Tlenki

Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Otrzymywanie / Wzory i nazwy tlenków / Reakcje tlenków / Tlenki w naszym otoczeniu / Rozdrobnienie substratów / Wpływ stężenia /

Tlenki są grupą związków nieorganicznych z którą już zdążyliśmy się zapoznać. Tlenkiem jest woda, dwutlenek węgla i wszystkie produkty spalania metali i niemetali w powietrzu (tlenie).

Tlenki są to związki pierwiastków (metali i niemetali) z tlenem

Otrzymywanie

Tlenki otrzymujemy w następujących reakcjach chemicznych:

• utlenianie pierwiastków,
• ogrzewania wodorotlenków,
• ogrzewania węglanów.

Utlenianie pierwiastków

Termin utlenianie pojawił się w XIX wieku i oznaczał reakcję przyłączania atomów tlenu przez różnego rodzaju substancje.

Jest to podstawowa reakcja otrzymywania tlenków a najbardziej znaną reakcją utleniania jest spalanie niektórych metali i niemetali w atmosferze tlenu.

Przykłady - utlenianie metali

4Li + O₂ ----> 2Li₂O
2Mg + O₂ ----> 2MgO
2 Ca + O₂ ----> 2CaO
4Al + 3O₂ ----> 2Al₂O₃
2Cu + O₂ ----> 2Cu₂O
4Fe + 3O₂ ----> 2Fe₂O₃

Podstawowym wiązaniem chemicznym z którym mamy do czynienia w tej grupie tlenków jest wiązanie jonowe

Tworzenie wiązania jonowego polega na przeniesieniu jednego lub kilku elektronów walencyjnych z jednego atomu do drugiego.

Oto mechanizm wyjaśniający sposób powstawania wiązania

Reakcja otrzymywania tlenku litu - Li2O

Reakcja otrzymywania tlenku wapnia - CaO

Reakcje utleniania metali mają praktyczne znaczenie. Przykładem jest glin, który jako metal nie reaguje praktycznie z tlenem atmosferycznym. Powodem jest fakt, że glin na powietrzu pokrywa się cienką (praktycznie niewidoczną dla oka) warstwą Al₂O₃ na tyle szczelną i dobrze przylegającą do powierzchni metalu, że chroni ona go skutecznie przed dostępem tlenu i wody. Zjawisko to nazywa się pasywacją..
Podobnie i miedz, która w temperaturze pokojowej, w atmosferze czystego suchego powietrza, bardzo powoli utlenia się tworząc Cu₂O (tlenek miedzi(I)), który nadaje powierzchni czerwony kolor. Z kolei wilgoć i dwutlenek węgla (CO₂) z powietrza w reakcji z tlenkiem miedzi(I) (Cu₂O) tworzą zielony osad, tzw. patynę, która chroni przed dalszym działywaniem czynników atmosferycznych. Dlatego miedz w postaci blachy jest wykorzystywana do krycia dachów, szczególnie na obiektach zabytkowych.
Tak samo zjawisko korozji, która występuje na przedmiotach wykonanych z żelaza daje nam produkt końcowy, którym jest rdza. Otóż okazuje się, że rdza jest tlenkiem żelaza(III) o wzorze chemicznym Fe₂O₃. Powstaje ona w wyniku procesów elektrochemicznych zachodzących na powierzchni żelaza pod wpływem czynników atmosferycznych (wilgoć, tlen). W tym przypadku zjawisko korozji, tj. powstawania tlenków pod postacią rdzy jest zjawiskiem szkodliwym

Przykłady - utlenianie niemetali

C + O₂ ----> CO₂
S + O₂ ----> SO₂
2S + 3O₂ ----> 2SO₃
N₂ + O₂ ----> 2NO
2N₂ + 3O₂ ----> 2N₂O₃
2N₂ + 5O₂ ----> 2N₂O₅
Si + O₂ ----> SiO₂

Wiązaniem chemicznym, które dominuje w tej grupie tlenków jest wiązanie kowalencyjne.

Przykłady - utlenianie metali

2Ca + O₂ ----> CaO
4Fe + 3O₂ ----> 2Fe₂O₃
4Na + O₂ ----> 2Na₂O

Wiązaniem chemicznym, które dominuje w tej grupie tlenków jest wiązanie jonowe.

Wiązanie kowalencyjne powstaje, gdy atomy oddają po jednym elektronie, tworząc wspólne pary elektronowe.

