Tlenki

Dla tlenków można wyprowadzić wzór tlenku w zależności od danego stopnia utlenienai.

Wzór ogólny tlenków to

\[E_{2}O_{n}\ lub\ EO_{n}\ \]

w symbolach związków chemicznych (prawie) zawsze piszemy najpierw symbol mniej elektroujemnego pierwiastek. W związku z tym, iż tlen jest drugim najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem (pierwszym jest fluor) to zwykle, poza związkami z fluorem, symbol tlenu piszemy na drugim miejscu.

stopień utlenienia atomu centralnego w tlenku E ₂ O _n jest równy n,

stopień utlenienia tlenku EO jest równy 2n,

W zależności od numeru grupy oraz wartościowości można przedstawić wzory tlenków:

czyli tlenek srebra (I) to Ag ₂ O

tlenek chromu (VI) to CrO ₃

Jeżeli istnieje tylko jeden tlenek to zwyczajowo nie podajemy stopnia utlenienia np.

tlenek cynku to ZnO - jedyny stopień utlenienia cynku to (+II). Jeden rodzaj tlenków istnieje dla 1, 2, 3, 12 grupy - wartościowości są równe odpowiednio 1, 2, 3, 2 oraz dla glinu i boru, gdzie wartościowość jest równa 3

Uwaga na tlenki mieszane – związane z występowaniem atomów pierwiastka na dwóch różnych stopniach utleniania w jednym tlenku. Przykładami maturalnymi są:

\[Fe_{3}O_{4}\ = \ Fe_{2}O_{3}·\ FeO\]

\[Mn_{3}O_{4}\ = \ 2\ MnO\ ·MnO_{2}\]

\[Pb_{3}O_{4}\ = \ 2\ PbO\ ·PbO_{2}\]

Ponadto występują również tlenki niestechiometryczne – również zbudowane z dwóch różnych tlenków, jednak występujące w zmiennym stosunku w danym tlenku.

Charakter, czyli reaktywność, tlenków należ znać na pamięć, szczególnie cały blok p, cały blok s oraz pierwszy okres bloku d. Układ z tlenkami jest tu https://biomist.pl/wp-content/uploads/2020/06/ChTPLBpoprawka.png

Natomiast fiszki są tu: https://quizlet.com/pl/656437897/chemia-tlenki-blok-s-p-pierwszy-okres-d-ag-au-cd-hg-flash-cards/?x=1qqt

Otrzymywanie tlenków

Istnieje wiele metod otrzymywania tlenków, poniżej zostały przedstawione te najbardziej popularne.

synteza bezpośrednia - czyli zwyczajnie reakcje spalenia

pierwiastek + tlen → tlenek pierwiastka

\[2\ \mathbf{C}\ + \ O_{2} \rightarrow \ 2\ \mathbf{C}O\]

\[\mathbf{C}\ + \ O_{2} \rightarrow \ \mathbf{C}O_{2}\]

\[2\ \mathbf{Al}\ + 3\ O_{2}\ \rightarrow \ 2\ \mathbf{A}\mathbf{l}_{2}O_{3}\]

\[2\ \mathbf{Ca}\ + O_{2} \rightarrow \ 2\mathbf{\ Ca}O\]

Uważać należy na spalanie metali pierwszej grupy (powstają nadtlenki i ponadtlenki) oraz metali szlachetnych (Cu, Ag, Au, itp) - bardzo ciężko utlenić – z metalami o wyższych potencjałach niż 0.8V te reakcje po prostu nie zachodza. Typowym przykładem jest brak utleniania złota na powietrzu. Niektóre pierwiastki wymagają katalizatora.

utlenianie tlenków o niższej wartościowości/ stopniu utlenienia. Reakcje te są najczęściej reakcjami spalenia tlenków w tlenie:

\[2\ \mathbf{C}O\ + \ O_{2} \rightarrow \ 2\ \mathbf{C}O_{2}\]

\[2\mathbf{\ S}O_{2}\ + \ O_{2} \rightarrow \ \ 2\ \mathbf{S}O_{3}\ \ \]

redukcja wyższych tlenków. Jako reduktory – „zabieraczy tlenów” najczęściej stosuje się \(H_{2}\) lub wegiel \(C\)

\[\mathbf{F}\mathbf{e}_{2}O_{3}\ + \ 3H_{2} \rightarrow \ 2\ \mathbf{Fe}O\ + \ \ 3H_{2}O\]

\[2\ \mathbf{M}\mathbf{n}_{2}O_{7}\ + \ 5\ C\ \rightarrow \ 4\ \mathbf{Mn}O\ + \ 5CO_{2}\]

