【种花家务·化学】1-5-02氧化物——『数理化自学丛书66版』

2022-12-27 12:27 作者:山嵓 0人读过 | 我要投稿

【阅前提示】本书由于是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生阅读。但很适合像我这样已接受过基础教育但很不扎实的学酥重新查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

第五章氧化物、碱、酸、盐

§5-2氧化物

氧化物的存在和用途

在第二章里我们就已谈到了氧化物。在自然界里，氧化物是广泛地存在着的。水是地球上分布最广的氧化物。在大气里含有的二氧化碳，以及构成砂砾、石英、玛瑙等的主要成分二氧化硅都是氧化物。蕴藏在地下的许多金属矿石，例如赤铁矿( $Fe_2O_3$ )、磁铁矿( $Fe_3O_4$ )、赤铜矿( $Cu_2O$ )、黑铜矿( $CuO$ )、铝矾土矿( $Al_2O_3$ )等的主要成分也都是氧化物。

从氧化物的形态来讲，有气态的氧化物，例如二氧化碳、二氧化硫等；有液态的氧化物，水就是我们最熟悉的液态的氧化物；也有固态的氧化物，例如生石灰( $CaO$ )、二氧化硅( $SiO_2$ )等。

氧化物的用途非常广泛，有许多氧化物是工业上重要的原材料。例如二氧化碳是制造纯碱（即碳酸钠 $Na_2O_3$ )的主要原料之一，生石灰（氧化钙 $CaO$ )是一种重要的建筑材料，氧化锌( $ZnO$ )常用来制造白色油漆颜料（锌白），硫的氧化物（二氧化硫和三氧化硫)是工业上制造硫酸的原料。但是，某些氧化物在自然界里并不存在，或者存在的量不够生产上的需要。因此，在工业上，还必须大量生产那些具有实用意义的氧化物

氧化物的制造

要制造某一类化合物，可以根据它的组成成分来寻求制取的可能的途径。氧化物是由两种元素组成的化合物。因此，制造氧化物，一方面可以用比它更简单的物质（比氧化物更简单的物质只有单质了）通过化合反应（即和氧直接化合)来制造；另一方面也可以用比它复杂一些的物质(含有三种元素的化合物，例如某些盐类)通过分解反应来制造。

用单质（金属或非金属）直接和氧化合制取氧化物，主要是把单质在纯氧或空气里燃烧。工业上，为了使燃烧进行得比较完全，常先把要燃烧的原料，加热变成蒸气，让蒸气再来燃烧。例如，制取氧化锌( $ZnO$ )，就用燃烧锌的蒸气的方法来制取。这个反应的化学方程式是： $%5Cmathop%7B2Zn%7D%5Climits_%7B%5Cmathop%7B%EF%BC%88%E9%94%8C%E8%92%B8%E6%B1%BD%EF%BC%89%7D%7D%2BO_2%5Cmathop%7B%3D%5C!%3D%7D%5Climits%5E%7B%E9%AB%98%E6%B8%A9%7D%5Cmathop%7B2ZnO%7D%5Climits_%7B%5Cmathop%7B%EF%BC%88%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%94%8C%EF%BC%89%7D%7D$

【山注，\mathop{2Zn}\limits_{（锌蒸汽）}+O_2\mathop{=\!=}\limits^{高温}\mathop{2ZnO}\limits_{（氧化锌）}】

在第三章里我们讲过，在石灰窑里煅烧石灰石( $CaCO_3$ )可以制得生石灰( $CaO%20$ )，这是利用分解反应制取氧化物的一个重要例子。这个反应的化学方程式是： $CaCO_3%5Cmathop%7B%3D%5C!%3D%7D%5Climits%5E%7B%E5%BC%BA%E7%83%AD%7DCaO%2BCO_2%E2%86%91$ 【山注，CaCO_3\mathop{=\!=}\limits^{强热}CaO+CO_2↑】

这个方法工业上不仅用来生产生石灰，而且也用来大量制造二氧化碳气体（§3-4）。

某些不稳定的酸和碱，加热也能分解生成氧化物，这在§5-3、§5-4两节里还将讲到。

氧化物的化学性质

氧化物的化学性质，我们主要谈氧化物和水发生的化合反应（称做“水化反应”）。

许多氧化物都能和水发生化合反应，生成的化合物称做氧化物的水化物。

在建筑工地上，我们常能看到生石灰和水反应时发生的剧烈沸腾现象。如果拿几小块生石灰，放在蒸发皿里，加少许水进去。起初水被生石灰所吸收，不久就刷烈地发热，使一部分水变成蒸气从蒸发皿口冒出来（图5-1)。块状的生石灰开始松散开来，变成白色的粉末。生石灰和水化合后的生成物，叫做消石灰，在化学上称做氢氧化钙，分子式是 $Ca(OH)_2$ 。这个反应的化学方程式是： $CaO%2BH_2O%3DCa(OH)_2$ 氢氧化钙是由一分子氧化钙和一分子水化合而成的化合物，它是氧化钙的水化物。