Oto mechanizm wyjaśniający sposób powstawania wiązania

Reakcja otrzymywania dwutlenku węgla C + O2 ----> CO2

Reakcja otrzymywania tlenku siarki(IV) S + O2 ----> SO2

Reakcje utleniania niemetali są powszechne i praktycznie mamy z tymi reakcjami do czynienia codziennie. Przykładem jest reakcja spalania węgla w różnego rodzaju piecach, gdzie produktem spalania jest wcześniej poznany dwutlenek węgla. Obok dwutlenku węgla często do atmosfery wyrzucane są tlenki siarki (SO₂) i azotu (NO₂), które łącząc się z wodą tworzą kwas, który spada na Ziemię jako kwaśny deszcz.

Ogrzewanie wodorotlenków

Przykładem reakcji chemicznej w której tlenek jest otrzymywany przez ogrzewanie wodorotlenku, jest termiczny rozkład wodorotlenku glinowego.

2Al(OH)₃ ----> Al₂O₃ + H₂O

Ogrzewanie węglanów

Najbardziej znaną i mającą praktyczne zastosowanie jest reakcja termicznego rozkładu węglanu wapnia, podstawowego składnika skał wapiennych (wapień). W wyniku tego procesu otrzymujemy wapno palone.

CaCO₃ ----> CaO + CO₂

Wapień rozkłada się w piecach szybowych w temperaturze ok. 1000^oC a niezbędne do tego procesu ciepło dostarczane jest w wyniku spalania koksu. Produktem ubocznym jest dwutlenek węgla

Wzory i nazwy tlenków

Nazwy tlenków tworzy się przez podanie w nazwie słowa "tlenek" a w następnej kolejności nazwy pierwiastka z podaną w nawiasie cyframi rzymskimi wartościowością, np. tlenek siarki(IV). Między nazwą pierwiastka i nawiasem nie pozostawia się odstępu.

Tlenki - nazewnictwo

Nazwa tlenku	Wzór chemiczny
tlenek azotu(I)	N2O
tlenek azotu(II)	NO
tlenek chromu(II)	CrO
tlenek chromu(III)	Cr2O3
tlenek siarki(IV)	SO2
tlenek siarki(VI)	SO3
tlenek żelaza(II)	FeO
tlenek żelaza(III)	Fe2O3
tlenek glinu	Al2O3
tlenek chloru(VII)	Cl2O7
tlenek fosforu(V)	P2O5

Podane w tabeli wzory elementarne informują nas o rodzaju i wzajemnym stosunku atomów, natomiast nic nie mówią o sposobie powiązania poszczególnych atomów. Taką informację uzyskamy dopiero wtedy kiedy napiszemy wzór strukturalny.

Przykład - wzór strukturalny tlenku żelaza(III)

Reakcje tlenków

Wszystkie tlenki ze wzgledu na zachowanie się wobec wody, możemy podzielić na;

• tlenki reagujące z wodą
• tlenki nie reagujące z wodą

Tlenki reagujące z wodą

Najbardziej znaną reakcją chemiczną tlenków jest reakcja z wodą w czasie której powstają kwasy i zasady. Więcej o kwasach i zasadach dowiesz się czytelniku w kolejnych rozdziałach.

Tlenki metali w reakcji z wodą tworzą grupę związków nieorganicznych o nazwie zasady.

Na₂O + H₂O ----> 2NaOH - otrzymujemy wodorotlenek sodowy
CaO + H₂O ----> Ca(OH)₂ - otrzymujemy wodorotlenek wapniowy

Ta grupa tlenków, która w reakcji z wodą tworzy zasady nosi nazywę tlenków zasadowych. Takimi właściwościami charakteryzują sie tlenki metali I i II grupy układu okresowego.

Tlenki niemetali w reakcji z wodą tworzą grupę związków nieorganicznych o nazwie kwasy.

CO₂ + H₂O ----> H₂CO₃ - otrzymujemy kwas węglowy
SO₂ + H₂O ----> H₂SO₃ - otrzymujemy kwas siarkowy(IV)
SO₃ + H₂O ----> H₂SO₄ - otrzymujemy kwas siarkowy(VI)

Ta grupa tlenków, która w reakcji z wodą tworzy kwasy nosi nazywę tlenków kwasowych. Takimi właściwościami charakteryzują sie tlenki niemetali V, VI i VII grupy układu okresowego.

