Свойства, номенклатура, применение и примеры оксидов металлов

оксиды металлов это неорганические соединения, образованные металлическими катионами и кислородом. Они обычно содержат огромное количество ионных твердых веществ, в которых оксид аниона (O^2-) электростатически взаимодействует с видами М⁺.

M⁺ это любой катион, полученный из чистого металла: от щелочных и переходных металлов, за исключением некоторых благородных металлов (таких как золото, платина и палладий), до более тяжелых элементов блока p периодической таблицы ( как свинец и висмут).

Верхнее изображение показывает железную поверхность, покрытую красноватыми корками. Эти «корочки» - это то, что известно как ржавчина или ржавчина, которые, в свою очередь, представляют собой визуальный тест на окисление металла в зависимости от условий его окружающей среды. Химически ржавчина представляет собой гидратированную смесь оксидов железа (III).

Почему окисление металла приводит к деградации его поверхности? Это связано с включением кислорода в кристаллическую структуру металла.

Когда это происходит, объем металла увеличивается, а исходные взаимодействия ослабевают, что приводит к разрушению твердого тела. Кроме того, эти трещины позволяют большему количеству молекул кислорода проникать во внутренние металлические слои, поглощая весь кусок изнутри..

Однако этот процесс происходит на разных скоростях и зависит от природы металла (его реакционной способности) и физических условий, которые его окружают. Следовательно, существуют факторы, которые ускоряют или замедляют окисление металла; два из них - наличие влаги и pH.

Почему? Поскольку окисление металла с образованием оксида металла подразумевает перенос электрона. Они "путешествуют" от одного химического вида к другому, пока среда способствует этому, либо присутствием ионов (H⁺, не доступно⁺, мг²⁺, Cl^-, и т. д.), которые изменяют рН, или молекулами воды, которые обеспечивают транспортные средства.

Аналитически тенденция металла образовывать соответствующий оксид отражается в его восстановительных потенциалах, которые показывают, какой металл реагирует быстрее по сравнению с другим.

Золото, например, имеет гораздо больший восстановительный потенциал, чем железо, поэтому оно сияет своим характерным золотым свечением без оксида, который его размывает..

индекс

• 1 Свойства неметаллических оксидов
  • 1.1 Основность
  • 1.2 Амфотеризм
• 2 Номенклатура
  • 2.1 Традиционная номенклатура
  • 2.2 Систематическая номенклатура
  • 2.3 Товарная номенклатура
  • 2.4 Расчет числа валентностей
• 3 Как они образовались?
  • 3.1 Прямая реакция металла с кислородом
  • 3.2 Реакция солей металлов с кислородом
• 4 использования
• 5 примеров
  • 5.1 Оксиды железа
  • 5.2 Щелочные и щелочноземельные оксиды
  • 5.3 Группа IIIA оксидов (13)
• 6 Ссылки

Свойства неметаллических оксидов

Свойства оксидов металлов варьируются в зависимости от металла и того, как он взаимодействует с анионом О^2-. Это влечет за собой то, что некоторые оксиды имеют более высокую плотность или растворимость в воде, чем другие. Однако все они имеют общий металлический характер, что неизбежно отражается на его основности..

Другими словами: они также известны как основные ангидриды или основные оксиды.

основность

Основность оксидов металлов может быть проверена экспериментально с использованием кислотно-основного индикатора. Как? Добавление небольшого куска оксида в водный раствор с небольшим количеством растворенного индикатора; это может быть сжиженный сок фиолетовой капусты.

Имея диапазон цветов в зависимости от pH, оксид превратит сок в голубоватый цвет, соответствующий базовому pH (со значениями от 8 до 10). Это потому, что растворенная часть оксида высвобождает ионы ОН^- к окружающей среде, будучи в эксперименте ответственными за изменение pH.

Таким образом, для оксида МО, который растворяется в воде, он превращается в гидроксид металла («гидратированный оксид») в соответствии со следующими химическими уравнениями:

МО + Н₂O => M (OH)₂

М (ОН)₂ <=> M²⁺ + 2OH^-

Второе уравнение представляет собой баланс растворимости гидроксида М (ОН)₂. Обратите внимание, что металл имеет заряд 2+, что также означает, что его валентность равна +2. Валентность металла напрямую связана с его тенденцией к получению электронов.

Таким образом, чем позитивнее валентность, тем выше ее кислотность. В случае, когда М имел валентность +7, тогда оксид М₂О₇ это было бы кислым и не основным.

амфотерность

Оксиды металлов являются основными, однако не все имеют одинаковый металлический характер. Как узнать? Расположение металла М в периодической таблице. Чем больше он находится слева от него и в более низкие периоды, тем более металлическим он будет и, следовательно, более основным будет его оксид.

