Багато кислотних оксидів взаємодіють із водою з утворенням кислот. Але чому SO₃ реагує активно, CO₂ утворює лише невелику кількість кислоти, а SiO₂ за звичайних умов практично не реагує?
Щоб відповісти на це запитання, потрібно розібратися в будові цих речовин. Адже хімічні властивості залежать не лише від складу речовини, а й від того, як її атоми сполучені між собою.
1. Чому SO₃ активно реагує з водою?
Сульфур(VI) оксид SO₃ активно взаємодіє з водою з утворенням сульфатної кислоти H₂SO₄. Реакція супроводжується значним виділенням теплоти й може відбуватися дуже бурхливо.
SO₃ + H₂O → H₂SO₄
Але чому ці дві речовини взагалі взаємодіють?
У центрі молекули SO₃ розташований атом Сульфуру, сполучений із трьома атомами Оксигену. Оксиген сильніше притягує електрони хімічних зв’язків, тому електронна густина зміщується в його бік. У результаті атом Сульфуру має частковий позитивний заряд і є електронодефіцитним.
Це означає, що він може взаємодіяти з частинками, здатними надати електронну пару для утворення нового зв’язку. І саме такою частинкою є молекула води.
2. Як молекула води взаємодіє із SO₃?
Пригадаймо будову молекули води H₂O. Її атом Оксигену сполучений із двома атомами Гідрогену й має дві неподілені електронні пари. Ці пари не беруть участі у зв’язках O–H, але можуть використовуватися для утворення нових хімічних зв’язків.
Коли молекула води наближається до SO₃, одна з неподілених електронних пар її атома Оксигену може взаємодіяти з електронодефіцитним атомом Сульфуру. Між ними починає формуватися новий хімічний зв’язок. Одночасно відбувається перерозподіл електронної густини в молекулі SO₃.
Але на цьому реакція не закінчується. Відбувається подальша перебудова зв’язків і перенесення протонів. У результаті атом Сульфуру виявляється сполученим із чотирма атомами Оксигену, два з яких входять до складу гідроксильних груп –OH.
Так утворюється сульфатна кислота H₂SO₄.
SO₃ + H₂O → H₂SO₄
Зверни увагу: до трьох атомів Оксигену молекули SO₃ додається один атом Оксигену з молекули води. Два атоми Гідрогену також входять до складу кислоти. Отже, всі атоми початкових речовин зберігаються.
3. Чому під час реакції виділяється теплота?
Під час хімічної реакції одні зв’язки змінюються або розриваються, а інші утворюються. На розрив зв’язків потрібна енергія, а під час утворення нових зв’язків енергія виділяється. Якщо загалом виділяється більше енергії, ніж витрачається, реакція є екзотермічною.
Саме так відбувається під час взаємодії SO₃ з водою. Продукти реакції мають меншу ентальпію, ніж початкові речовини, тому надлишок енергії виділяється у вигляді теплоти.
Через це безпосередня взаємодія SO₃ з водою може бути небезпечною. Значне виділення теплоти сприяє утворенню дрібних крапель сульфатної кислоти — кислотного туману. Тому в промисловості SO₃ зазвичай поглинають концентрованою сульфатною кислотою, а отриману суміш потім обережно розбавляють водою.
4. Чому CO₂ реагує з водою інакше?
Карбон(IV) оксид CO₂ також належить до кислотних оксидів. У його молекулі атом Карбону сполучений із двома атомами Оксигену. Оксиген сильніше притягує електрони хімічних зв’язків, тому атом Карбону має частковий позитивний заряд.
Як і у випадку SO₃, молекула води може взаємодіяти з електронодефіцитним центральним атомом. У результаті утворюється карбонатна кислота H₂CO₃.
CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃
Але зверни увагу на дві стрілки в рівнянні. Вони означають, що реакція є оборотною: карбонатна кислота може утворюватися з CO₂ та води, а потім знову розкладатися на ці речовини.
У водному розчині встановлюється хімічна рівновага. Це означає, що утворення та розклад H₂CO₃ відбуваються одночасно. Коли швидкості цих процесів стають однаковими, концентрації речовин перестають змінюватися.
Але рівновага не означає, що всіх речовин у розчині порівну!
За звичайних умов лише невелика частина розчиненого CO₂ перебуває у вигляді молекул H₂CO₃. Більша частина залишається у вигляді розчиненого вуглекислого газу.
Тому важливо розрізняти два процеси: розчинення CO₂ у воді та його хімічне перетворення на карбонатну кислоту. Навіть якщо газ розчинився, це не означає, що він повністю перетворився на кислоту.
Саме цим реакція CO₂ з водою принципово відрізняється від взаємодії SO₃ з водою.
5. Чому SiO₂ практично не реагує з водою?
Силіцій(IV) оксид SiO₂ також належить до кислотних оксидів, але за звичайних умов практично не реагує з водою. Щоб зрозуміти причину, потрібно звернути увагу на його будову. Адже SiO₂ принципово відрізняється від SO₃ та CO₂.
SO₃ і CO₂ складаються з окремих молекул. А ось у кристалі кварцу немає окремих молекул SiO₂. Його атоми утворюють величезну тривимірну ковалентну структуру, у якій кожний атом Силіцію сполучений із чотирма атомами Оксигену. Кожний атом Оксигену, своєю чергою, з’єднує два атоми Силіцію.
Уявімо різницю між окремими деталями конструктора та величезною просторовою сіткою. Окремі деталі можна порівняно легко перебудувати, якщо вони мають відповідні місця для з’єднання. А щоб змінити просторову сітку, потрібно перебудувати систему зв’язків між її частинами.
Приблизно так само міцна ковалентна структура SiO₂ ускладнює його взаємодію з водою.
Проте це не означає, що реакція взагалі неможлива. На поверхні кварцу вода може поступово розривати зв’язки Si–O–Si з утворенням гідроксильних груп Si–OH. Такий процес називають гідролізом.
У результаті дуже повільного розчинення кварцу у воді можуть утворюватися розчинені форми силікатної кислоти, зокрема H₄SiO₄. Але за звичайних умов цей процес відбувається настільки повільно, що помітного перетворення кварцу не спостерігається.
Тому в шкільному курсі прийнято вважати, що SiO₂ з водою не реагує.
6. Які кислотні оксиди реагують із водою?
Тепер сформулюємо практичне правило.
Багато кислотних оксидів реагують із водою з утворенням відповідних кислот. Наприклад, сульфур(VI) оксид утворює сульфатну кислоту, а фосфор(V) оксид — ортофосфатну кислоту.
SO₃ + H₂O → H₂SO₄
P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄
Карбон(IV) оксид CO₂ також реагує з водою, але утворення карбонатної кислоти є оборотним процесом:
CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃
А силіцій(IV) оксид SiO₂ за звичайних умов практично не реагує з водою.
Отже, кислотний характер оксиду ще не гарантує його активної взаємодії з водою. Важливі будова речовини, характер хімічних зв’язків, властивості продуктів та умови реакції.
не кожний кислотний оксид реагує з водою, а якщо реакція відбувається, вона не обов’язково приводить до повного перетворення оксиду на кислоту.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.