с заданными степенями окисления

Для составления формулы оксида необходимо, чтобы сумма зарядов элементов давала ноль. Заряд кислорода всегда равен –2.

а) S(IV):
– Сера в степени окисления +4, кислород –2.
Для нейтрального оксида нужно: (+4) + 2×(–2) = 0.
Ответ: SO₂.

б) Cu(II):
– Медь во второй степени окисления +2, кислород –2.
(+2) + (–2) = 0.
Ответ: CuO.

в) Fe(III):
– Железо с зарядом +3, кислород –2.
Чтобы суммарный заряд нулевой, нужно взять два атома Fe: 2×(+3)=+6, тогда понадобится 3 атома кислорода, так как 3×(–2)=–6.
Ответ: Fe₂O₃.

г) Hg(II):
– Ртуть со зарядом +2, кислород –2.
(+2) + (–2) = 0.
Ответ: HgO.

д) N(V):
– Азот в степени окисления +5, кислород –2.
Для образования нейтральной молекулы часто используют два атома азота: 2×(+5)=+10, тогда необходимо 5 атомов кислорода, так как 5×(–2)=–10.
Ответ: N₂O₅.

е) P(V):
– Фосфор в степени окисления +5, кислород –2.
На практике существует тетрафосфорный оксид, эквивалентный формуле P₂O₅, который в реальности существует как P₄O₁₀ (при этом отношение атомов сохраняется: 4×(+5)=+20 и 10×(–2)=–20).
Ответ: P₄O₁₀ (принимаем наиболее устойчивую форму).

ж) Se(VI):
– Селен в степени окисления +6, кислород –2.
(+6) + 3×(–2)=0.
Ответ: SeO₃.

з) Cl(VII):
– Хлор в степени окисления +7, кислород –2.
При двух атомах хлора: 2×(+7)=+14, для нейтральности необходимо 7 атомов кислорода: 7×(–2)=–14.
Ответ: Cl₂O₇.

─────────────────────────────
3. Реакция оксидов с водой

Обычно реакция с водой характерна для неметаллических (кислотных) оксидов, которые при гидратации образуют соответствующие кислоты. Рассмотрим каждый оксид по отдельности.

а) CO₂
Реакция с водой приводит к образованию угольной кислоты:
CO₂ + H₂O → H₂CO₃.

б) SO₂ (окись серы(IV))
При растворении в воде образуется сульфитная кислота (сернистая кислота):
SO₂ + H₂O → H₂SO₃.

в) N₂O₅
Гидратация приводит к получению азотной кислоты:
N₂O₅ + H₂O → 2 HNO₃.

г) P₄O₁₀
Реагирует с водой с образованием фосфорной кислоты:
P₄O₁₀ + 6 H₂O → 4 H₃PO₄.

д) SeO₃
При реагировании с водой образуется селевая (селесная) кислота – эквивалент селеновой кислоты:
SeO₃ + H₂O → H₂SeO₄.

е) Cl₂O₇
Гидратация дает перхлорную кислоту:
Cl₂O₇ + H₂O → 2 HClO₄.

Для оксидов металлов, таких как CuO, Fe₂O₃ и HgO, характерно, что они либо малорастворимы в воде, либо при растворении образуют слабые основания (гидроксиды), но при взаимодействии с чистой водой эти реакции не протекают заметно. Например, CuO и HgO практически не реагируют с водой, а Fe₂O₃ обладает амфотерными свойствами и не вступает в явную реакцию с водой без добавления кислоты или щёлочи.

Кроме того, H₂O сам по себе и SiO₂ практически не реагируют с водой.

─────────────────────────────
Вывод

Используя правила составления формул оксидов, получаем следующие формулы:

• Окись серы(IV): SO₂
• Окись меди(II): CuO
• Окись железа(III): Fe₂O₃
• Окись ртути(II): HgO
• Окись азота(V): N₂O₅
• Окись фосфора(V): P₄O₁₀
• Окись селена(VI): SeO₃
• Окись хлора(VII): Cl₂O₇

Из них с водой реагируют непременно неметаллические (кислотные) оксиды: CO₂, SO₂, N₂O₅, P₄O₁₀, SeO₃ и Cl₂O₇, дающие при гидратации соответствующие кислоты. Металлические оксиды (CuO, Fe₂O₃, HgO), как правило, не вступают в реакцию с водой при стандартных условиях.

Таким образом, уравнения гидратации неметаллических оксидов приведены выше.