Czasem stosuje się również jako reduktory metale aktywniejsze od redukowanego, zachodzi wówcza reakcja, którą można zapisać jako:

tlenek metalu szlachetniejszego + metal mniej szlachetny →

tlenek metalu mniej szlachetnego + metal szlachetniejszy

Żeby ustalić który metal jest bardziej aktywny należy sprawdzić tablice potencjałów, im niższy tym bardziej aktywny, a więc to on będzie chciał być tlenkiem:

\[3\mathbf{Cu}O\ + \ 2\mathbf{Al}\ \rightarrow \ 3\mathbf{Cu}\ + \mathbf{A}\mathbf{l}_{2}O_{3}\ \]

\[E_{Cu} > E_{Al}\ \]

\[\mathbf{A}\mathbf{l}_{2}O_{3} + \ \mathbf{Ag} \rightarrow \ brak\ reakcji\]

\[E_{Al} < E_{Ag}\]

\[\mathbf{F}\mathbf{e}_{3}O_{4}\ + \ \mathbf{C} \rightarrow \ 3\mathbf{Fe}\ + \ 4\mathbf{C}O\]

Rozkład termiczny kwasów nietrwałych. Kwasy nietrwałe ( \(H_{2}SO_{3}\) ; \(H_{2}CO_{3};H_{2}SiO_{3}\) ) rozkładają się w myśl schematu:

\[kwas\ nietrwały \rightarrow \ tlenek\ kwasowy\ + \ woda\]

Reakcja ta szczególnie dobrze zachodzi przy podgrzaniu lub zakwaszeniu innym, mocnym kwasem. Silne, trwałe kwasy bardzo ciężko jest rozłożyć

\[H_{2}\mathbf{S}O_{3} \rightarrow \ \mathbf{S}O_{2}\ + \ H_{2}O\]

\[\mathbf{Ca}\mathbf{C}O_{3}\ + H_{2}\mathbf{S}O_{4} \rightarrow \mathbf{Ca}\mathbf{S}O_{4}\ + \ H_{2}\mathbf{C}O_{3}\]

\[H_{2}\mathbf{C}O_{3} \rightarrow \mathbf{\ C}O_{2}\ + \ H_{2}O\]

Analogicznie rozkładowi ulegają wodorotlenki amfoteryczne, w myśl schematu reakcji:

\[wodorotlenek\ metalu\ \rightarrow \ tlenek\ metalu\ + \ woda\]

Ograniczenie do wodorotlenków metali przejściowych

\[\mathbf{Fe}(OH)_{3} \rightarrow \ \mathbf{F}\mathbf{e}_{2}O_{3}\ + H_{2}O\]

\[\mathbf{Cu}(OH)_{2} \rightarrow \mathbf{Cu}O\ + H_{2}O\]

\[2\ \mathbf{Ag}(OH) \rightarrow \mathbf{A}\mathbf{g}_{2}O\ + H_{2}O\]

Wodorotlenki metali zasadowych również jak i kwasowych bardzo ciężko się rozkładają.

Kolejną metodą jest rozkład termiczny soli metali amfoterycznych i słabych kwasów, co przedstawia schemat:

\(sól\ \rightarrow \ tlenek\ metalu/\ amfoteryczny\ \ + \ tlenek\ kwasowy/\ amfoteryczny\)

Im mniej silne właściwości tlenków z których dana sól powstaje tym łatwiejszy jej rozkład

\[\mathbf{Cu}\mathbf{C}O_{3}\ \rightarrow \ \mathbf{Cu}O\ + \ \mathbf{C}O_{2}\]

\[\mathbf{A}\mathbf{l}_{2}\left( \mathbf{Si}O_{3} \right)_{3}\ \rightarrow \mathbf{A}\mathbf{l}_{2}O_{3}\ + \mathbf{Si}O_{2}\]

\[\mathbf{C}\mathbf{u}_{3}\left( \mathbf{Al}O_{3} \right)_{2}\ \rightarrow \ 3\mathbf{Cu}O\ + \ 2\mathbf{A}\mathbf{l}_{2}O_{3}\]