氧化物的水化物和第四章里所讲的结晶水合物不同，在氧化物的水化物的分子里，水不是以整个分子和氧化物的分子相结合的。因此，在氧化物的水化物的分子式里，不再保留有水的分子式。例如，氢氧化钙的分子式是 $Ca(OH)_2$ ，不应写作 $CaO%C2%B7H_2O$ 。

二氧化碳也能和水化合，生成一种不稳定的酸，叫做碳酸( $H_2CO_3$ )。这个反应的化学方程式是： $CO_2%2BH_2O%3DH_2CO_3$ 【山注，CO_2+H_2O=H_2CO_3】碳酸是二氧化碳的水化物。

除此以外，还有许多氧化物，都能和水化合，生成相应的水化物。举例如下：

$%5Cmathop%7BNa_2O%7D%5Climits_%7B%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%92%A0%7D%2BH_2O%3D%5Cmathop%7B2NaOH%7D%5Climits_%7B%E6%B0%A2%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%92%A0%7D(%E6%B0%A2%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%92%A0%E6%98%AF%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%92%A0%E7%9A%84%E6%B0%B4%E5%8C%96%E7%89%A9)$

【山注，\mathop{Na_2O}\limits_{氧化钠}+H_2O=\mathop{2NaOH}\limits_{氢氧化钠}(氢氧化钠是氧化钠的水化物)】

$%5Cmathop%7BK_2O%7D%5Climits_%7B%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%92%BE%7D%2BH_2O%3D%5Cmathop%7B2KOH%7D%5Climits_%7B%E6%B0%A2%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%92%BE%7D(%E6%B0%A2%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%92%BE%E6%98%AF%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%92%BE%E7%9A%84%E6%B0%B4%E5%8C%96%E7%89%A9)$

【山注，\mathop{K_2O}\limits_{氧化钾}+H_2O=\mathop{2KOH}\limits_{氢氧化钾}(氢氧化钾是氧化钾的水化物)】

$%5Cmathop%7BP_2O_5%7D%5Climits_%7B%E4%BA%94%E6%B0%A7%E5%8C%96%E4%BA%8C%E7%A3%B7%7D%2B3H_2O%EF%BC%88%E7%83%AD%E6%B0%B4%EF%BC%89%3D%5Cmathop%7B2H_3PO_4%7D%5Climits_%7B%E7%A3%B7%E9%85%B8%7D(%E7%A3%B7%E9%85%B8%E6%98%AF%E4%BA%94%E6%B0%A7%E5%8C%96%E4%BA%8C%E7%A3%B7%E7%9A%84%E6%B0%B4%E5%8C%96%E7%89%A9)$

【山注，\mathop{P_2O_5}\limits_{五氧化二磷}+3H_2O（热水）=\mathop{2H_3PO_4}\limits_{磷酸}(磷酸是五氧化二磷的水化物)】

$%5Cmathop%7BSO_3%7D%5Climits_%7B%E4%B8%89%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%A1%AB%7D%2B3H_2O%3D%5Cmathop%7BH_2SO_4%7D%5Climits_%7B%E7%A1%AB%E9%85%B8%7D(%E7%A1%AB%E9%85%B8%E6%98%AF%E4%B8%89%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%A1%AB%E7%9A%84%E6%B0%B4%E5%8C%96%E7%89%A9)$

【山注，\mathop{SO_3}\limits_{三氧化硫}+3H_2O=\mathop{H_2SO_4}\limits_{硫酸}(硫酸是三氧化硫的水化物)】

也有一些氧化物，例如二氧化硅( $SiO_2$ )、氧化铜( $CuO$ )、氧化铁( $Fe_2O_3$ )等，它们不能跟水直接化合生成水化物，但可以用间接的方法制得（见第196页）。因此，这些氧化物的水化物还是存在着的。它们分别是硅酸( $H_2SiO_3$ )、氢氧化铜[ $Cu(OH)_2$ ]、氢氧化铁[ $Fe(OH)_3$ ]等。只有极少数的氧化物，例如一氧化碳( $CO$ )、一氧化氮( $NO$ )等，它们的水化物是不存在的。

