Są takie rzeczy, których po prostu w chemii trzeba się nauczyć. Teraz musimy porządnie przysiąść i spróbować przyswoić podstawowe informacje o najważniejszych tlenkach.
Potraktuj to jako taki dział przeglądowy, dzięki któremu będzie można powtórzyć całkiem sporo chemii, tak po prostu.
1. Właściwości tlenków węgla
➤ Tlenek węgla (II), czyli tlenek o wzorze CO jest znany potocznie jako czad. Jest bezbarwnym i bezwonnym gazem. Tlenek węgla jest silną trucizną. Wiąże on hemoglobinę we krwi uniemożliwiając przyłączenie do niej tlenu − powoduje to śmierć w pożarach! Ważne życiowo, więc zapamiętaj to (śmierć nadchodzi zatem niespodziewanie, ponieważ nic nie czujemy, żadnego zapachu, ani nic nie widzimy, bo CO jest bezbarwny)! Wzór elektronowy tlenku CO pokazano niżej.
Jak widzimy mamy tam wiązanie koordynacyjne oraz po jednej wolnej parze elektronowej na atomie węgla oraz tlenu. Zwróć uwagę, że dzięki takiemu układowi wiązań, każdy atom ma oktet! Gdybyś dał tylko dwa wiązania między węglem i tlenem, to węgiel nie miałby oktetu!
➤ Tlenek węgla (IV), czyli tlenek o wzorze CO2 jest obecny w atmosferze (0,03%) i w powietrzu przez nas wydychanym. Jest to bezbarwny gaz, bez zapachu, nie pali się, ani też nie podtrzymuje palenia. Całkiem dobrze rozpuszcza się w wodzie. W postaci zestalonej nazywa się go suchym lodem (zastosowanie jako preparat chłodzący).
Jest to bezwodnik kwasu węglowego , jednak równowaga reakcji jego tworzenia jest przesunięta w lewą stronę (z tego powodu, gdy w reakcji powstaje nam H2CO3 to rozpisujemy go jako mieszaninę CO2 + H2O) :
CO2 + H2O ⇄ H2CO3
Cząsteczka CO2 jest liniowa.
Niezwykle ważna jest identyfikacja tego gazu! Robimy to przy pomocy wody wapiennej. W zetknięciu się wody wapiennej z dwutlenkiem węgla następuje reakcja :
Ca(OH)2 + CO2 ⟶ CaCO3 ↓ + H2O
Wytrącenie się węglanu wapnia ( CaCO3 ) powoduje zmętnienie wody wapiennej (to jest naszą obserwacją!)
2. Właściwości tlenków azotu
➤ tlenek azotu (V) czyli N2O5 to bezwodnik kwasu azotowego HNO3 . Tworzy bezbarwne kryształy, jest bardzo mocnym utleniaczem. Reaguje bardzo energicznie z wodą tworząc kwas azotowy (V).
N2O5 + H2O ⟶ 2 HNO3
➤ tlenek azotu (III) czyli N2O3 to niebieska ciecz (otrzymuje się go w niższych temp.), ulega rozkładowi do tlenków NO + NO2 . Jego barwa przez to staje się bardziej żółta. Jest bezwodnikiem kwasu HNO2 .
N2O3 + H2O ⟶ 2HNO2
N2O3 ⇄ NO + NO2
➤ tlenek azotu (IV) czyli NO2 oraz jego dimer N2O4 (formalnie byłby to tetratlenek diazotu).
➢ tlenek NO2 jest czerwonobrunatnym gazem (ważne!) o nieprzyjemnym zapachu, trujący. Jest to bezwodnik mieszany, ponieważ podczas reakcji z wodą tworzy się mieszanina kwasów HNO2 + HNO3 . Jest to rodnik. Poniżej zaprezentowano schemat, który pomaga zrozumieć, dlaczego NO2 jest mieszanym bezwodnikiem.
2NO2 + H2O ⟶ HNO2 + HNO3
Mówiąc o jednym z tych tlenków, nie da się nie mówić jednocześnie o drugim, ponieważ współistnieją one ze sobą w równowadze (to była jak pamiętasz modelowa reakcja, kiedy omawialiśmy równowagę chemiczną!). Uwzględniając ten fakt, reakcja tworzenia dwóch różnych kwasów z wodą nabiera sensu.
2NO2 ⇄ 2N2O4
➢ tlenek N2O4 to bezbarwny gaz : mocny utleniacz − atakuje on wiele metali!
