📚 Основні оксиди – реакція із водою (8 кл)
Чому кальцій оксид CaO активно реагує з водою, купрум(II) оксид CuO не реагує, а магній оксид MgO реагує дуже повільно? Адже всі три речовини належать до основних оксидів! Розберемо реакції основних оксидів з водою на рівні атомів та йонів. З’ясуємо, як оксид-іон O²⁻ забирає протон у молекули води, чому утворюються два гідроксид-іони OH⁻ та як із них утворюється кальцій гідроксид Ca(OH)₂. Також дізнаємося, чому не всі основні оксиди реагують із водою, від чого залежить швидкість хімічної реакції та як правильно записувати рівняння реакцій.
Кальцій оксид CaO активно реагує з водою, магній оксид MgO — значно повільніше, а купрум(II) оксид CuO за звичайних умов узагалі не реагує. Але всі три речовини належать до основних оксидів. Чому ж вони поводяться настільки по-різному?
Щоб розібратися, спочатку з’ясуємо, що відбувається під час реакції кальцій оксиду з водою. Простежимо за окремими частинками й побачимо, звідки беруться продукти реакції.
Як кальцій оксид (CaO) реагує з водою
Кальцій оксид CaO — йонна сполука. Його кристал складається з позитивно заряджених йонів кальцію Ca²⁺ та негативно заряджених оксид-іонів O²⁻. Ці йони притягуються один до одного й утворюють кристалічну ґратку. Коли ми додаємо воду, її молекули починають взаємодіяти з поверхнею кристала.
Особливу роль у цій реакції відіграють оксид-іони O²⁻. Вони здатні приєднувати протони, тобто позитивно заряджені ядра атомів Гідрогену. А молекула води H₂O містить два атоми Гідрогену, сполучені з Оксигеном ковалентними зв’язками.
Що ж відбувається, коли оксид-іон зустрічається з молекулою води?
Оксид-іон O²⁻ приєднує протон від одного з атомів Гідрогену молекули води. При цьому електронна пара зв’язку O–H залишається біля атома Оксигену води. Отже, від молекули води до оксид-іона переходить саме протон, а не електрон.
Тут важливо розуміти, що протон не обов’язково спочатку відокремлюється від води й вільно рухається в розчині. Він може передаватися безпосередньо від молекули води до оксид-іона.
Звідки беруться два гідроксид-іони
Тепер простежимо за результатом перенесення протона.
Оксид-іон O²⁻ приєднав протон H⁺ і перетворився на гідроксид-іон OH⁻. Його заряд змінився з −2 на −1, оскільки він приєднав частинку із зарядом +1.
O²⁻ + H⁺ → OH⁻
Це перший гідроксид-іон.
А що сталося з молекулою води? Вона віддала один протон, але електронна пара розірваного зв’язку залишилася біля її атома Оксигену. Тому залишок молекули води також перетворився на гідроксид-іон OH⁻.
Це другий гідроксид-іон.
Отже, один оксид-іон і одна молекула води утворюють два гідроксид-іони:
O²⁻ + H₂O → 2OH⁻
Перевіримо заряди. Ліворуч маємо −2, праворуч — два заряди по −1. Кількість атомів Оксигену та Гідрогену також зберігається.
А де ж кальцій?
Йони Ca²⁺ разом з утвореними гідроксид-іонами OH⁻ формують кальцій гідроксид Ca(OH)₂. На один йон кальцію припадають два гідроксид-іони, тому загальний заряд сполуки дорівнює нулю.
CaO + H₂O → Ca(OH)₂
Цю реакцію називають гасінням вапна. CaO — негашене вапно, а Ca(OH)₂ — гашене. Реакція супроводжується значним виділенням теплоти, тому суміш може сильно нагріватися.
Чому CuO не реагує з водою?
Тепер розглянемо купрум(II) оксид CuO. Він також належить до основних оксидів, але за звичайних умов із водою не реагує. Чому ж механізм, який ми щойно розглянули, тут не працює?
Річ у тому, що для утворення гідроксиду недостатньо просто мати Оксиген у складі оксиду. Важливі міцність і будова кристала, характер хімічних зв’язків та енергетична вигідність утворення продуктів. У випадку CaO взаємодія з водою відбувається легко й супроводжується значним виділенням теплоти. А для CuO безпосереднє перетворення на гідроксид за звичайних умов не є енергетично вигідним.
CuO + H₂O — реакція не відбувається.
Але купрум(II) гідроксид Cu(OH)₂ існує! Його можна одержати іншим способом, наприклад додавши розчин натрій гідроксиду до розчину купрум(II) сульфату. У результаті утворюється характерний блакитний осад:
CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄
Отже, можливість існування гідроксиду ще не означає, що його можна одержати безпосередньо реакцією відповідного оксиду з водою.
Чому Mgo реагує з водою повільно
Магній оксид MgO також має йонну кристалічну структуру й може взаємодіяти з водою з утворенням магній гідроксиду:
MgO + H₂O → Mg(OH)₂
Але на відміну від CaO, ця реакція за звичайних умов часто відбувається повільно. Чому?
Спочатку вода взаємодіє з поверхнею кристала MgO. На ній поступово утворюється шар малорозчинного магній гідроксиду Mg(OH)₂. Цей шар може ускладнювати подальший доступ води до оксиду, тому реакція сповільнюється.
Швидкість також залежить від стану самого MgO. Дрібний порошок має більшу площу поверхні, доступну для взаємодії з водою. А сильно прожарений магній оксид зазвичай реагує значно повільніше через зміни структури й зменшення доступної поверхні.
Отже, потрібно розрізняти два запитання: чи може реакція відбуватися і наскільки швидко вона відбувається? Адже навіть можлива реакція іноді проходить настільки повільно, що її результати важко помітити.
Які основні оксиди реагують із водою
Тепер сформулюємо практичне правило.
З водою активно реагують оксиди лужних металів, наприклад Na₂O та K₂O. Також із водою реагують оксиди кальцію, стронцію та барію. У результаті утворюються відповідні гідроксиди.
Na₂O + H₂O → 2NaOH
CaO + H₂O → Ca(OH)₂
BaO + H₂O → Ba(OH)₂
Магній оксид MgO може реагувати з водою повільно, а CuO та Fe₂O₃ за звичайних умов із нею не реагують.
Тому не можна автоматично записувати реакцію кожного основного оксиду з водою. Спочатку потрібно з’ясувати, чи справді таке перетворення відбувається.
основний оксид не обов’язково реагує з водою, навіть якщо відповідний гідроксид існує.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.