氧化物的分子式写法和命名法

前面我们已经知道了不少氧化物的分子式，可以看出不论金属或非金属的氧化物的分子式，都是金属或非金属元素写在前面，氧元素写在后面。根据化合价规则(§2-15)，氧化物分子式里金属或非金属元素的化合价总数一定要等于氧元素的化合价总数。我们知道氧的化合价是2价，如果以R代表金属或非金属元素，元素的化合价以罗马数字注在元素符号上面，那么，不同化合价的金属或非金属元素的氧化物的分子式是：

金属氧化物一般根据分子里金属的名字命名为“氧化某金属”，例如 $K_2O$ 命名为氧化钾， $CaO$ 命名为氧化钙等。如果一种金属能够形成几种氧化物，金属元素化合价较低的命名为“氧化亚某金属”，化合价较高的仍命名为“氧化某金属”。例如 $FeO$ (其中铁是两价)命名为氧化亚铁， $Fe_2O_3$ （其中铁是三价）命名为氧化铁。命名非金属氧化物时，常把它分子里的氧原子个数和非金属原子个数一齐读出来。例如 $P_2O_5$ 命名为五氧化二磷， $SO_3$ 命名为三氧化硫等。

习题 5-2

1、为什么惰性气体从它们的物理性质来看可以归入非金属一类，但从它们的化学性质来看，既不能归人非金属又不能归入金属，而要另立一类？

【山答】首先金属的物理性质之一是常温下除了水银均为固态，而惰性气体是气态，因此从物理性质考虑惰性气体应该分类入非金属一类。但金属与非金属的化学性质中，有能够与氧等化合的特点，但惰性气体几乎不与其他物质发生反应，因此不具备此特点，故从化学性质来看，惰性气体既不能归人非金属又不能归入金属。

2、什么叫做氧化物？指出下列各物质中，哪些是氧化物，哪些不是氧化物？为什么？

(1)氧化汞， (2)水， (3)氯酸钾， (4)硫酸， (5)二氧化碳。

【山答】所谓氧化物，是指那些由两种元素组成的化合物，其中一种元素是氧。因此1/2/5符合定义，是氧化物。但3/4均含有3种元素，不符合定义，因此不是氧化物。

3、写出两种金属元素氧化物和两种非金属元素氧化物的分子式，并注明它们的读法。

【山答】金属氧化物： $%5Ccolor%7Bblue%7D%7BCuO%7D$ 氧化铜； $%5Ccolor%7Bblue%7D%7BFe_2O_3%7D$ 氧化铁。非金属氧化物： $%5Ccolor%7Bblue%7D%7BCO%7D$ 一氧化碳； $%5Ccolor%7Bblue%7D%7BSO_3%7D$ 三氧化硫。

4、制取氧化物有哪两种可能的方法？各举一个实例。

【山答】化合法，例如燃烧碳生成二氧化碳；分解法，例如煅烧碳酸钙生成氧化钙与二氧化碳。

5、怎样从石灰石( $CaCO_3$ )制得消石灰[ $Ca(OH)_2$ ]，写出反应的化学方程式。

【山答】 $%5Ccolor%7Bblue%7D%7BCaCO_3%5Cmathop%7B%3D%5C!%3D%7D%5Climits%5E%7B%E5%BC%BA%E7%83%AD%7DCaO%2BCO_2%E2%86%91%5Cquad%20CaO%2BH_2O%3DCa(OH)_2%7D$ 【山注，\color{blue}{CaCO_3\mathop{=\!=}\limits^{强热}CaO+CO_2↑\quad CaO+H_2O=Ca(OH)_2}】

6、按照下述化学反应顺序，结合一个实例，写出完整的化学方程式：

(1)金属→金属氧化物→金属氧化物的水化物；

【山答】 $%5Ccolor%7Bblue%7D%7BNa%2BO_2%EF%BC%88%E7%A9%BA%E6%B0%94%EF%BC%89%3DNa_2O%5Cquad%20Na_2O%20%2BH_2O%3D%202NaOH%7D$ 【山注，纳与纯氧在高温下反应会生成过氧化钠，故此处注明空气。\color{blue}{Na+O_2（空气）=Na_2O\quad Na_2O +H_2O= 2NaOH}】

(2)非金属→非金属氧化物→非金属氧化物的水化物。

【山答】 $%5Ccolor%7Bblue%7D%7BC%2BO_2%5Cmathop%7B%3D%5C!%3D%7D%5Climits%5E%7B%E9%AB%98%E6%B8%A9%7D%20CO_2%5Cquad%20CO_2%2BH_2O%3DH_2CO_3%7D$ 【山注，\color{blue}{C+O_2\mathop{=\!=}\limits^{高温} CO_2\quad CO_2+H_2O=H_2CO_3}】

7、1克原子的下列元素完全氧化时，各需氧气多少克？