Tlenki

Podział tlenków

Tlenki możemy podzielić ze względu na kilka kategorii. Najbardziej ogólny podział to rozróżnienie na tlenki metali na przykład litu, magnezu, glinu, żelaza oraz tlenki niemetali w tym tlenki węgla, azotu, siarki i chloru. Inne kryterium to podział ze względu na ich stan skupienia. Ciałami stałymi są prawie wszystkie tlenki metali oraz część niemetali (SiO₂, P₄O₁₀), cieczami są woda, tlenek siarki(VI) oraz tlenek manganu(VII), a tlenkami gazowymi są przede wszystkim tlenki niemetali takie jak CO, CO₂, SO₂, NO i NO₂. Tlenki możemy również podzielić ze względu na występujący w nich rodzaj wiązania. W tlenku magnezu MgO, tlenku wapnia CaO czy tlenku sodu Na₂O występują jony O^2- oraz wiązania jonowe, stąd ich nazwa – tlenki jonowe. Inną grupą są tlenki kowalencyjne na przykład tlenek węgla (II) CO, tlenek azotu (II) NO czy też tlenek siarki (IV) SO₂, w których wiązanie pomiędzy atomem tlenu a pierwiastkiem przyjmuje charakter wiązania kowalencyjnego spolaryzowanego.

Charakter chemiczny tlenków

Najciekawszym dla chemików podziałem jest ten ze względu na charakter chemiczny tlenków. Rozróżniamy cztery główne kategorie – tlenki kwasowe, zasadowe, obojętne i amfoteryczne.

1. Tlenki kwasowe, czasami nazywane również bezwodnikami kwasowymi, rozróżniamy po tym, że reagują z zasadami, dając produkt w postaci soli. Znaczna część tlenków kwasowych po rozpuszczeniu w wodzie tworzy odpowiednie roztwory kwasów tlenowych. Dzieje się tak między innymi z tlenkiem siarki (IV), który rozpuszczając się w wodzie wytwarza kwas siarkowy (IV) oraz tlenkiem chromu (VI) rozpuszczanym do kwasu chromowego (VI):

SO₂ + H­₂O → H₂SO₃

CrO₃ + H₂O → H₂CrO₄

Istnieje niewielka grupa tlenków kwasowych, które są nierozpuszczalne w wodzie. Są jednak rozpuszczalne w roztworach mocnych zasad, a należą do nich tlenek krzemu (IV) SiO­­₂, tlenek molibdenu (VI) MoO₃ oraz tlenek wolframu(VI) WO₃. Ich reakcje z zasadami potwierdzają kwasowy charakter:

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

MoO₃ + 2KOH → K₂MoO₄ + H₂O

WO₃ + 2NaOH → Na₂WO₄ + H₂O

Z reguły tlenki kwasowe stanowią tlenki niemetali oraz tlenki metali na ich najwyższych możliwych stopniach utlenienia. W przypadkach kiedy dany pierwiastek tworzy kilka tlenków na różnych stopniach utlenienia tak jak np. chrom, wraz ze wzrostem stopnia utlenienia, właściwości kwasowe tworzonych przez niego tlenków również rosną:

• tlenek chromu(II) CrO posiada charakter zasadowy,
• tlenek chromu(III) Cr₂O₃ posiada właściwości amfoteryczne,
• tlenek chromu(VI) CrO₃ posiada charakter kwasowy.

2. Tlenki zasadowe to takie związki tlenu z metalami, które reagują z kwasami, dając produkty w postaci odpowiednich soli. Część z nich, to znaczy tlenki wytworzone z pierwiastkami z grupy pierwszej i drugiej układu okresowego, z wyłączeniem berylu, charakteryzuje również reakcja z wodą skutkująca wytworzeniem zasadowych wodorotlenków. Dzieje się tak na przykład podczas reakcji tlenków sodu, litu oraz baru z wodą:

Na₂O + H₂O → 2NaOH

Li₂O + H₂O → 2LiOH

BaO + H₂O → Ba(OH)₂

Istnieją również tlenki zasadowe, które nie rozpuszczają się w wodzie a jedynie w roztworach kwasów. Należą do nich między innymi tlenek manganu(II) oraz tlenek żelaza(II):

MnO + H₂SO₄ → MnSO₄ + H₂O

FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

3. Tlenki obojętne są najmniej reaktywną grupą tlenków. Nie zachodzą z nimi reakcje ani z użyciem kwasów, ani zasad. Są również nierozpuszczalne w wodzie. Przedstawicielami tej grupy tlenków są tlenek węgla(II) CO oraz tlenek azotu(II) NO.

