Ιδιότητες μεταλλικών οξειδίων, ονοματολογία, χρήσεις και παραδείγματα

Το οξείδια μετάλλων είναι ανόργανες ενώσεις που σχηματίζονται από μεταλλικά κατιόντα και οξυγόνο. Γενικά περιλαμβάνουν έναν τεράστιο αριθμό ιοντικών στερεών, στα οποία το ανιόν οξειδίου (Ο^2-) ηλεκτροστατικά αλληλεπιδρά με τα είδη Μ⁺.

Μ⁺ Έτσι κάθε κατιόν που προέρχεται από καθαρό μέταλλο: από τα αλκάλια και μέταλλα μεταπτώσεως, εκτός από ορισμένα ευγενή μέταλλα (όπως χρυσό, πλατίνα και παλλάδιο), με το βαρύτερο ρ-μπλοκ του περιοδικού πίνακα ( όπως το μόλυβδο και το βισμούθιο).

Η επάνω εικόνα δείχνει μια επιφάνεια σιδήρου που καλύπτεται από κοκκινωπό κρούστα. Αυτές οι "κρούστες" είναι αυτές που είναι γνωστές ως σκουριά ή σκουριά, που με τη σειρά τους αντιπροσωπεύουν μια οπτική δοκιμή της οξείδωσης του μετάλλου λόγω των συνθηκών του περιβάλλοντος. Χημικά, η σκουριά είναι ένα ενυδατωμένο μίγμα οξειδίων σιδήρου (III).

Γιατί η οξείδωση του μετάλλου έχει ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση της επιφάνειας του; Αυτό οφείλεται στην ενσωμάτωση οξυγόνου εντός της κρυσταλλικής δομής του μετάλλου.

Όταν συμβεί αυτό, ο όγκος του μετάλλου αυξάνεται και οι αρχικές αλληλεπιδράσεις εξασθενούν, προκαλώντας θραύση του στερεού. Επίσης, αυτές οι ρωγμές επιτρέπουν περισσότερα μόρια οξυγόνου να διεισδύσουν στα εσωτερικά μεταλλικά στρώματα, τρώγοντας ολόκληρο το κομμάτι από μέσα..

Ωστόσο, αυτή η διαδικασία συμβαίνει με διαφορετικές ταχύτητες και εξαρτάται από τη φύση του μετάλλου (την αντιδραστικότητα του) και τις φυσικές συνθήκες που την περιβάλλουν. Επομένως, υπάρχουν παράγοντες που επιταχύνουν ή επιβραδύνουν την οξείδωση του μετάλλου. δύο από αυτά είναι η παρουσία υγρασίας και pH.

Γιατί; Επειδή η οξείδωση του μετάλλου για την παραγωγή ενός οξειδίου μετάλλου συνεπάγεται μεταφορά ηλεκτρονίων. Αυτά τα "ταξίδια" από ένα χημικό είδος σε άλλο, εφόσον το μέσο το διευκολύνει, είτε με την παρουσία ιόντων (Η⁺, Na⁺, Mg²⁺, Cl^-, κ.λπ.), τα οποία τροποποιούν το pH, ή με μόρια νερού που παρέχουν το μέσο μεταφοράς.

Αναλυτικά, η τάση ενός μετάλλου να σχηματίζει το αντίστοιχο οξείδιο αντανακλάται στα δυναμικά αναγωγής του, τα οποία αποκαλύπτουν ποιο μέταλλο αντιδρά ταχύτερα σε σύγκριση με άλλο.

Gold, για παράδειγμα, έχει μία πολύ μεγαλύτερη από ό, τι δυναμικό λόγο μείωσης του σιδήρου λάμπει με διακριτικό χρυσή λάμψη του χωρίς ένα οξείδιο ότι αδιαφανές.

