Tlenki

Tlenki – nieorganiczne związki chemiczne, zbudowane z tlenu i innego pierwiastka chemicznego. Powstają w wyniku reakcji pierwiastków z tlenem (utlenianie, spalanie) oraz rozkładu związków zawierających tlen. Najbardziej rozpowszechnionymi tlenkami są: woda (H₂O), krzemionka, czyli główny składnik piasku kwarcowego (SiO₂), dwutlenek węgla (CO₂).

W chemii organicznej tlenkami określane są epitlenki, czyli związki, w których sąsiadujące atomy węgla oprócz wiązania węgiel-węgiel połączone są też mostkiem tlenowym tworząc pierścień trójczłonowy.

Tlenki nieorganiczne są omówione w dalszej części artykułu.

Właściwości tlenków

Właściwości fizyczne

Tlenki mają bardzo różne własności fizyczne, które zależą od pierwiastka łączącego z tlenem: od substancji stałych o bardzo wysokich temperaturach topnienia (tlenek wolframu), przez ciecze (woda), po gazy (podtlenek azotu). Większość tlenków metali ma podobny, biały bądź szary kolor bez połysku, jednak znanych jest też wiele tlenków barwnych, np. czarny tlenek żelaza(II), czerwono-brązowy tlenek żelaza(III) (rdza), jaskrawoczerwony lub żółty tlenek rtęci(II) bądź zielony tlenek chromu(III) i in.

Zmiana barwy tlenku wraz ze zmianą stopnia utlenienia metalu

Tlenek ołowiu(II) PbO	Tlenek ołowiu(II i IV) Pb3O4	Tlenek ołowiu(IV) PbO2

Właściwości chemiczne

Tlen w tlenkach zawsze występuje na minus drugim stopniu utleniania (-II; nie dotyczy to nadtlenków i ponadtlenków). Mają one bardzo różne własności chemiczne w zależności od elektroujemności i stopnia utlenienia pierwiastka, z którym tlen tworzy wiązanie.

• właściwości redukująco-utleniające:
  • utleniacze: tlenki łatwo oddające tlen, np. tlenek rtęci(II)
  • reduktory: tlenki łatwo utleniające się, np. tlenek węgla(II)
• reaktywność chemiczna
  • tlenki reaktywne, np. tlenki metali I grupy układu okresowego, tlenki azotowców i fluorowców
  • tlenki mało aktywne chemicznie, np. dwutlenek krzemu
• właściwości kwasowo-zasadowe
  • tlenki zasadowe: reagują z kwasami dając sole, zazwyczaj alkalizują wodą (podwyższają odczyn pH)
  • tlenki kwasowe: reagują z zasadami dając sole, zazwyczaj zakwaszają wodą
  • tlenki amfoteryczne: reagują zarówno z kwasami, jak i z zasadami; są to głównie tlenki pierwiastków grup przejściowych i tlenki metali z grup 13–15 + berylu.
  • tlenki obojętne: nie reagują z kwasami ani z zasadami z wytworzeniem soli; należą do nich niektóre tlenki niemetali na niskich stopniach utlenienia, np. NO i CO oraz tlenki gazów szlachetnych

Jeżeli metal przejściowy tworzy tlenki na różnych stopniach utlenienia (np. mangan), właściwości kwasowe tlenku rosną wraz ze wzrostem stopnia utlenienia. Przykładowo, tlenki manganu to m.in. MnO, MnO₂ lub Mn₂O₇:

Tlenek manganu(II), MnO z kwasami daje sole zawierające kation Mn²⁺:

MnO + H₂SO₄ → MnSO₄ + H₂O

Tlenek manganu(IV), MnO₂ reaguje z mocnymi kwasami i mocnymi zasadami (nie reaguje z wodą):

MnO₂ + 4KOH + 2H₂O → K₄[Mn(OH)₈]

MnO₂ + 2H₂SO₄ → Mn(SO₄)₂ + 2H₂O (sole manganu(IV) są nietrwałe i otrzymywanym produktem reakcji MnO₂ z kwasami są zazwyczaj związki manganu(II), np. 2MnO₂ + 2H₂SO₄ → 2MnSO₄ + O₂ + 2H₂O)