Tlenki nie reagujące z wodą

Oprócz grup tlenków opisanych wyżej istnieje jeszcze grupa tlenków, która nie reaguje z wodą. Są to tzw. tlenki obojętne, którymi są; tlenek węgla (czad) - CO, tlenek azotu(I) - N₂O i tlenek azotu(II) - NO.
Do tlenków, które nie reagują z wodą zaliczamy również tlenki pierwiastków III i IV grupy układu okresowego. Przykładem takich tlenków jest; Al₂O₃ (tlenek glinu) - III grupa układu okresowego i SiO₂ (tlenek krzemu) - IV grupa układu okresowego.

Oprócz podziału na tlenki reagujące i nie reagujące z wodą, często możemy spotkać sie z podziałem który uwzględnia charakter chemiczny tlenków, tj. ich zachowanie się względem kwasów i zasad.

Tlenki które reagują z kwasami, a nie reagują z zasadami nazywami tlenkami zasadowymi. Tlenki które reagują z zasadami, a nie reagują z kwasami nazywami tlenkami kwasowymi. Tlenki, które reagują zarówno z kwasami, jak i zasadami nazywamy tlenkami amfoterycznymi.

Tlenki w naszym otoczeniu

Wiele tlenków to związki chemiczne, z którymi stykamy sie na każdym kroku lub często o nich słyszymy. O wielu wspomnieliśmy we wcześniejszych rozdziałach. Wystarczy wspomieć o dwutlenku węgla (tlenek węgla(IV) i wodzie (tlenku wodoru). Z innych tlenków na uwagę zasługują; tlenek wapnia - CaO, tlenek węgla (czad) - CO, tlenek krzemu(IV) - SiO₂, tlenek cynku - ZnO, tlenek azotu(II) - NO.

Tlenek wapnia - CaO Tlenek wapnia znany jest pod nazwą wapno palone i otrzymywany w reakcji termicznego rozkładu węglanu wapnia (skały wapiennej). Dodając do tlenku wapnia (wapna palonego) stechiometryczną ilość wody otrzymujemy produkt o nazwie wapno hydratyzowane, dostępny w sklepach z materiałami budowlanymi. CaO + H2O ----> Ca(OH)2

Jeżeli w środowisku reakcji wystąpi nadmiar wody, wtedy otrzymuje się wapno gaszone, będące zawiesiną wodorotlenku wapnia (Ca(OH)₂) w nadmiarze wody.
Mieszanina wapna gaszonego z piaskiem stanowi tradycyjną zaprawę murarską. Proces wiązania cegieł przez zaprawę polega w pierwszym etapie na wysychaniu zaprawy a w drugim na reakcji chemicznej w której zawarty w powietrzu dwutlenek węgla (CO₂) przekształca Ca(OH)₂ w węglan wapnia CaCO₃.

Ca(OH)₂ + CO₂ ----> CaCO₃ + H₂O

I właśnie powstający węglan wapnia jest tym czynnikiem, który nadaje zaprawie twardość i jednocześnie spełnia rolę spoiwa.

Tlenek węgla - CO Tlenek węgla (czad) ma silne właściwości trujące. Łączy się w sposób trwały z hemoglobiną krwi, blokując jej funkcje jako nośnika tlenu. Tlenek węgla powstaje podczas spalania węgla (gazu) przy niedostatecznym dostępie powietrza. 2C + O2 ----> 2CO Również gaz wydechowy z silników samochodowych zawiera pewną ilość tlenku wegla. Dlatego należy pamiętać, że bardzo niebezpieczne jest przebywanie w zamknietym garażu, gdy silnik samochodu pracuje jak i równiez niebezpieczne jest przebywanie w pomieszczeniach pozbawionych wentylacji a w których spalany jest węgiel i gaz ziemny.

Tlenek krzemu(IV) - SiO2 Tlenek krzemu(IV) jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w przyrodzie (ok.12% składu litosfery) i spotykanym wszędzie pod postacią piasku. Ale tworzy również piękne kryształy, znane pod nazwą kwarc. Jego postać bezbarwna znana jest pod nazwą kryształ górski. Barwne postacie kryształu górskiego wykorzystywane mają zastosowanie jako kamienie półszlachetne; ametyst (fioletowy), cytryn (żółty) oraz morion (czarny). Niekrystaliczna postać tlenku krzemu(IV) również tworzy kamienie półszlachetne, tzw. opale, których odmianą jest agat, jaspis, i onyks.