4. Tlenki amfoteryczne są całkowitym przeciwieństwem tlenków obojętnych i wykazują jednocześnie charakter kwasowy oraz zasadowy. Oznacza to, że reagują zarówno z mocnymi zasadami, jak i kwasami. Produktami takich reakcji są zawsze sole, a pierwiastek będący początkowo w połączeniu z tlenem przekształca się w odpowiedni kation lub anion reszty kwasowej. Jedynym podobieństwem do tlenków obojętnych jest ich słaba rozpuszczalność w wodzie. Przykładami tlenków o charakterze amfoterycznym są tlenek berylu BeO, tlenek glinu Al₂O₃, wspomniany już wcześniej tlenek chromu(III), tlenek cyny(II) SnO, tlenek ołowiu(II) PbO oraz tlenek cynku ZnO. Reagując z roztworami wodnymi mocnych zasad, na przykład z wodnym roztworem wodorotlenku sodu, tworzą sole kompleksowe. W ich resztach kwasowych obecne są atomy lub jony metalu, który pochodzi z tlenku, skompleksowane z odpowiednią ilością grupy hydroksylowych. Ich liczba jest zależna od liczby koordynacyjnej, która charakteryzuje dany pierwiastek. Przykładowo, atomy pochodzące od tlenków typu MO (M – metal), czyli takich jak tlenek berylu BeO wykazują liczbę koordynacyjną równą 4. Atomy pochodzące od tlenków typu M₂O₃, na przykład Al₂O₃ mogą przyjmować dwie różne liczby koordynacyjne, w zależności od warunków reakcji jest to  4 lub 6. Przykładowe reakcje tlenków amfoterycznych:

BeO + 2HCl → BeCl₂ + H₂O

BeO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Be(OH)₄] tetrahydroksyocynkan sodu

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

Al₂O₃ + 2KOH + 3H₂O → 2K[Al(OH)₄] tetrahydroksyoglinian potasu

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

Niektóre tlenki, takie jak tlenek cynku oraz tlenek manganu (IV) wykazują dość specyficzne właściwości amfoteryczne. Ten drugi, ani w warunkach normalnych ani standardowych nie reaguje z żadnymi zasadami. Oba natomiast reagują z nimi w wyniku stapiania ze stałymi zasadami, na przykład:

Otrzymywanie tlenków

1. Bezpośrednia synteza pierwiastków:
   a) synteza atomów siarki i tlenu z otrzymaniem tlenku siarki (IV)
   S + O → SO₂
   b) synteza atomów magnezu i tlenu z otrzymaniem tlenku magnezu
   2Mg + O₂ → 2MgO
   c) synteza atomów węgla i tlenu z otrzymaniem tlenku węgla (IV)
   C + O₂ → CO₂
2. Rozkład termiczny soli, wodorotlenków i tlenków:
   a) rozkład węglanu wapnia na tlenek wapnia i tlenek węgla (IV)
   CaCO₃ → CaO + CO₂
   b) rozkład wodorotlenku miedzi (II) na tlenek miedzi (II) i wodę
   Cu(OH)­₂ → CuO + H₂O
   c) rozkład tlenku manganu(IV) na tlenek manganu (III) i tlen
   4MnO₂ → 2Mn₂O₃ + O₂
3. Utlenianie tlenków na niższych stopniach utlenienia, ze zwiększeniem ich wartościowości:
   a) utlenianie tlenku siarki (IV) do tlenku siarki (VI)
   2SO₂ + O₂ → 2SO₃
   b) utlenianie tlenku azotu (II) do tlenku azotu (IV)
   2NO + O₂ → 2NO₂
   c) utlenianie tlenku węgla (II) do tlenku węgla (IV)
   2CO + O₂ → 2CO₂
   
4. Redukcja tlenków na wyższych stopniach utlenienia, ze zmniejszeniem ich wartościowości:
   a) redukcja tlenku węgla (IV) do tlenku węgla (II)
   CO₂ + C → 2CO
   b) redukcja tlenku cyny (II) do tlenku cyny (I)
   2SnO + O₂ → 2SnO₂
5. Spalanie związków organicznych:
   a) spalanie metanu w tlenie z otrzymaniem tlenku węgla (IV) i wody
   CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
   b) spalanie amoniaku w tlenie z otrzymaniem tlenku azotu (II) i wody
   4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O
6. Reakcja nietrwałych kwasów tlenowych:
   a) rozkład kwasu węglowego (IV) na tlenek węgla (IV) i wodę:
   H₂CO­₃ → CO₂ + H₂O
   b) rozkład kwasu siarkowego (IV) na tlenek siarki (IV) i wodę:
   H₂SO₃ → SO₂ + H₂O