Ευρετήριο

• 1 Ιδιότητες μη μεταλλικών οξειδίων
  • 1.1 Βασικότητα
  • 1.2 Αμφοτερικότητα
• 2 Ονοματολογία
  • 2.1 Παραδοσιακή ονοματολογία
  • 2.2 Συστηματική ονοματολογία
  • 2.3 Ονοματολογία αποθεμάτων
  • 2.4 Υπολογισμός του αριθμού του σθένος
• 3 Πώς σχηματίζονται?
  • 3.1 Άμεση αντίδραση του μετάλλου με οξυγόνο
  • 3.2 Αντίδραση μεταλλικών αλάτων με οξυγόνο
• 4 Χρήσεις
• 5 Παραδείγματα
  • 5.1 Οξείδια σιδήρου
  • 5.2 Οξείδια αλκαλικών και αλκαλικών γαιών
  • 5.3 Οξείδια της ομάδας ΙΙΙΑ (13)
• 6 Αναφορές

Ιδιότητες των μη μεταλλικών οξειδίων

Οι ιδιότητες των μεταλλικών οξειδίων ποικίλλουν ανάλογα με το μέταλλο και το πώς αλληλεπιδρά με το ανιόν Ο^2-. Αυτό συνεπάγεται ότι ορισμένα οξείδια έχουν υψηλότερες πυκνότητες ή διαλυτότητες στο νερό από άλλες. Ωστόσο, όλοι έχουν κοινό το μεταλλικό χαρακτήρα, το οποίο αναπόφευκτα αντανακλάται στη βασικότητά του.

Με άλλα λόγια: είναι επίσης γνωστά ως βασικοί ανυδρίτες ή βασικά οξείδια.

Βασικότητα

Η βασικότητα των μεταλλικών οξειδίων μπορεί να ελεγχθεί πειραματικά με τη χρήση ενός δείκτη όξινης βάσης. Πώς; Προσθέτοντας ένα μικρό τεμάχιο του οξειδίου σε ένα υδατικό διάλυμα με λίγο διαλυμένο δείκτη. αυτό μπορεί να είναι ο υγροποιημένος χυμός του μωβ λάχανο.

στη συνέχεια, έχοντας το φάσμα των χρωμάτων ανάλογα με το ρΗ, ο χυμός οξείδιο που πρέπει να μετατραπεί γαλαζωπό χρώματα που αντιστοιχούν σε βασικό ρΗ (με τιμές μεταξύ 8 και 10). Αυτό συμβαίνει επειδή το διαλυμένο απελευθέρωσης οξειδίου τμήμα ιόντα ΟΗ^- στο περιβάλλον, που είναι αυτά στο πείραμα που είναι υπεύθυνο για την αλλαγή του pH.

Έτσι για μια MO οξείδιο διαλυτοποιήσεως στο ύδωρ, γίνεται το υδροξείδιο μετάλλου (α «ένυδρο οξείδιο») σύμφωνα με τις ακόλουθες χημικές εξισώσεις:

ΜΟ + Η₂Ο => Μ (ΟΗ)₂

Μ (ΟΗ)₂ <=> Μ²⁺ + 2ΟΗ^-

Η δεύτερη εξίσωση είναι η ισορροπία διαλυτότητας του υδροξειδίου Μ (ΟΗ)₂. Σημειώστε ότι το μέταλλο έχει φορτίο 2+, πράγμα που σημαίνει ότι το σθένος του είναι +2. Το σθένος του μετάλλου συνδέεται άμεσα με την τάση του να αποκτά ηλεκτρόνια.

Με αυτόν τον τρόπο, όσο πιο θετικό είναι το σθένος, τόσο μεγαλύτερη είναι η οξύτητά του. Στην περίπτωση που το Μ είχε σθένος +7, τότε το οξείδιο Μ₂Ο₇ θα ήταν όξινο και όχι βασικό.

