Tlenki

Według najprostszej definicji, tlenki to związki chemiczne zbudowane z atomów tlenu oraz atomów danych pierwiastków.

Tlenki są substancjami niezwykle rozpowszechnionymi w przyrodzie. Krzemionka, czyli tlenek krzemu stanowi niemal jedną czwartą masy płaszcza ziemi. Występują w powietrzu - tlenki węgla, tlenki siarki; w postaci ciał stałych, budujących wiele minerałów i skał. Są po prostu wszędzie.

1. Podział tlenków ze względu na ich charakter chemiczny.

Ze względu na ogromną różnorodność tlenków, nie wszystkie wykazują podobne właściwości chemiczne. Aby móc rozpatrzeć i określić ich zachowanie w stosunku do innych substancji, reaktywność oraz właściwości fizyczne, należy podzielić je na kilka grup.

• • Tlenki zasadowe

Tlenki zasadowe to tlenki, które wchodzą w reakcje z kwasami, natomiast są odporne na działanie zasad.

W wyniku reakcji tlenku o charakterze zasadowym z kwasem powstaje sól.

Np. MgO + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂O

MgO + NaOH → nie zachodzi

K₂O + H₂CO₃ → K₂CO₃ + H₂O

K₂O + Mg(OH)₂ → nie zachodzi

Tlenki zasadowe są często nazywane zwyczajowo bezwodnikami zasadowymi, ponieważ większość z nich (tlenki litowców oraz berylowców) rozpuszcza się w wodzie tworząc zasady (wodorotlenki metali o charakterze zasadowym).

Odczyn chemiczny takiego roztworu jest alkaliczny.

Np. Na₂O + H₂O → 2 NaOH

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Do tlenków zasadowych można zaliczyć wszystkie tlenki litowców (Li₂O, Na₂O, K₂O, Rb₂O, Cs₂O), tlenki berylowców z wyjątkiem tlenku berylu (MgO, CaO, SrO, BaO) oraz niektóre tlenki metali bloku d (m.in. CrO, MnO, HgO, NiO, Ni₂O₃, Co₂O₃).

• • Tlenki kwasowe

Tlenki kwasowe to tlenki, które wchodzą w reakcje z zasadami, natomiast są odporne na działanie kwasów.

W wyniku reakcji tlenku o charakterze kwasowym z zasadą powstaje sól.

Np. SO₂ + 2 NaOH → Na₂SO₃ + H₂O

SO₂ + HCl → nie zachodzi

CO₂ + 2 KOH → K₂CO₃ + H₂O

CO₂ + H₂SO₄ → nie zachodzi

Tlenki kwasowe są często nazywane zwyczajowo bezwodnikami kwasowymi, ponieważ zdecydowana większość z nich (wyjątek stanowi m.in. SiO₂) rozpuszcza się w wodzie tworząc kwasy tlenowe.

Odczyn chemiczny takiego roztworu jest kwaśny.

Np. SO₃ + H₂O → H₂SO₄

N₂O₃ + H₂O → 2 HNO₂

Do tlenków kwasowych można zaliczyć m.in.: CO₂ - tlenek węgla (IV), SO₂ - tlenek siarki (IV), SO₃ - tlenek siarki (VI), N₂O₃ - tlenek azotu (III), N₂O₅ - tlenek azotu (V), P₂O₅ - tlenek fosforu (V), P₂O₃ - tlenek fosforu (III), As₂O₅ - tlenek arsenu (V) oraz wszystkie tlenki chloru, bromu i jodu. Oprócz tych wymienionych, także niektóre tlenki metali bloku d na swojej najwyższej wartościowości wykazują cechy tlenków kwasowych np. : Mn₂O₇ - tlenek manganu (VII), CrO₃ - tlenek chromu (VI).

• • Tlenki amfoteryczne

Tlenki amfoteryczne to tlenki, które wchodzą w reakcje zarówno z kwasami, jak i z zasadami.

W wyniku reakcji tlenku o charakterze amfoterycznym z kwasem powstaje sól, natomiast w wyniku reakcji z zasadą tworzy się związek koordynacyjny o charakterze soli.

Np. Al₂O₃ + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂O

Al₂O₃ + 6 NaOH + 3 H₂O → 2 Na₃[Al(OH)₆]

CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

CuO + H₂O + 2 KOH → K₂[Cu(OH)₄]

Tlenki amfoteryczne na ogół są nie rozpuszczalne w wodzie i łatwo wytrącają się z roztworów wodnych w postaci osadów. Z tego względu ich odczyn chemiczny jest obojętny.

Do ważniejszych tlenków amfoterycznych można zaliczyć: Al₂O₃ - tlenek glinu, CuO - tlenek miedzi (II), Cu₂O - tlenek miedzi (I), ZnO - tlenek cynku, MnO₂ - tlenek manganu (IV), Cr₂O₃ - tlenek chromu (III), FeO - tlenek żelaza (II), Fe₂O₃ - tlenek żelaza (III) , As₂O₃ - tlenek arsenu (III), tlenki ołowiu (PbO i PbO₂), tlenki cyny (SnO i SnO₂) oraz tlenki antymonu (Sb₂O₃ i Sb₂O₅).

• • Tlenki obojętne

Tlenki obojętne to tlenki, które nie wchodzą w reakcje ani z kwasami, ani z zasadami.

Nie tworzą soli, nie są bezwodnikami ani kwasowymi, ani zasadowymi.