Tlenek krzemu(IV) (piasek kwarcowy) zmieszany z sodą i wapniem (skała wapienna) jest wykorzystywany do produkcji szkła butlekowego, okiennego, rur szklanych, itp. Sam proces produkcji polega na stapianiu mieszaniny w piecu w wyniku czego wydziela się dwutlenek węgla i powstają krzemiany sodowo-wapniowe (szkło).

Na₂CO₃ + CaCO₃ + SiO₂ ----> Na₂CaSiO₄ + 2CO₂

Krzemień spotykany w przyrodzie jest również tlenkiem krzemu(IV) a ten jak wiemy odegrał pierwszoplanową rolę w rozwoju cywilizacji. Był wykorzystywany do wyrobu narzędzi i krzesania ognia.

Tlenek azotu(II) - NO Tlenek azotu(II) (NO) to jeden z najczęściej występujących związków tlenu z azotem, obok tlenku azotu(I) (N2O) i tlenku azotu(IV) (NO2). Gaz ten jest obecny w atmosferze, a powstaje w rezultacie utleniania azotu pod wpływem światła i spalania w silnikach samochodowych. Dlatego jego stężenie w środowisku miejskim jest podwyższone wskutek zwiększonego ruchu samochodowego. Stężenia tlenku azotu(II) jakie występują w atmosferze w wyniku procesów utleniania i spalania w silnikach nie są czynne pod względem farmakologicznym.

Ostatnio wykazano, że tlenek azotu(II) jest wytwarzany w organizmie człowieka i jako substancja ma duże znaczenie biologiczne. Przypuszcza się, że jego obecność jest odpowiedzialna za przekaznictwo nerwowe, rozszerzenie i zwężenie naczyń krwionośnych. Wdychany do płuc rozszerza naczynia płucne, stąd jego zastosowanie kliniczne.
Użyty w nadmiarze jest trucizną.

Tlenk siarki(IV) - SO2 Jest to tlenek, który powstaje w znaczych ilościach podczas spalania paliw kopalnych takich jak; węgiel kamienny, brunatny, torf i ropa naftowa. Zawierają one znacze ilości związków siarki, które podczas spalania przechodzą w tlenek siarki(IV). Wyrzucany przez kominy przedostaje się do atmosfery, gdzie łączy się z wodą tworząc kwas siarkowy(IV). SO2 + H2O ----> H2SO3 Następnie w postaci opadów jako tzw. kwaśny deszcz zmienia kwasowość gleby, co staje się zabójcze dla roślin, szczególnie dla lasów iglastych i zwierząt żyjących w zbiornikach wodnych i rzekach. Przykładem jest klęska ekologiczna w Sudetach, gdzie wyziewy z elektrowni opalanych węglem brunatnym zniszczyły las w Górach Izerskich.

Kwaśne deszcze działają niekorzystnie na budowle wykonane wapienia i zaprawę murarską. Wynikiem oddziaływania jest niszczenie budowli, co z punktu widzenia chemika sprowadza się do rozpuszczania węglanu wapnia, czynnika wiążącego mury. Aby uniknąć negatywnego oddziaływania kwaśnych deszczy należy zdecydowanie zmniejszyc emisję tlenku siarki(IV), poprzez oczyszczanie spalin lub odsiarczanie paliw.

Tlenki jako surowiec mineralny

Głównymi minerałami zawierającymi tlenki są rudy żelaza, miedzi i cyny. Głównymi minerałami zawierającymi tlenki żelaza jest;

Znaną rudą zawirającą tlenek miedzi jest kupryt - Cu₂O

Ważne pojęcia

Tlenki - są to związki pierwiastków (metali i niemetali) z tlenem. Tlenki zasadowe - to tlenki metali które reagują z kwasami, a nie reagują z zasadami a w reakcji z kwasami dają sole. (CaO, Na2O) Tlenki kwasowe - to tlenki niemetali które reagują z zasadami, a nie reagują z kwasami i w reakcji z zasadami dają sole (SO3, CO2). Tlenki amfoteryczne - to tlenki, które reagują zarówno z kwasami, jak i zasadami, dając sole. (Al2O3, ZnO) Wapno palone - produkt termicznego rozkładu węglanu wapnia. Wapno gaszone - produkt reakcji chemicznej wapna palonego z wodą (przy nadmiarze wody). Wapno hydratyzowane - produkt reakcji chemicznej wapna palonego z wodą (ilości stechiometryczne).

POWRÓT

GŁÓWNA