Anfoterismo

Τα οξείδια μετάλλων είναι βασικά, ωστόσο, δεν έχουν όλα το ίδιο μεταλλικό χαρακτήρα. Πώς να το ξέρετε; Εντοπισμός του μετάλλου M στον περιοδικό πίνακα. Όσο περισσότερο είναι στα αριστερά του, και στις χαμηλότερες περιόδους, τόσο πιο μεταλλικό θα είναι και επομένως τόσο πιο βασικό θα είναι το οξείδιο του.

Στο όριο μεταξύ των βασικών και όξινων οξειδίων (τα μη μεταλλικά οξείδια) είναι τα αμφοτερικά οξείδια. Εδώ η λέξη «αμφοτερική» σημαίνει ότι το οξείδιο δρα και ως βάση και οξύ, το οποίο είναι το ίδιο όπως και σε υδατικό διάλυμα μπορεί να σχηματίσει το υδροξείδιο ή το υδατικό σύμπλοκο Μ (ΟΗ₂)₆²⁺.

Το υδατικό σύμπλεγμα δεν είναι τίποτα περισσότερο από το συντονισμό του n μόρια νερού με το μεταλλικό κέντρο Μ. Για το σύμπλεγμα Μ (ΟΗ₂)₆²⁺, το μέταλλο Μ²⁺ Περιβάλλεται από έξι μόρια νερού και μπορεί να θεωρηθεί ως ενυδατωμένο κατιόν. Πολλά από αυτά τα συμπλέγματα εκδηλώνουν έντονους χρωματισμούς, όπως εκείνοι που παρατηρούνται για το χαλκό και το κοβάλτιο.

Ονοματολογία

Πώς ονομάζονται οξείδια μετάλλων; Υπάρχουν τρεις τρόποι να το κάνουμε: το παραδοσιακό, το συστηματικό και το απόθεμα.

Παραδοσιακή ονοματολογία

Για την ταυτοποίηση σωστά το οξείδιο μετάλλου σύμφωνα με τους κανόνες που ορίζονται από IUPAC, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τις πιθανές σθένη του μεταλλικού Μ Α πιο (πιο θετικό) έχει εκχωρηθεί στο όνομα του μετάλλου -Ic επίθημα, ενώ η δευτερεύον, το πρόθεμα -oso.

Παράδειγμα: δεδομένου του σθένους +2 και +4 του μετάλλου Μ, τα αντίστοιχα οξείδια είναι ΜΟ και ΜΟ₂. Εάν το Μ ήταν ο μόλυβδος, το Pb, τότε το PbO θα ήταν οξείδιοαρκούδα, και PbO₂ το δαμάσκηνο οξείδιοico. Εάν το μέταλλο έχει μόνο ένα σθένος, ονομάζεται το οξείδιο του με το επίθημα -ico. Έτσι, Na₂Ή είναι το οξείδιο του νατρίου.

Από την άλλη πλευρά, τα υποθετικά και τα προθέματα προστίθενται όταν υπάρχουν τρία ή τέσσερα σθένη για το μέταλλο. Με αυτόν τον τρόπο, το Mn₂Ο₇ είναι το οξείδιο ανάμαγγάνιοico, επειδή το Mn έχει σθένος +7, το υψηλότερο από όλα.

Ωστόσο, αυτός ο τύπος ονοματολογίας παρουσιάζει ορισμένες δυσκολίες και είναι συνήθως ο λιγότερο χρησιμοποιούμενος.

Συστηματική ονοματολογία

Θεωρεί τον αριθμό των ατόμων Μ και οξυγόνου που αποτελούν τον χημικό τύπο του οξειδίου. Από αυτά, αποδίδονται τα αντίστοιχα προθέματα μονο-, δι-, τρι-, τετρα-, κ.λπ..

Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τα τρία πρόσφατα μεταλλικά οξείδια, το PbO είναι μονοξείδιο του μολύβδου. το PbO₂ διοξείδιο μολύβδου · και το Na₂Ή το μονοξείδιο του νατρίου. Για την περίπτωση σκουριάς, Fe₂Ο₃, το αντίστοιχο όνομά του είναι το τριοξείδιο του dihierro.