Tlenek manganu(VII), Mn₂O₇, z wodą tworzy kwas manganowy(VII) (kwas nadmanganowy), a z zasadami sole, manganiany(VII) (nadmanganiany):

Mn₂O₇ + H₂O → 2HMnO₄

Mn₂O₇ + 2KOH → 2KMnO₄ + H₂O

Nazewnictwo tlenków

IUPAC zaleca stosowanie systemu Stocka. Aby nadać tlenkowi nazwę przy użyciu tego systemu używamy słowa tlenek oraz podajemy nazwę pierwiastka tworzącego dany tlenek. Dla pierwiastka, który w wiązaniu z tlenem przyjmuje tylko jedną wartościowość nie podaje się jej, lecz gdy istnieją różne wartościowości pierwiastka, w jego tlenkach należy napisać ją w nawiasie, np.

• K₂O – tlenek potasu
• CaO – tlenek wapnia
• Sc₂O₃ – tlenek skandu
• CO – tlenek węgla(II)
• CO₂ – tlenek węgla(IV)
• MnO₂ – tlenek manganu(IV)

Wyjątkiem są związki fluoru z tlenem, które są fluorkami (a nie tlenkami) ze względu na wyższą elektroujemność fluoru w stosunku do tlenu. Stąd związek OF₂ to difluorek tlenu (a nie tlenek fluoru F₂O).

Wartościowość atomu, z którym łączy się tlen	Stosunek liczby atomu do tlenu	Przykłady
-I	1:2	OF2 (tylko)
I	2:1	Li2O, Ag2O
II	1:1	CaO, MnO
III	2:3	Cr2O3, Al2O3
IV	1:2	CO2, TiO2
V	2:5	N2O5, V2O5
VI	1:3	CrO3, SO3
VII	2:7	Mn2O7, Cl2O7
VIII	1:4	OsO4 RuO4
Tlenki mieszane	różnie	Fe3O4 = FeO · Fe2O3 Mn3O4 = MnO · Mn2O3

Otrzymywanie tlenków

1. Bezpośrednia synteza z pierwiastków – tym sposobem można otrzymać najwięcej tlenków.

2Ba + O₂ → 2BaO

S + O₂ → SO₂

Prawie niemożliwe jest otrzymanie tlenków fluorowców poprzez ich spalanie. Jeżeli dany pierwiastek posiada różne tlenki, to zazwyczaj utlenia się do tlenku o niższej wartościowości. Natomiast podczas spalania metali alkalicznych nie otrzymuje się tlenków, lecz nadtlenki, a podczas spalania w czystym tlenie (poza litem) ponadtlenki. Podczas spalania cięższych metali alkalicznych w ozonie można otrzymać ozonki.

2. Utlenianie metali w reakcji aluminotermii:

3Fe₃O₄ + 8Al → 4Al₂O₃ + 9Fe

Cr₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Cr

3. Utlenianie niższych tlenków:

2CO + O₂ → 2CO₂

4FeO + O₂ → 2Fe₂O₃

4. Redukcja wyższych tlenków:

MnO₂ + H₂ → MnO + H₂O

Fe₂O₃ + C → 2FeO + CO

5. Redukcja lub rozkład nadtlenków i ponadtlenków:

Na₂O₂ + 2Na → 2Na₂O

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

6. Rozkład (analiza):

4MnO₂ → 2Mn₂O₃ + O₂

oraz dysproporcjonowanie niektórych tlenków:

N₂O₃ → NO + NO₂

7. Rozkład soli nietrwałych kwasów tlenowych:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Na₂SO₃ → Na₂O + SO₂

8. Rozkład niektórych wodorotlenków:

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O

Cu(OH)₂ → CuO + H₂O

9. Rozkład nietrwałych kwasów tlenowych:

H₂CO₃ → CO₂↑ + H₂O

H₂SO₃ → SO₂↑ + H₂O

10. Reakcja kwasu utleniającego z reduktorem:

3C + 4HNO₃ → 3CO₂ + 4NO + 2H₂O

W niektórych przypadkach w celu otrzymania pożądanego tlenku konieczne jest użycie katalizatora np:

2SO₂ + O₂ —[katalizator V₂O₅]→ 2SO₃

bądź utrzymanie specjalnych warunków otoczenia takich jak ciśnienie i temperatura.