Rozkład soli mocnych kwasów i metali alkalicznych też jest możliwy, ale wymaga bardzo wysokiej temperatury i obniżonego ciśnienia

\[\mathbf{Ba}\mathbf{S}O_{4} \rightarrow \ \mathbf{Ba}O\ + \ \mathbf{S}O_{3}\]

Reakcje tlenków

Poniżej przedstawiono tabelę reakcji tlenków z popularnymi odczynnikami. W przypadku reagentów mniej popularnych należy przejść do tabeli dla odpowiedniego mało popularnego reagenta. Należy jednocześnie podkreślić, iż w wszystkich tabelach istnieją wyjątki od pozycji oznaczonej kolumną X, jednak są to reakcje tak specyficzne, iż wymagają nauczenia się na pamięć.

Z przedstawionych tabel należy korzystać w następujący sposób:

1) dopasować typ reagujących indywiduów (czy jest to tlenek kwasowy, zasadowy, sól, związek kompleksowy itp...)

2) odnaleźć odpowiednią pozycję w tabeli, tak, aby zgadzał się typ reagujących odczynników

3) ustalić z tabeli klasę powstającego produktu

4) ustalić wzór powstającego produktu z zasad ustalania budowy danej klasy( czyli sole z soli itp.)

5) zapisać równanie reakcji z uwzględnieniem ewentualnego produktu ubocznego

6) ustalić współczynniki w równaniu reakcji.

Kilka przykładów:

Przyjrzyjmy się reakcjom opisanym w tabeli przykładów:

Z wodą reagują tylko tlenki kwasowe i zasadowe.

W przypadku reakcji wody z tlenkiem sodu (Na ₂ O) otrzymamy wodorotlenek sodu - jego wzór to NaOH. Przystępujemy do zapisu reakcji:

\[Na_{2}O\ + \ H_{2}O \rightarrow \ NaOH\]

po zbilansowaniu:

\[Na_{2}O\ + \ H_{2}O \rightarrow \ 2\ NaOH\]

W reakcji tlenku siarki (IV) SO ₂ z wodą powstaje odpowiedni kwas - siarkowy (IV) czyli H ₂ SO ₃ . Zapis reakcji wygląda więc następująco:

\[SO_{2}\ + \ H_{2}O \rightarrow \ H_{2}SO_{3}\]

Reakcja tlenku cynku z wodą nie zachodzi, gdyż jest to wodorotlenek amfoteryczny. Nie przebiega również reakcja pomiędzy dwoma tlenkami zasadowymi jak Na ₂ O i BaO. W przypadku reakcji pomiędzy tlenkiem kwasowym i zasadowym otrzymywać będziemy sól kwasu tlenowego. Dla reakcji pomiędzy tlenkiem kwasowym - SO ₂ i BaO otrzymamy sól baru i kwasu siarkowego (IV) H ₂ SO ₃ , gdyż to jego bezwodnikiem tlenek siarki (IV), produkt ten będzie miał wzór BaSO ₃ . Zapisując reakcję otrzymujemy:

\[BaO\ + \ SO_{2} \rightarrow \ BaSO_{3}\]

Reakcja pomiędzy tlenkiem baru i tlenkiem cynku zachodzi, choć wymaga podwyższonej temperatury. W reakcji tego typu tlenek zasadowy będzie zachowywał się normalnie dając kation metalu, natomiast tlenek amfoteryczny będzie tworzył anion reszty pseudokwasowej na odpowiednim stopniu utlenienia, gdzie atomem centralnym będzie metal amfoteryczny. (takie kwasy zwykle są skrajnie nietrwałe i się rozpadają). Pewien problem stanowi ustalenie ilości przypadających atomów tlenu na atom amfoteryczny, otrzymany wzór reszty kwasowej musi być kompatybilny z wzorami dopuszczalnych kwasów na danych stopniu utlenienia. Zwykle można dojść do wzoru z podanej proporcji, w przeciwnym razie strzelać lub założyć 1:1, jednocześnie związki tego typu są dość egzotyczne jak na wiedzę maturalną.

\[BaO\ + ZnO \rightarrow \ BaZnO_{2}\]

Należy podkreślić, iż otrzymanie tego typu związków wymaga warunków bezwodnych i w polega na stapianiu stałych tlenków. Reakcja ta przeprowadzona w środowisku wodnym daje związek kompleksowy z ligandami hydroksylowymi

\[BaO\ + \ ZnO\ + \ 2H_{2}O \rightarrow \ Ba\lbrack Zn(OH)_{4}\rbrack\]

co w sumie jest logiczne - najpierw reaguje tlenek baru dając wodorotlenek Ba(OH) ₂ , a z powstałym wodorotlenkiem reaguje dopiero tlenek cynku.