Ονοματολογία αποθεμάτων

Σε αντίθεση με τις άλλες δύο ονοματολογίες, σε αυτό το σθένος του μετάλλου έχει μεγαλύτερη σημασία. Το σθένος καθορίζεται από τους ρωμαϊκούς αριθμούς σε παρενθέσεις: (I), (II), (III), (IV), κ.λπ. Το μεταλλικό οξείδιο στη συνέχεια ονομάζεται ως οξείδιο μετάλλου (η).

Εφαρμόζοντας την ονοματολογία αποθεμάτων για τα προηγούμενα παραδείγματα έχουμε:

-PbO: οξείδιο του μολύβδου (II).

-PbO₂: οξείδιο μολύβδου (IV).

-Na₂Ο: οξείδιο νατρίου. Δεδομένου ότι έχει ένα μοναδικό σθένος +1, δεν διευκρινίζεται.

-Πίστη₂Ο₃: οξείδιο σιδήρου (III).

-Μη₂Ο₇: οξείδιο μαγγανίου (VII).

Υπολογισμός του αριθμού του σθένος

Αλλά αν δεν έχετε περιοδικό πίνακα με σθένη, πώς μπορείτε να τα προσδιορίσετε; Γι 'αυτό πρέπει να θυμηθούμε ότι το ανιόν O^2- συμβάλλει δύο αρνητικές φορτίσεις στο μεταλλικό οξείδιο. Σύμφωνα με την αρχή της ουδετερότητας, αυτές οι αρνητικές επιβαρύνσεις πρέπει να εξουδετερωθούν με τις θετικές από το μέταλλο.

Ως εκ τούτου, εάν είναι γνωστή από τον αριθμό χημικό τύπο του οξυγόνου μπορεί να προσδιορισθεί αλγεβρικά το σθένος του μετάλλου προς το άθροισμα των τελών μηδέν.

Το Μη₂Ο₇ έχει επτά οξυγόνα, τότε τα αρνητικά φορτία της είναι ίσα με 7x (-2) = -14. Για να εξουδετερωθεί το αρνητικό φορτίο -14, το μαγγάνιο πρέπει να παρέχει +14 (14-14 = 0). Η τοποθέτηση της μαθηματικής εξίσωσης είναι τότε:

2Χ - 14 = 0

Το 2 προέρχεται από το γεγονός ότι υπάρχουν δύο άτομα μαγγανίου. Επίλυση και εκκαθάριση του Χ, το σθένος του μετάλλου:

Χ = 14/2 = 7

Αυτό σημαίνει ότι κάθε Mn έχει σθένος +7.

Πώς σχηματίζονται?

Η υγρασία και το ρΗ επηρεάζουν άμεσα την οξείδωση των μετάλλων στα αντίστοιχα οξείδια τους. Η παρουσία CO₂, οξείδιο οξύ μπορεί να διαλυθεί επαρκώς στο νερό που καλύπτει το μεταλλικό τμήμα να επιταχύνει την ανάμειξη οξυγόνου σε ανιονική μορφή στο κρυσταλλική δομή του μετάλλου.

Αυτή η αντίδραση μπορεί επίσης να επιταχυνθεί με αύξηση της θερμοκρασίας, ειδικά όταν είναι επιθυμητό να ληφθεί το οξείδιο σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Άμεση αντίδραση του μετάλλου με οξυγόνο

Τα μεταλλικά οξείδια σχηματίζονται ως προϊόν της αντίδρασης μεταξύ του μετάλλου και του περιβάλλοντος οξυγόνου. Αυτό μπορεί να αναπαρασταθεί με τη χημική εξίσωση παρακάτω:

2Μ (+) + Ο₂(g) => 2ΜΟ (ες)

Αυτή η αντίδραση είναι αργή, αφού το οξυγόνο έχει ισχυρό διπλό Ο = Ο δεσμό και η ηλεκτρονική μεταφορά μεταξύ αυτού και του μετάλλου είναι αναποτελεσματική.