На границе между основными и кислотными оксидами (неметаллическими оксидами) находятся амфотерные оксиды. Здесь слово «амфотерный» означает, что оксид действует и как основание, и как кислота, что так же, как в водном растворе, он может образовывать гидроксид или водный комплекс М (ОН₂)₆²⁺.

Водный комплекс - не более чем координация N молекулы воды с металлическим центром М. Для комплекса М (ОН₂)₆²⁺, металл М²⁺ Он окружен шестью молекулами воды и может рассматриваться как гидратированный катион. Многие из этих комплексов проявляют интенсивную окраску, такую ​​как наблюдаемая для меди и кобальта.

номенклатура

Как называются оксиды металлов? Есть три способа сделать это: традиционный, систематический и фондовый.

Традиционная номенклатура

Чтобы правильно назвать оксид металла в соответствии с правилами, регулируемыми IUPAC, необходимо знать возможные валентности металла М. Самому большому (наиболее положительному) присваивается название металла суффикс -ico, тогда как минор, префикс -oso.

Пример: с учетом валентностей +2 и +4 металла М его соответствующими оксидами являются МО и МО₂. Если бы М был свинцом, Pb, то PbO был бы оксидным отвесомнести, и PbO₂ оксидная сливаICO. Если металл имеет только одну валентность, он называется его оксидом с суффиксом -ico. Итак, На₂Или это оксид натрия.

С другой стороны, гипо- и префиксы добавляются, когда для металла доступно три или четыре валентности. Таким образом, Mn₂О₇ это оксид вМенгенICO, потому что Mn имеет валентность +7, самый высокий из всех.

Тем не менее, этот тип номенклатуры представляет определенные трудности и обычно используется наименее.

Систематическая номенклатура

Он учитывает количество атомов М и кислорода, составляющих химическую формулу оксида. Из них ему назначены соответствующие префиксы: моно-, ди-, три-, тетра- и т. Д..

На примере трех недавних оксидов металлов PbO является моноксидом свинца; PbO₂ диоксид свинца; и Na₂Или окись динатрия. Для случая ржавчины, Fe₂О₃, его соответствующее название является триоксидом дигеро.

Товарная номенклатура

В отличие от двух других номенклатур, в этом валентность металла имеет большее значение. Валентность указывается римскими цифрами в скобках: (I), (II), (III), (IV) и т. Д. Оксид металла тогда называют оксидом металла (n).

Применяя номенклатуру запаса для предыдущих примеров, мы имеем:

-PbO: оксид свинца (II).

-PbO₂: оксид свинца (IV).

-не доступно₂О: оксид натрия. Поскольку он имеет уникальную валентность +1, он не указан.

-вера₂О₃: оксид железа (III).

-Миннесота₂О₇: оксид марганца (VII).

Расчет числа валентностей

Но если у вас нет периодической таблицы с валентностями, как вы можете их определить? Для этого мы должны помнить, что анион O^2- он вносит два отрицательных заряда в оксид металла. Следуя принципу нейтральности, эти отрицательные заряды должны быть нейтрализованы положительными зарядами металла..

Поэтому, если число атомов кислорода известно по химической формуле, валентность металла может быть определена алгебраически, так что сумма зарядов дает ноль.

Mn₂О₇ имеет семь атомов кислорода, то его отрицательные заряды равны 7х (-2) = -14. Чтобы нейтрализовать отрицательный заряд -14, марганец должен обеспечить +14 (14-14 = 0). Положить математическое уравнение тогда:

2X - 14 = 0

2 происходит из-за того, что есть два атома марганца. Решаем и очищаем Х, валентность металла:

X = 14/2 = 7

То есть каждый Mn имеет валентность +7.

Как они образовались?

Влажность и рН напрямую влияют на окисление металлов в их соответствующих оксидах. Наличие СО₂, Оксид кислоты может быть достаточно растворен в воде, которая покрывает металлическую часть, чтобы ускорить введение кислорода в анионной форме в кристаллическую структуру металла..

Эту реакцию также можно ускорить с повышением температуры, особенно когда желательно получить оксид за короткое время..

Прямая реакция металла с кислородом

Оксиды металлов образуются как продукт реакции между металлом и окружающим кислородом. Это может быть представлено с помощью химического уравнения ниже:

2M (s) + O₂(г) => 2MO (s)

Эта реакция медленная, так как кислород имеет сильную двойную связь O = O и электронный перенос между ним и металлом неэффективен.

Тем не менее, он значительно ускоряется с увеличением температуры и площади поверхности. Это связано с тем, что энергия, необходимая для разрыва двойной связи O = O, обеспечивается, и, поскольку существует большая площадь, кислород равномерно движется по всему металлу, одновременно сталкиваясь с атомами металла..