Np. NO + HCl → nie zachodzi

NO + NaOH → nie zachodzi

Zazwyczaj tlenki te nie rozpuszczają się w wodzie, a jeżeli nawet, to tylko w sposób fizyczny. Nie reagują z wodą.

Np. CO + H₂O → nie zachodzi

Do grupy tlenków obojętnych należy tylko kilka związków. Można wymieć je: NO - tlenek azotu (II), CO - tlenek węgla (II), N₂O - tlenek azotu (I).

2. Podział tlenków ze względu na rodzaj pierwiastka wchodzącego w skład tlenku

Poza wyżej wymieniony podziałem na tlenki kwasowe, zasadowe, amfoteryczne i obojętne tlenki można je także podzielić na tlenki metali i tlenki niemetali.

• • Tlenki metali

Tlenki niemetali to związki metalu z tlenem.

Są na ogół ciałami stałymi o wysokich temperaturach przejść fazowych. Ich cząsteczki charakteryzują się budową jonową lub polarną. Większość tlenków metali reaguje z wodą tworząc wodorotlenki (często dopiero w podwyższonej temperaturze). Wykazują najczęściej charakter chemiczny zasadowy lub amfoteryczny, niektóre z nich mogą być kwasowe.

• • Tlenki niemetali

Tlenki niemetali to związki niemetalu z tlenem

Mogą występować w różnych stanach skupienia, choć na ogół są gazami lub cieczami. Charakteryzują się stosunkowo niskimi temperaturami przejść fazowych. Ich cząsteczki SA silnie spolaryzowane. Większość tlenków niemetali reaguje z wodą tworząc kwasy. Najczęściej wykazują charakter chemiczny kwasowy lub obojętny, rzadziej amfoteryczny.

3. Nazewnictwo tlenków

Obecnie stosuje się dwa systemy nazewnictwa tlenków, przy czym pierwszy jest nazewnictwem systematyczny i zalecanym, natomiast drugi bardziej zwyczajowy, ale mimo to dozwolony.

• • System Stocka

System ten opiera się na określeniu wartościowości pierwiastków budujących dany związek. W przypadku tlenków najpierw używa się określenia tlenek, a następnie w wymienia się nazwę pierwiastka w dopełniaczu. Na końcu, w okrągłym nawiasie, za pomocą cyfr rzymskich podaje się wartościowość tego pierwiastka w danym tlenku. Jeżeli dany pierwiastek tworzy związki tylko na jednym stopniu utlenienia (jednej wartościowości), to należy pominąć zapisanie tej wartościowości.

Np. PbO - tlenek ołowiu (II)

PbO₂ - tlenek ołowiu (IV)

Al₂O₃ - tlenek glinu

MgO - tlenek magnezu

• • System przedrostków

System ten opiera się na zapisie wzoru chemicznego danego związku, a dokładniej na indeksach stechiometrycznych. Jeżeli w danej cząsteczce występują dwa takie same atomu przed nazwą należy dodać przedrostek dwu- lub di- , jeżeli trzy - trój- lub tri- itd. Dla pojedynczo występujących atomów w cząsteczce nie dodaje się przedrostków.

Np. CO - tlenek węgla

CO₂ - dwutlenek węgla (ditlenek węgla)

Al₂O₃ - trójtlenek dwuglinu

• • Dawniej stosowany był jeszcze system nazewnictwa oparty na końcówkach -owy (dla tlenków o najwyższej wartościowości) oraz -awy (dla tlenków o niższej wartościowości). Obecnie takie nazewnictwo nie jest zalecane, stopniowo wychodzi z polskiej nomenklatury związków chemicznych.

Np. SO₂ - tlenek siarkawy

SO₃ - tlenek siarkowy

4. Wiązania chemiczne w cząsteczkach tlenków

Rodzaj wiązania chemicznego pomiędzy atomem tlenu, a atomem pierwiastka zależy od różnicy elektroujemności między nimi. Tlenki litowców, berylowców oraz borowców (z wyjątkiem boru) wykazują budowę jonową, ponieważ pierwiastki należące do tych grup wykazują niską wartość elektroujemności wyrażonej w skali Paulinga (od 0,7 dla cezu do 1,5 dla glinu). Przypadku pozostałych pierwiastków widać wzrost kowalencyjności w ich tlenkach. Wynika z tego, że generalnie tlenki niemetali wykazują polarną budowę cząsteczek.

5. Otrzymywanie tlenków

Poniżej przedstawionych zostało kilka ogólnych sposobów otrzymywania tlenków. Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie tlenki da się otrzymać każdą metodą. Chcąc uzyskać określony tlenek, trzeba odszukać w literaturze najlepszy, indywidualny sposób.

• • Rozkład termiczny soli oraz wodorotlenków metali

Np. CaSO₃ → CaO + SO₂

Mg(OH)₂ → MgO + H₂)

• • Redukcja tlenków - z tlenku pierwiastka o wyższej wartościowości otrzymujemy tlenek pierwiastka o niższej wartościowości.

Np. PbO₂ + H₂ → PbO + H₂O

2 MnO₂ + H₂ → Mn₂O₃ + H₂O

• • Utlenianie tlenków - - z tlenku pierwiastka o niższej wartościowości otrzymujemy tlenek pierwiastka o wyższej wartościowości.

Np. 2 CO + O₂ → 2 CO₂

2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃

• • Bezpośrednia synteza z pierwiastków - tzw. reakcja spalania

Np. C + O₂ → CO₂

2 Ca + O₂ → 2 CaO