Ωστόσο, αυτό επιταχύνεται πολύ με αυξημένη θερμοκρασία και περιοχή επιφάνειας. Αυτό συμβαίνει επειδή η ενέργεια που απαιτείται για να σπάσει το διπλό δεσμό Ο = O παρέχεται, και που έχει μεγαλύτερη περιοχή, οξυγόνο ομοιόμορφα κινείται γύρω από το μέταλλο, ενώ συγκρούονται με άτομα μετάλλου.

Όσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα του αντιδραστηρίου οξυγόνου, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός σθένους ή οξειδώσεως που προκύπτει για το μέταλλο. Γιατί; Επειδή το οξυγόνο συλλέγει όλο και περισσότερα ηλεκτρόνια από το μέταλλο, μέχρι να φτάσει στον υψηλότερο αριθμό οξείδωσης.

Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί για τον χαλκό, για παράδειγμα. Όταν ένα κομμάτι μεταλλικού χαλκού αντιδρά με μια περιορισμένη ποσότητα οξυγόνου, το Cu σχηματίζεται₂Ο (οξείδιο του χαλκού (Ι), οξείδιο του χαλκού ή μονοξείδιο του dicobre):

4Cu (s) + Ο₂(g) + Q (θερμότητα) => 2Cu₂Ο (ες) (κόκκινο στερεό)

Αλλά όταν αντιδρά σε ισοδύναμες ποσότητες, ΟυΟ (οξείδιο του χαλκού (II), οξείδιο του χαλκού ή μονοξείδιο του χαλκού) λαμβάνεται:

2Cu (s) + Ο₂(g) + Q (θερμότητα) => 2CuO (s) (στερεό μαύρο)

Αντίδραση μεταλλικών αλάτων με οξυγόνο

Τα οξείδια μετάλλων μπορούν να σχηματιστούν με θερμική αποσύνθεση. Για να είναι δυνατή, ένα ή δύο μικρά μόρια πρέπει να απελευθερώνονται από την αρχική ένωση (ένα άλας ή ένα υδροξείδιο):

Μ (ΟΗ)₂ + Q => ΜΟ + Η₂Ο

MCO₃ + Q => ΜΟ + ΟΟ₂

2Μ (ΟΧΙ₃)₂ + Q => ΜΟ + 4ΝΟ₂ + Ο₂

Σημειώστε ότι H₂O, CO₂, Όχι₂ και Ο₂ είναι τα μόρια που απελευθερώνονται.

Χρησιμοποιεί

Λόγω της πλούσιας μέταλλο σύνθεση του φλοιού της γης, και ατμοσφαιρικό οξυγόνο, τα μεταλλικά οξείδια που βρίσκονται σε πολλά ορυκτολογική πηγές, η οποία μπορεί να ληφθεί μια σταθερή βάση για την κατασκευή των νέων υλικών.

Κάθε οξείδιο μετάλλου είναι πολύ ειδικές χρήσεις, από διατροφική (ΖηΟ και MgO) ως πρόσθετα στο τσιμέντο (CaO), ή απλώς ως ανόργανα πιγμέντα (Cr₂Ο₃).

Ορισμένα οξείδια είναι τόσο πυκνά ώστε η ελεγχόμενη ανάπτυξη των στρώσεων του μπορεί να προστατεύσει ένα κράμα ή μέταλλο της περαιτέρω οξείδωσης. Ακόμη και οι μελέτες έχουν δείξει ότι η οξείδωση του προϊόντος προστατευτικού στρώματος σαν ένα υγρό που καλύπτει όλες τις επιφανειακές ατέλειες ή ρωγμές μετάλλου.

Τα οξείδια μετάλλων μπορούν να υιοθετήσουν συναρπαστικές δομές, είτε ως νανοσωματίδια είτε ως μεγάλα πολυμερή συσσωματώματα.

