Tlenki

Tlenki – nieorganiczne związki chemiczne, zbudowane z tlenu i innego pierwiastka chemicznego, w którym tlen jest na -II stopniu utlenienia. Powstają w wyniku reakcji pierwiastków z tlenem (utlenianie, spalanie) oraz rozkładu związków zawierających tlen, zaś tlenki na różnych stopniach utlenienia można uzyskać w reakcji utleniania lub redukcji (odpowiednio tlenku o niższych i wyższych wartościowościach drugiego pierwiastka). Najbardziej rozpowszechnionymi tlenkami w przyrodzie są: krzemionka, czyli główny składnik piasku kwarcowego (SiO₂), woda (H₂O), tlenek żelaza (III), (Fe₂O₃), tlenek glinu (Al₂O₃), ditlenek 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 (większość tlenków metali, jak tlenek wolframu), przez ciecze (niektóre tlenki niemetali, jak woda), po gazy (większość tlenków niemetali, jak podtlenek azotu). Większość tlenków metali ma podobny, biały bądź szary kolor bez połysku, jednak znanych jest też wiele tlenków barwnych (szczególnie z bloku p, d oraz f), 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, które są innymi grupami związków chemicznych). 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 (charakter chemiczny):
  • 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 nadmanganowy (HMnO₄), a z zasadami sole, nadmanganiany (zawierające anion MnO−
4)

Mn₂O₇ + H₂O → 2HMnO₄

Mn₂O₇ + 2KOH → 2KMnO₄ + H₂O

Nazewnictwo tlenków

Do tworzenia nazw tlenków zazwyczaj stosuje się nomenklaturę konstytucyjną, w której stechiometrię związku oddaje się np. za pomocą przedrostków zwielokrotniających lub liczb Stocka (stopni utlenienia), np.

• K₂O – tlenek dipotasu lub tlenek potasu
• CaO – tlenek wapnia
• Al₂O₃ – tritlenek diglinu lub tlenek glinu(III)
• CO – tlenek węgla lub tlenek węgla(II)
• CO₂ – ditlenek węgla (zwyczajowo dwutlenek węgla) lub tlenek węgla(IV)
• MnO₂ – ditlenek manganu lub 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).

Stopień utlenienia 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

Reaktywność tlenków z wodą, kwasem i zasadą
Przykładowe reakcje oznaczone są numerami i zamieszczone pod tabelą

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 (5)	nie
Reakcja z zasadą	tak (4)		nie		tylko z mocną zasadą (6)	nie

(1) Tlenki większości niemetali w reakcji z wodą tworzą kwasy:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

(2) 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

(3) Tlenki zasadowe reagują z kwasami:

CaO + 2HCN → Ca(CN)₂ + H₂O

K₂O + 2HNO₂ → 2KNO₂ + H₂O

(4) Tlenki kwasowe reagują z zasadami:

Cl₂O₇ + 2NaOH → 2NaClO₄ + H₂O

CO₂ + 2LiOH → Li₂CO₃ + H₂O

(5) i (6) Tlenki amfoteryczne mają właściwości kwasowe lub zasadowe w zależności od środowiska, w którym się znajdują. Np. tlenek glinu bądź tlenek cynku reaguje

(5) z mocnymi kwasami:

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

ZnO + 2HMnO₄ → Zn(MnO₄)₂ + H₂O

(6) 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 a tlen jest na standardowym -II stopniu utlenienia, np. N₂O;
• nadtlenki – zawierają mostki tlenowe (−O−O−) a tlen jest na -I stopniu utlenienia, np. H₂O₂, Na₂O₂;
• ponadtlenki – zawierają anion O₂⁻ a tlen występuje na ^-1/₂ stopniu utlenienia, np. KO_2;
• ozonki – zawierają anion O₃⁻ - tlen występuje na ^-1/₃ stopniu utlenienia, np. CsO₃.

Ważniejsze tlenki nieorganiczne

Do najbardziej znanych tlenków zaliczyć można:

• H₂O – tlenek wodoru, czyli woda;
• N₂O – podtlenek azotu znany jako gaz rozweselający;
• SO₂ – 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 – dwutlenek tytanu, składnik bieli tytanowej;
• SiO₂ – krzemionka - główny składnik piasku, gleb i wielu skał, jest przetapiana na szkło.

Bibliografia

• Stanisława Hejwowska, Ryszard Marcinkowski: Chemia. Wyd. 2. Cz. 1: Chemia ogólna i nieorganiczna. Wydawnictwo Pedagogiczne Operon, 2003. ISBN 83-7390-082-9. (pol.). Brak numerów stron w książce
• 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.).
• Kamil Kaznowski, Krzysztof M. Pazdro: Chemia - podręcznik do liceów i techników, zakres rozszerzony, cz. 2, Wydawnictwo Oficyna Edukacyjna - Krzysztof Pazdro, 2020, Wyd 1. ISBN 978-83-7594-190-6. (pol.).