➤ tlenek azotu (II) czyli NO to jak pamiętamy cząsteczka będąca rodnikiem (obecność niesparowanego elektronu). W odróżnieniu jednak od NO2 , który również jest rodnikiem to nie ulega on dimeryzacji (chyba, że w odpowiednich warunkach). Jest to bezbarwny gaz (niebieska ciecz po skropleniu).
Jeśli wybierasz się potem na medycynę, to gwarantuję, że o tym tlenku wiele usłyszysz, ponieważ spełnia on całą masę biologicznych funkcji. Przede wszystkim znany jest z działania rozkurczającego mięśniówkę, stąd rola m.in w regulacji ciśnienia tętniczego.
➤ tlenek azotu (I) czyli N2O to bezbarwny gaz o słodkawym zapachu. Nie reaguje z wodą, tylko się w niej rozpuszcza − zatem nie jest bezwodnikiem. Jest używany w anestezjologii (zwany ,,podtlenkiem”) do znieczulenia. Znany też jako gaz rozweselający (działanie podniecająco−oszałamiające).
3. Właściwości tlenków siarki
➤ tlenek siarki (IV), czyli tlenek o wzorze SO2 to gaz o drażniącym zapachu. Po skropleniu jest bezbarwną cieczą. Można go otrzymać w wyniku spalania siarki w tlenie.
SO2 + 2NaOH ⟶ Na2SO3 + H2O
➤ tlenek siarki (VI), czyli tlenek o wzorze SO3 to ciecz. Nie da się go otrzymać w wyniku spalania siarki w tlenie, proces taki wymaga katalizatora wanadu.
SO3 + H2O ⟶ H2SO4
SO3 + 2KOH ⟶ K2SO4 + H2O
4. Właściwości innych tlenków
➤ Tlenek krzemu (IV), inaczej krzemionka lub kwarc o wzorze SiO2 . Kwarc to w rzeczywistości jedna z odmian krystalicznych (polimorficznych) tlenku krzemu, istnieją także inne (krystobalit, trydymit). Wszystkie odmiany wykazują się bardzo małą reaktywnością, ale działa na nie HF oraz można je stapiać z wodorotlenkami czy węglanami litowców. Ogólnie tak po ludzku, tlenek krzemu (IV) to piasek (jest jego głównym składnikiem).
SiO2 + 2NaOH ⟶ Na2SiO3 + H2O lub SiO2 + 4NaOH ⟶ Na4SiO4 + 2H2O
SiO2 + Na2CO3 ⟶ Na2SiO3 + CO2 lub SiO2 + 2 Na2CO3 ⟶ Na4SiO4 + 2CO2
➤ Tlenek glinu , czyli Al2O3 . Jego najważniejszą cechą, którą koniecznie musisz zapamiętać jest to, że jest on amfoteryczny, czyli będzie reagował z mocnymi kwasami i zasadami i nie będzie reagował z wodą. Poniżej znajdują się reakcje z kwasem i zasadą potwierdzające ten charakter.
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O ⟶ 2Na[Al(OH)4]
lub : Al2O3 + 6NaOH + 3H2O ⟶ 2Na3[Al(OH)6]
Al2O3 + 6HCl ⟶ 2AlCl3 + 3H2O
➤ Tlenek cynku , czyli ZnO. Jest amfoteryczny : wraz z tlenkiem i wodorotlenkiem glinu to dwa najważniejsze zestawy ,,amfoterów”, o których należy pamiętać! Poniżej znajdują się reakcje z kwasem i zasadą potwierdzające ten charakter.
ZnO + 2NaOH + H2O ⟶ Na2Zn(OH)4
ZnO + H2SO4 ⟶ ZnSO4 + H2O
➤ tlenek manganu (II), czyli związek o wzorze MnO , który ma właściwości zasadowe. Nie rozpuszcza się w wodzie, ale rozpuszcza się w kwasach.
➤ tlenek manganu (IV), czyli związek o wzorze MnO2 , który ma właściwości słabo amfoteryczne. Uwodniony tlenek ma barwę od brunatnej do czarnej. Sole manganu (IV) są nietrwałe i od razu ulegają rozkładowi, dlatego też w reakcji MnO2 z HCl powstaje chlorek manganu (II) oraz chlor, a sam MnO2 zachowuje się jak utleniacz.
MnO2 + 4HCl ⟶ MnCl2 + Cl2 + 2H2O
MnO2 + H2SO4 ⟶ MnSO4 + ½ O2 + H2O
➤ tlenek manganu (VII), czyli związek o wzorze Mn2O7 , który ma właściwości kwasowe, jest bezwodnikiem kwasu HMnO4 . To zielona, higroskopijna ciecz, która wybucha już w temperaturze − 10℃. Jest wręcz niebezpiecznym utleniaczem. Łatwo ulega rozkładowi z wydzieleniem tlenu do stabilniejszego MnO2 . Równanie reakcji jest bardzo podobne do motywu z powstającym nietrwałym kwasem H2CO3 , który też rozpisujemy w formie tlenek + woda.