Kwasowo-zasadowy charakter tlenków nieorganicznych

Reakcje kwasowo-zasadowe tlenków z wodą, kwasem i zasadą

Charakterystyka	Tlenki kwasowe		Tlenki zasadowe		Tlenki amfoteryczne Al2O3, ZnO	Tlenki obojętne CO , NO
	Tlenki kwasowe np.: CO2, SO3	Tlenki o charakterze kwasowym np.: SiO2	Tlenki zasadowe np.: K2O, CaO, MgO	Tlenki o charakterze zasadowym np.: MnO
Reakcja z wodą	tak (1)	nie	tak (2)	nie	nie	nie
Reakcja z kwasem	nie		tak (3)		tylko z mocnym kwasem (4)	nie
Reakcja z zasadą	tak (5)		nie		tylko z mocną zasadą (6)	nie

Najbardziej znaną reakcją chemiczną tlenków jest reakcja z wodą, w czasie której powstają kwasy i zasady.

• Tlenki większości niemetali w reakcji z wodą tworzą kwasy:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

• Tlenki metali alkalicznych i ziem alkalicznych (czyli litowce i berylowce bez berylu) w reakcji z wodą tworzą zasady:

Na₂O + H₂O → 2NaOH

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

• Tlenki zasadowe reagują z kwasami:

CaO + 2HCN → Ca(CN)₂ + H₂O

K₂O + 2HNO₂ → 2KNO₂ + H₂O

• Tlenki kwasowe reagują z zasadami:

Cl₂O₇ + 2NaOH → 2NaClO₄ + H₂O

CO₂ + 2LiOH → Li₂CO₃ + H₂O

• Tlenki amfoteryczne mają właściwości kwasowe lub zasadowe w zależności od środowiska, w którym się znajdują. Np. tlenek glinu bądź tlenek cynku reaguje

• z mocnymi kwasami:

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

ZnO + 2HMnO₄ → Zn(MnO₄)₂ + H₂O

• oraz z mocnymi zasadami:

Al₂O₃ + 6NaOH + 3H₂O → 2Na₃[Al(OH)₆]

ZnO + Sr(OH)₂ + H₂O → Sr[Zn(OH)₄]

Podtlenki, nadtlenki, ponadtlenki i ozonki

Innym podziałem tlenków jest fakt występowania lub nie wiązań chemicznych tlen-tlen i inny pierwiastek – inny pierwiastek.

• podtlenki – zawierają wiązanie inny pierwiastek – inny pierwiastek np. N₂O
• nadtlenki – zawierają mostki tlenowe (-O-O-) np. H₂O₂, Na₂O₂
• ponadtlenki – zawierają anion O₂^- np. KO₂
• ozonki - zawierają anion O₃^- np. CsO₃

Ważniejsze tlenki nieorganiczne

Do najbardziej znanych tlenków zaliczyć można:

• H₂O – tlenek wodoru, czyli woda;
• N₂O – czyli podtlenek azotu znany jako gaz rozweselający;
• SO₂ – czyli dwutlenek siarki obecny w spalinach przemysłowych, tworzy z wodą tzw. kwaśne deszcze;
• CO – tlenek węgla jest toksycznym gazem obecnym w spalinach; składnik gazu świetlnego;
• CO₂ – dwutlenek węgla obecny w wodzie gazowanej oraz w wyziewach kominowych, spalinach; jest też jednym z gazów cieplarnianych;
• CaO – tlenek wapnia – czyli inaczej wapno palone; składnik zaprawy murarskiej;
• TiO₂ – czyli dwutlenek tytanu, składnik bieli tytanowej;
• SiO₂ – krzemionka jest przetapiana na szkło.

Bibliografia

• Stanisława Hejwowska, Ryszard Marcinkowski: Chemia. Wyd. 2. Cz. 1: Chemia ogólna i nieorganiczna. Wydawnictwo Pedagogiczne Operon, 2003. ISBN 8373900829.  (pol.)
• Otrzymywanie oraz właściwości tlenków i wodorków. W: Stanisława Hejwowska: Chemia Vademecum maturalne. Gdynia: Wydawnictwo Pedagogiczne Operon, 2006, s. 44-45. ISBN 83-7461-299-1.  (pol.)