Властивості оксидів металів, номенклатура, застосування та приклади



The оксиди металів вони є неорганічними сполуками, утвореними металевими катіонами і киснем. Як правило, вони містять велику кількість іонних твердих речовин, в яких оксидний аніон (O2-) електростатично взаємодіє з М-видами+.

М+ це будь-який катіон, що походить від чистого металу: від лужних і перехідних металів, за винятком деяких благородних металів (таких як золото, платина і паладій), до більш важких елементів блоку p періодичної таблиці ( як свинець і вісмут).

Верхнє зображення показує поверхню заліза, покриту червонуватою кіркою. Ці "кірки" - це те, що називають іржею або іржею, що в свою чергу є візуальним тестом окислення металу внаслідок умов навколишнього середовища. Хімічно, іржа є гідратованою сумішшю оксидів заліза (III).

Чому окислення металу призводить до деградації його поверхні? Це пов'язано з включенням кисню в кристалічну структуру металу.

Коли це відбувається, об'єм металу збільшується, а початкові взаємодії послаблюються, в результаті чого тверда речовина розривається. Крім того, ці тріщини дозволяють більше молекул кисню проникати у внутрішні металеві шари, роз'їдаючи всю частину зсередини..

Однак цей процес відбувається з різною швидкістю і залежить від природи металу (його реактивності) і фізичних умов, які його оточують. Тому існують фактори, які прискорюють або уповільнюють окислення металу; двома з них є наявність вологи і рН.

Чому? Оскільки окислення металу для одержання оксиду металу має на увазі перенесення електронів. Ці "подорожі" від одного хімічного виду до іншого, поки середовище полегшує його, або присутністю іонів (H+, Na+, Mg2+, Cl-, і т.д.), які змінюють рН, або молекулами води, які забезпечують транспортний засіб.

Аналітично, тенденція металу до утворення відповідного оксиду відображається в його редукційних потенціалах, які показують, який метал реагує швидше в порівнянні з іншим..

Золото, наприклад, має набагато більший потенціал скорочення, ніж залізо, тому він світить своїм характерним золотим сяйвом без оксиду, який його розмиває..

Індекс

  • 1 Властивості неметалевих оксидів
    • 1.1 Основність
    • 1.2 Амфотерізм
  • 2 Номенклатура
    • 2.1 Традиційна номенклатура
    • 2.2 Систематична номенклатура
    • 2.3 Номенклатура запасів
    • 2.4 Розрахунок кількості валентності
  • 3 Як вони формуються?
    • 3.1 Пряма реакція металу з киснем
    • 3.2 Реакція солей металів з киснем
  • 4 Використання
  • 5 Приклади
    • 5.1 Оксиди заліза
    • 5.2 Лужні і лужноземельні оксиди
    • 5.3 Оксиди групи IIIA (13)
  • 6 Посилання

Властивості неметалевих оксидів

Властивості оксидів металів змінюються залежно від металу і способу його взаємодії з аніоном O2-. Це означає, що деякі оксиди мають більш високу щільність або розчинність у воді, ніж інші. Проте всі мають спільний металевий характер, що неминуче відображається в його основності.

Іншими словами: вони також відомі як основні ангідриди або основні оксиди.

Основність

Основність оксидів металів можна перевірити експериментально шляхом використання кислотно-основного індикатора. Як? Додавання невеликого шматочка оксиду до водного розчину з деяким розчиненим індикатором; це може бути зріджений сік пурпурової капусти.

Отримавши тоді діапазон кольорів залежно від рН, оксид перетворить сік на блакитні кольори, що відповідає базовому рН (з значеннями від 8 до 10). Це пояснюється тим, що розчинена частина оксиду вивільняє іони OH- для навколишнього середовища, будучи такими в експерименті, відповідальним за зміну рН.

Таким чином, для оксиду MO, солюбилизированного у воді, він перетворюється в гідроксид металу ("гідратований оксид") згідно з наступними хімічними рівняннями:

MO + H2O => M (OH)2

M (OH)2 <=> М2+ + 2OH-

Друге рівняння являє собою розчинність балансу гідроксиду M (OH) \ t2. Зазначимо, що метал має заряд 2+, що також означає, що його валентність становить +2. Валентність металу безпосередньо пов'язана з його тенденцією до отримання електронів.

Таким чином, чим більше позитивна валентність, тим більше її кислотність. У випадку, коли М мав валентність +7, то М оксид2O7 воно було б кислим і не основним.

Anfoterismo

Оксиди металів є основними, проте не всі мають однаковий металевий характер. Як дізнатися? Розташування металу М в періодичній таблиці. Чим більше він ліворуч від нього, а в більш низьких періодах, тим більше буде металевого, а отже, чим більш основним буде його оксид.