Чем больше количество реагента кислорода, тем больше валентность или степень окисления, возникающая для металла. Почему? Поскольку кислород захватывает все больше электронов из металла, пока он не достигнет максимальной степени окисления.

Это можно увидеть, например, для меди. Когда кусок металлической меди реагирует с ограниченным количеством кислорода, образуется медь₂O (оксид меди (I), оксид меди или двуокись диоксида):

4Cu (s) + O₂(г) + Q (тепло) => 2Cu₂O (s) (красное твердое вещество)

Но когда он реагирует в эквивалентных количествах, получается CuO (оксид меди (II), оксид меди или оксид меди):

2Cu (s) + O₂(г) + Q (нагрев) => 2CuO (s) (сплошной черный цвет)

Реакция солей металлов с кислородом

Оксиды металлов могут образовываться в результате термического разложения. Чтобы это было возможно, одна или две маленькие молекулы должны быть освобождены от исходного соединения (соли или гидроксида):

М (ОН)₂ + Q => МО + Н₂О

MCO₃ + Q => MO + CO₂

2 М (НЕТ₃)₂ + Q => МО + 4НО₂ + О₂

Обратите внимание, что H₂O, CO₂, НЕТ₂ и O₂ высвобождаются ли молекулы.

приложений

Из-за богатого состава металлов в земной коре и кислорода в атмосфере оксиды металлов обнаруживаются во многих минералогических источниках, из которых можно получить твердую основу для производства новых материалов..

Каждый оксид металла находит очень специфическое применение: от пищевых (ZnO и MgO) до цементных добавок (CaO) или просто в виде неорганических пигментов (Cr).₂О₃).

Некоторые оксиды настолько плотны, что контролируемый рост их слоев может защитить сплав или металл от дальнейшего окисления. Даже исследования показали, что окисление защитного слоя происходит так, как если бы это была жидкость, покрывающая все трещины или поверхностные дефекты металла..

Оксиды металлов могут принимать захватывающие структуры в виде наночастиц или крупных полимерных агрегатов..

Этот факт делает их предметом исследований для синтеза интеллектуальных материалов из-за его большой площади поверхности, которая используется для разработки устройств, которые реагируют на наименьший физический стимул.

Аналогично, оксиды металлов являются сырьем для многих технологических применений, от зеркал и керамики с уникальными свойствами для электронного оборудования до солнечных батарей..

примеров

Оксиды железа

2Fe (s) + O₂(г) => 2FeO (s) оксид железа (II).

6FeO (s) + O₂(г) => 2Fe₃О₄(s) Магнитный оксид железа.

Вера₃О₄, также известный как магнетит, это смешанный оксид; Это означает, что он состоит из твердой смеси FeO и Fe₂О₃.

4Fe₃О₄(s) + O₂(г) => 6Fe₂О₃(s) оксид железа (III).

Щелочные и щелочноземельные оксиды

Как щелочные, так и щелочноземельные металлы имеют одну степень окисления, поэтому их оксиды являются более «простыми»:

-не доступно₂O: оксид натрия.

-Li₂O: оксид лития.

-К₂O: оксид калия.

-CaO: оксид кальция.

-MgO: оксид магния.

-BeO: оксид бериллия (амфотерный оксид)

Группа IIIA оксиды (13)

Элементы группы IIIA (13) могут образовывать оксиды только с степени окисления +3. Таким образом, они имеют химическую формулу М₂О₃ и его оксиды следующие:

-в₂О₃: оксид алюминия.

-Джорджия₂О₃: оксид галлия.

-в₂О₃: оксид индия.

И наконец

-Т.Л.₂О₃: оксид таллия.

ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр. 237.
2. AlonsoFormula. Оксиды металлов. Взято из: alonsoformula.com
3. Регенты Университета Миннесоты. (2018). Кислотно-основные характеристики оксидов металлов и неметаллов. Взято из: chem.umn.edu
4. Дэвид Л. Чендлер. (3 апреля 2018 г.) Самовосстанавливающиеся оксиды металлов могут защитить от коррозии. Взято из: news.mit.edu
5. Физические состояния и структуры оксидов. Взято из: wou.edu
6. Quimitube. (2012). Окисление железа. Взято из: quimitube.com
7. Химия LibreTexts. Оксиды. Взято с сайта chem.libretexts.org
8. Кумар М. (2016) Наноструктуры оксидов металлов: рост и применение. В кн .: Хусаин М., Хан З. (ред.) Достижения в области наноматериалов. Advanced Structured Materials, том 79. Springer, Нью-Дели