2KMnO4 + 2H2SO4 ⟶ Mn2O7 + H2O + 2KHSO4
2Mn2O7 ⟶ 4MnO2 + 3O2
➤ Tlenek chromu (II) , czyli CrO jest czarny, ma zasadowy charakter. Łatwo przechodzi w Cr2O3 .
➤ Tlenek chromu (III) , czyli Cr2O3 jest szarozielony, ma amfoteryczny charakter, który przejawia się w tym, że reaguje z kwasem siarkowym oraz w wodorotlenkami litowców tworząc chromiany (III) z obecnym anionem CrO2ー. Tlenek Cr2O3 wykazuje podobieństwa do tlenku glinu Al2O3 : jest trudno topliwy i w normalnej temperaturze nie ulega działaniu kwasów i zasad (dopiero po ogrzewaniu).
➤ Tlenek chromu (VI) , czyli CrO3 wydziela się w formie czerwonych kryształów (o kształcie igieł). Jest lotny już w 200 ℃ , jego ogrzewanie prowadzi do tlenku Cr2O3 (idąc wcześniej poprzez CrO2). Wykazuje on oczywiście właściwości utleniające, co często wykorzystuje się w chemii organicznej, np. w utlenianiu alkoholi. Tlenek CrO3 ma charakter kwasowy, rozpuszczony w wodzie tworzy żółty kwas chromowy (VI).
CrO3 + H2O ⟶ H2CrO4
▷ Jak można zaobserwować : wraz ze wzrostem stopnia utlenienia atomu centralnego (chromu) maleją właściwości zasadowe, a rosną właściwości kwasowe tlenków. I faktycznie: CrO (zasadowy) ⟶ Cr2O3 (amfoteryczny) ⟶ CrO3 (kwasowy). Tą samą tendencję obserwuje się dla tlenków manganu.
➤ tlenek żelaza (II), czyli FeO to czarny proszek, który otrzymujemy poprzez ogrzewanie szczawianu żelaza. Ulega on dysproporcjonacji do magnetytu, zwłaszcza w wyższych temp. Tlenek ten ma niestechiometryczny skład np. Fe0,94O. Jak to możliwe[1] ?
4FeO ⟶ Fe3O4 + Fe
➤ tlenek żelaza (III), czyli Fe2O3 występuje w dwóch odmianach polimorficznych. Warto zapamiętać jego nazwę zwyczajową (hematyt). Nie rozpuszcza się w wodorotlenkach i z wielkim trudem rozpuszcza się w kwasach. W wysokich temperaturach przekształca się w Fe3O4 .
➤ mieszany tlenek żelaza (II, III), czyli Fe3O4 to czarny związek o nazwie magnetyt (zapamiętaj). W rzeczywistości rozpisujemy go jako Fe3O4 = FeO • Fe2O3
➤ Tlenek CuO (jest czarny), natomiast tlenek Cu2O jest ceglastoczerwony (ważne, zapamiętaj te barwy). Tlenek Cu2O rozpuszcza się w amoniaku. Reakcja miedzi z tlenem daje CuO , dopiero wyższe temperatury dają Cu2O (lub ograniczony dostęp powietrza). Tlenek CuO spotkamy w chemii organicznej jako łagodny utleniacz, natomiast tlenek Cu2O będzie charakterystycznym produktem próby Trommera.
[1] Zauważmy, że musi temu towarzyszyć utlenienie części żelaza (II) do żelaza (III), aby zachować zerowy (obojętny) ładunek całej cząsteczki. Możemy tutaj ułożyć układ równań i dokładnie ustalić stechiometrię każdej postaci żelaza.
Niech Fe0,94O = Fe2+xFe3+yO . Wtedy oczywiście równanie x +y = 0,94 oznacza sumę całkowitej liczby żelaza, podczas gdy równanie 2x + 3y = 2 jest warunkiem elektroobojętności (ładunki dodatnie = ładunkom ujemnym). To drugie równanie może nie być dla Ciebie intuicyjne tak od razu, więc najlepiej podstawić dowolne wartości za x oraz y i wtedy obliczyć łączny ładunek dodatni.
Po rozwiązaniu otrzymujemy wzór : FeII0,82FeIII0,12O