Jednocześnie otrzymane związki typu soli o atomach centralnych bardzo łatwo hydrolizują w obecności wody dając odpowiednie sole kompleksowe o budowie takiej samej jak w przypadku reakcji tych tlenków w środowisku wodnym:

\[BaZnO_{2}\ + \ H_{2}O \rightarrow \ Ba\lbrack Zn(OH)_{4}\rbrack\]

znacznie mniej problemów stwarzają reakcje tlenku zasadowego i amfoterycznego z tlenkiem kwasowym, są to klasyczne reakcje otrzymywania soli tlenowych. Używając tlenku siarki (VI), SO ₃ będziemy otrzymywać sole odpowiedniego kwasu tlenowego, czyli w tym wypadku będą to siarczany (VI). W przypadku reakcji z tego tlenku z tlenkiem sodu otrzymywać będziemy sól sodową, której wzór możemy ustalić, jako Na ₂ SO ₄ , natomiast w przypadku reakcji z tlenkiem cynku sól cynkową - ZnSO ₄ . Zapiszmy reakcje, ich bilans jest banalny:

\[Na_{2}O\ + \ SO_{3} \rightarrow \ Na_{2}SO_{4}\]

\[ZnO\ + \ SO_{3} \rightarrow \ ZnSO_{4}\]

Analogicznie dla reakcji tlenku miedzi (II) z tlenkiem siarki (IV) powstawać będzie sól tlenowa - siarczan(IV) miedzi (II) CuSO ₃ .

Stapiając zasadowy tlenek sodu z amfoterycznym tlenkiem miedzi otrzymywać będziemy sól tlenową, w której sód stanowi kation, natomiast anion reszty "pseudokwasu" utworzony jest z miedzi i ligandów tlenowych CuO ₂ ^2-

\[Na_{2}O\ + CuO \rightarrow \ Na_{2}CuO_{2}\]

związek ten ma bardzo zbliżone właściwości do otrzymanego wcześniej BaZnO ₂ i nalezy do tej samej klasy związków soli "pseudokwasów" tlenowych.

Produktami reakcji tlenku zasadowego oraz tlenku amfoterycznego z kwasem zawsze są: woda oraz sól zbudowana z kationu tego metalu oraz anionu reszty kwasowej użytego kwasu. w przypadku rekcji tlenku cynku z kwasem solny chlorek cynku (ZnCl ₂ ) oraz wodę, analogiczny związek otrzymamy używając tlenku sodu - chlorek sodu (NaCl) oraz wodę.

\[ZnO\ + \ 2HCl \rightarrow \ ZnCl_{2}\ + \ H_{2}O\]

\[Na_{2}O\ + \ 2HCl \rightarrow \ 2NaCl\ + \ H_{2}O\]

Reakcje, w których tlenek kwasowy reaguje z zasadą (wodorotlenkiem zasadowym) lub wodorotlenkiem amfoterycznym przebiegają z utworzeniem soli tlenowej kwasu, który odpowiada użytemu tlenkowi kwasowemu oraz wydzieleniem wody. W przypadku reakcji pomiędzy wodorotlenkiem baru a tlenkiem siarki (IV) będziemy otrzymywać wodę oraz sól barową kwasu siarkowego (IV), jej wzór możemy ustalić jako \(BaSO_{3}\) , natomiast w przypadku reakcji tego tlenku z tlenkiem glinu otrzymywać będziemy siarczan (IV) glinu, związek o wzorze \(Al_{2}\left( SO_{3} \right)_{3}\) . Możemy zapisać równania reakcji, a po zbilansowaniu otrzymujemy

\[Ba(OH)_{2}\ + SO_{2} \rightarrow \ BaSO_{3}\ + H_{2}O\]

\[2Al(OH)_{3} + 3\ SO_{2} \rightarrow \ Al_{2}\left( SO_{3} \right)_{3}\ + 3\ H_{2}O\]