На кордоні між основними і кислотними оксидами (неметалевими оксидами) є амфотерні оксиди. Тут слово «амфотерний» означає, що оксид діє як основа, так і кислота, яка є такою ж, як у водному розчині, вона може утворювати гідроксид або водний комплекс М (OH).2)62+.

Водний комплекс є не більш ніж координацією n Молекули води з металевим центром М. Для M-комплексу (OH2)62+, метал М2+ Він оточений шістьма молекулами води і може розглядатися як гідратний катіон. Багато з цих комплексів виявляють інтенсивні забарвлення, такі як ті, що спостерігаються для міді і кобальту.

Номенклатура

Як називаються оксиди металів? Є три способи зробити це: традиційний, систематичний і запас.

Традиційна номенклатура

Щоб правильно назвати оксид металу за правилами, що регулюються IUPAC, необхідно знати можливі валентності металу М. Найбільший (найбільш позитивний) присвоюється назві металу суфікс -ico, в той час як мінор, префікс -oso.

Приклад: з урахуванням валентності +2 і +4 металу М, його відповідними оксидами є МО і МО2. Якщо б M були свинцем, Pb, то PbO був би оксидним схиломведмідь, і PbO2 оксидна сливаico. Якщо метал має тільки одну валентність, його називають оксидом з суфіксом -іco. Отже, Na2Або це оксид натрію.

З іншого боку, гіпо- і пер-префікси додаються, коли для металу є три або чотири валентності. Таким чином, Mn2O7 це оксид perманганico, оскільки Mn має валентність +7, найвища з усіх.

Однак цей тип номенклатури створює певні труднощі і, як правило, найменш використовується.

Систематична номенклатура

Розглянуто кількість атомів М і кисню, що складають хімічну формулу оксиду. З них їм присвоюються відповідні префікси моно-, ді-, три-, тетра- та ін..

В якості прикладу взяли три останні оксиди металів, PbO - монооксид свинцю; PbO2 діоксид свинцю; і Na2Або монооксид динатрію. Для випадку іржі, Fe2O3, відповідною назвою є триоксид дихіеро.

Фондова номенклатура

На відміну від двох інших номенклатур, валентність металу має велике значення. Валентність визначається римськими цифрами в дужках: (I), (II), (III), (IV) і т.д. Оксид металу потім називають оксидом металу (n).

Застосовуючи номенклатуру акцій для попередніх прикладів, ми маємо:

-PbO: оксид свинцю (II).

-PbO2: оксид свинцю (IV).

-Na2O: оксид натрію. Оскільки вона має унікальну валентність +1, вона не вказана.

-Віра2O3: оксид заліза (III).

-Mn2O7: оксид марганцю (VII).

Розрахунок кількості валентності

Але, якщо у вас немає періодичної таблиці з валентністю, як їх можна визначити? Для цього треба пам'ятати, що аніон O2- він сприяє двома негативними зарядами до оксиду металів. Дотримуючись принципу нейтральності, ці негативні заряди повинні бути нейтралізовані позитивними металами.

Тому, якщо число оксигенів відомо за хімічною формулою, валентність металу може бути визначена алгебраїчно, так що сума зарядів дає нуль..

Mn2O7 має сім оксигенів, тоді його негативні заряди дорівнюють 7x (-2) = -14. Для нейтралізації негативного заряду -14 марганець повинен забезпечувати +14 (14-14 = 0). Введення математичного рівняння тоді:

2X - 14 = 0

2 виходить з того, що існують два атоми марганцю. Розв'язування і очищення X, валентність металу:

X = 14/2 = 7

Тобто кожен Mn має валентність +7.

Як вони формуються?

Вологість і рН безпосередньо впливають на окислення металів у відповідних оксидах. Присутність CO2, Оксид кислоти може бути достатньо розчинений у воді, що охоплює металеву частину для прискорення включення кисню в аніонну форму до кристалічної структури металу..

Цю реакцію можна також прискорити з підвищенням температури, особливо коли бажано отримати оксид за короткий час.

Пряма реакція металу з киснем

Оксиди металів утворюються як продукт реакції між металом і навколишнім киснем. Це може бути представлено нижче хімічним рівнянням:

2M (s) + O2(g) => 2MO (s)

Ця реакція є повільною, оскільки кисень має сильну подвійну O = O зв'язок і електронний перехід між ним і металом є неефективним.

Проте він значно прискорюється зі збільшенням температури і площі поверхні. Це пов'язано з тим, що енергія, необхідна для розриву подвійного зв'язку O = O, забезпечується, і оскільки є більша площа, кисень рухається рівномірно по всьому металу, зіштовхуючись одночасно з атомами металу..