Το γεγονός αυτό καθιστά το θέμα των μελετών για τη σύνθεση των έξυπνων υλικών, λόγω της μεγάλης τους επιφάνειας, η οποία χρησιμοποιείται για να σχεδιάσει συσκευές που ανταποκρίνονται σε χαμηλότερες φυσικό ερέθισμα.

Επίσης, τα μεταλλικά οξείδια είναι η πρώτη ύλη για πολλές τεχνολογικές εφαρμογές, από καθρέφτες και κεραμικά με μοναδικές ιδιότητες για ηλεκτρονικό εξοπλισμό, με ηλιακούς συλλέκτες.

Παραδείγματα

Οξείδια του σιδήρου

2Fe (s) + Ο₂(g) => 2FeO (s) οξείδιο σιδήρου (II).

6FeO (s) + Ο₂(g) => 2Fe₃Ο₄(α) Μαγνητικό οξείδιο του σιδήρου.

Η Πίστη₃Ο₄, επίσης γνωστή ως μαγνητίτη, είναι ένα μικτό οξείδιο. Αυτό σημαίνει ότι αποτελείται από ένα στερεό μείγμα FeO και Fe₂Ο₃.

4Fe₃Ο₄(ες) + Ο₂(g) => 6Fe₂Ο₃(α) οξείδιο σιδήρου (III).

Αλκαλικά και οξείδια αλκαλικών γαιών

Τόσο τα αλκαλικά όσο και τα αλκαλικά μέταλλα έχουν έναν μοναδικό αριθμό οξείδωσης, επομένως τα οξείδια είναι πιο «απλά»:

-Na₂Ο: οξείδιο νατρίου.

-Λι₂Ο: οξείδιο του λιθίου.

-Κ₂Ο: οξείδιο καλίου.

-CaO: οξείδιο ασβεστίου.

-MgO: οξείδιο του μαγνησίου.

-BeO: οξείδιο του βηρυλλίου (το οποίο είναι ένα αμφοτερικό οξείδιο)

Οξείδια ομάδας ΙΙΙΑ (13)

Τα στοιχεία της ομάδας ΙΙΙΑ (13) μπορούν να σχηματίσουν οξείδια μόνο με έναν αριθμό οξείδωσης +3. Έτσι, έχουν χημικό τύπο Μ₂Ο₃ και τα οξείδια του είναι τα ακόλουθα:

-Αλ₂Ο₃: οξείδιο αργιλίου.

-Ga₂Ο₃: οξείδιο του γαλλίου.

-Στο₂Ο₃: οξείδιο του ινδίου.

Και τελικά

-ΤΙ₂Ο₃: οξείδιο του θαλλίου.

Αναφορές

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Χημεία (8η έκδοση). CENGAGE Learning, σελ. 237.
2. AlonsoFormula. Οξείδια μετάλλων. Από: alonsoformula.com
3. Regents του Πανεπιστημίου της Μινεσότα (2018). Χαρακτηριστικά οξεικού οξέος των μεταλλικών και μη μεταλλικών οξειδίων. Από: chem.umn.edu
4. David L. Chandler. (3 Απριλίου 2018). Αυτοθεραπευτικά οξείδια μετάλλων θα μπορούσαν να προστατεύσουν από τη διάβρωση. Από: news.mit.edu
5. Οι φυσικές καταστάσεις και δομές των οξειδίων. Από: wou.edu
6. Quimitube (2012). Η οξείδωση του σιδήρου. Λαμβάνεται από: quimitube.com
7. Χημεία LibreTexts. Οξείδια Από: chem.libretexts.org
8. Kumar Μ. (2016) Μεταλλοξείδιο των νανοδομών: Ανάπτυξη και Εφαρμογές. Στο: Husain Μ., Khan Z. (eds) Advances in Nanomaterials. Προηγμένα δομημένα υλικά, τόμος 79. Springer, New Delhi