Чим більше кількість кисневого реагенту, тим більше значення валентності або окислення призводить до появи металу. Чому? Тому що кисень вихоплює все більше і більше електронів з металу, поки він не досягне найвищого числа окислення.

Це можна побачити для міді, наприклад. Коли шматок металевої міді реагує з обмеженою кількістю кисню, утворюється Cu2O (оксид міді (I), оксид міді або монооксид dicobre):

4Cu (s) + O2(g) + Q (тепло) => 2Cu2O (s) (червоне тверде тіло)

Але коли він реагує в еквівалентних кількостях, одержується CuO (оксид міді (II), оксид міді або монооксид міді):

2Cu (s) + O2(g) + Q (тепло) => 2CuO (s) (чорний колір)

Реакція солей металів з киснем

Оксиди металів можуть утворюватися за допомогою термічного розкладання. Щоб бути можливим, одна або дві невеликі молекули повинні бути вивільнені з вихідної сполуки (солі або гідроксиду):

M (OH)2 + Q => MO + H2O

MCO3 + Q => MO + CO2

2M (NO3)2 + Q => MO + 4NO2 + O2

Зверніть увагу, що H2O, CO2, NO2 і O2 є молекули, що вивільняються.

Використання

Через багатий склад металів у земній корі, кисень в атмосфері, оксиди металів знаходяться у багатьох мінералогічних джерелах, з яких можна отримати тверду основу для виробництва нових матеріалів..

Кожен оксид металу знаходить дуже специфічне застосування, від харчових (ZnO і MgO) до цементних добавок (CaO), або просто як неорганічні пігменти (Cr).2O3).

Деякі оксиди настільки щільні, що контрольоване зростання їх шарів може захистити сплав або метал від подальшого окислення. Навіть дослідження показали, що окислення захисного шару протікає так, ніби це рідина, яка покриває всі тріщини або поверхневі дефекти металу.

Оксиди металів можуть приймати захоплюючі структури, або як наночастинки, або як великі полімерні агрегати.

Цей факт робить їх предметом досліджень для синтезу інтелектуальних матеріалів, завдяки своїй великій площі поверхні, яка використовується для розробки пристроїв, що реагують на найменший фізичний стимул..

Крім того, металеві оксиди є сировиною багатьох технологічних застосувань, від дзеркал і кераміки з унікальними властивостями для електронного обладнання, до сонячних панелей..

Приклади

Оксиди заліза

2Fe (s) + O2(g) => 2FeO (s) оксид заліза (II).

6FeO (s) + O2(g) => 2Fe3O4(s) Магнітний оксид заліза.

Віра3O4, також відомий як магнетит, він являє собою змішаний оксид; Це означає, що вона складається з твердої суміші FeO і Fe2O3.

4Fe3O4(s) + O2(g) => 6Fe2O3(s) оксид заліза (III).

Лужні і лужноземельні оксиди

Як лужні, так і лужноземельні метали мають одне число окислення, тому їх оксиди більш "прості":

-Na2O: оксид натрію.

-Лі2O: оксид літію.

-K2O: оксид калію.

-СаО: оксид кальцію.

-MgO: оксид магнію.

-BeO: оксид берилію (який є амфотерним оксидом)

Оксиди IIIA групи (13)

Елементи групи IIIA (13) можуть утворювати оксиди тільки з кількістю окислення +3. Таким чином, вони мають хімічну формулу М2O3 та її оксиди такі:

-Al2O3: оксид алюмінію.

-Ga2O3: оксид галію.

-В2O3: оксид індію.

І нарешті

-Tl2O3: оксид талію.

Список літератури

  1. Уіттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія (8-е изд.). CENGAGE Learning, стор 237.
  2. AlonsoFormula. Оксиди металів. Взяті з: alonsoformula.com
  3. Регенти університету Міннесоти (2018). Кислотно-основні характеристики металевих і неметалевих оксидів. Взяті з: chem.umn.edu
  4. Девід Л. Чандлер. (3 квітня 2018). Самозаймаються оксиди металів можуть захищати від корозії. Взяті з: news.mit.edu
  5. Фізичні стани та структури оксидів. Взяті з: wou.edu
  6. Quimitube (2012). Окислення заліза. Взяті з: quimitube.com
  7. Хімія LibreTexts. Оксиди Взяті з: chem.libretexts.org
  8. Кумар М. (2016) Металооксидні наноструктури: зростання та застосування. У: Хусейн М., Хан З. (ред.) Досягнення наноматеріалів. Розширені структуровані матеріали, том 79. Спрингер, Нью-Делі