Свойства на металните оксиди, номенклатура, приложения и примери

на метални оксиди те са неорганични съединения, образувани от метални катиони и кислород. Обикновено те съдържат голям брой йонни твърди вещества, в които окисният анион (О^2-) взаимодейства електростатично с М видове⁺.

М⁺ това е всеки катион, който произлиза от чист метал: от алкални и преходни метали, с изключение на някои благородни метали (като злато, платина и паладий), до по-тежките елементи на блок p от периодичната таблица ( като олово и бисмут).

Горното изображение показва желязна повърхност, покрита с червеникави корички. Тези "корички" са това, което е известно като ръжда или ръжда, което от своя страна представлява визуален тест за окислението на метала, дължащо се на условията на околната среда. Химически, ръждата е хидратирана смес от железни оксиди (III).

Защо окисляването на метала води до деградация на повърхността му? Това се дължи на включването на кислород в кристалната структура на метала.

Когато това се случи, обемът на метала се увеличава и първоначалните взаимодействия отслабват, причинявайки разрушаване на твърдото вещество. Също така, тези пукнатини позволяват повече молекули кислород да проникнат вътрешните метални слоеве, като изяждат цялата част от вътрешността..

Този процес обаче се извършва при различни скорости и зависи от естеството на метала (неговата реактивност) и физическите условия, които го заобикалят. Следователно, съществуват фактори, които ускоряват или забавят окислението на метала; две от тях са присъствието на влага и рН.

Защо? Защото окисляването на метала за получаване на метален оксид предполага електронен трансфер. Те "пътуват" от един химически вид към друг, докато средата го улеснява, или чрез присъствието на йони (Н⁺, Na⁺, мг²⁺, Cl^-, и т.н.), които променят рН, или от водни молекули, които осигуряват транспортното средство.

Аналитично, тенденцията на метал да образува съответния оксид се отразява в неговите редукционни потенциали, които разкриват кой метал реагира по-бързо в сравнение с друг.

Златото например има много по-голям потенциал за редукция от желязото, поради което то блести с характерния си златен блясък без оксид, който го размазва..

индекс

• 1 Свойства на неметални оксиди
  • 1.1 Основни
  • 1.2 Амфотеризъм
• 2 Номенклатура
  • 2.1 Традиционна номенклатура
  • 2.2 Систематична номенклатура
  • 2.3 Номенклатура на запасите
  • 2.4 Изчисляване на броя на валентността
• 3 Как се формират?
  • 3.1 Пряка реакция на метала с кислорода
  • 3.2 Реакция на метални соли с кислород
• 4 Използване
• 5 Примери
  • 5.1 Железни оксиди
  • 5.2 Алкални и алкалоземни оксиди
  • 5.3 Оксиди от група IIIA (13)
• 6 Препратки

Свойства на неметални оксиди

Свойствата на металните оксиди варират в зависимост от метала и как той взаимодейства с аниона О^2-. Това означава, че някои оксиди имат по-висока плътност или разтворимост във вода, отколкото други. Въпреки това, всички имат общ метален характер, който неизбежно се отразява в неговата основност.

С други думи: те са известни също като основни анхидриди или основни оксиди.

валентност

Основността на металните оксиди може да бъде проверена експериментално чрез използването на киселинно-основен индикатор. Как? Добавяне на малко парче оксид към воден разтвор с известен разтворен индикатор; това може да бъде втечненият сок от лилаво зеле.

След като обхватът от цветове зависи от рН, оксидът ще превърне сока в синкави цветове, съответстващи на основното рН (със стойности между 8 и 10). Това е така, защото разтворената част на оксида освобождава ОН йони^- в околната среда, като те са в експеримента, отговорен за промяната на рН.

Така, за MO оксид, който е разтворен във вода, той се трансформира в метален хидроксид ("хидратиран оксид") съгласно следните химически уравнения:

MO + H₂O => M (OH)₂

M (OH)₂ <=> М²⁺ + 2ОН^-

Второто уравнение е балансът на разтворимостта на хидроксид М (ОН)₂. Забележете, че металът има заряд 2+, което също означава, че неговата валентност е +2. Валентността на метала е пряко свързана с неговата склонност към получаване на електрони.

По този начин, колкото по-положителна е валентността, толкова по-голяма е нейната киселинност. В случай, че М има валентност от +7, тогава М оксид₂О₇ тя би била кисела, а не основна.

амфотерност

Металните оксиди са основни, но не всички имат един и същ метален характер. Как да знам? Намиране на метала М в периодичната таблица. Колкото повече е вляво от него и в по-ниските периоди, толкова по-метален ще бъде и затова колкото по-основен ще бъде неговият оксид.

На границата между основните и киселинни оксиди (неметалните оксиди) са амфотерните оксиди. Тук думата "амфотерни" означава, че оксидът действа както като основа, така и като киселина, която е същата като във воден разтвор, тя може да образува хидроксид или воден комплекс М (ОН).₂)₆²⁺.

Водният комплекс е нищо повече от координация на п водни молекули с метален център М. За М комплекс (ОН₂)₆²⁺, метал М²⁺ Той е заобиколен от шест водни молекули и може да се разглежда като хидратиран катион. Много от тези комплекси проявяват интензивни оцветявания, като тези, наблюдавани за мед и кобалт.

номенклатура

Как се наричат ​​металните окиси? Има три начина да го направите: традиционния, систематичен и запас.

Традиционна номенклатура

За правилното наименование на металния оксид в съответствие с правилата, регулирани от IUPAC, е необходимо да се знаят възможните валенции на металния M. Най-големият (най-положителен) се приписва на металното наименование суфикс -ico, докато малък, представка -oso.

Пример: дадени валентности +2 и +4 на метала М, съответните му оксиди са МО и МО₂. Ако М бяха оловото, Pb, то PbO би било оксиден отвеснося, и PbO₂ оксидната сливаICO. Ако металът има само една валентност, той се нарича неговия оксид със суфикса -ico. Така че, Na₂Или е натриев оксид.

От друга страна, хипо- и per-префикси се добавят, когато има три или четири валенции за метал. По този начин Mn₂О₇ това е оксидът наМанганICO, защото Mn има валентност +7, най-високата от всички.

Този тип номенклатура обаче създава известни трудности и обикновено е най-малко използван.

Систематична номенклатура

Той разглежда броя на атомите М и кислорода, които съставляват химичната формула на оксида. От тях се присвояват съответните префикси моно-, ди-, три-, тетра- и др..

Като вземем за пример три последните метални оксида, PbO е оловен монооксид; PbO₂ оловен диоксид; и Na₂Или динатриев монооксид. За случая на ръжда, Fe₂О₃, съответното му име е триоксидът на дихиеро.

Номенклатура на запасите

За разлика от другите две номенклатури, при това валентността на метала има по-голямо значение. Валентността е определена с римски цифри в скоби: (I), (II), (III), (IV) и т.н. След това металният оксид се нарича метален оксид (n).

Прилагайки номенклатурата на акциите за предишните примери имаме:

-PbO: оловен оксид (II).

-PbO₂: оловен оксид (IV).

-Na₂О: натриев оксид. Тъй като има уникална валентност от +1, тя не е посочена.

-вяра₂О₃: железен оксид (III).

-Mn₂О₇: манганов оксид (VII).

Изчисляване на броя на валентността

Но ако нямате периодична таблица с валенции, как можете да ги определите? За това трябва да помним, че анионът О^2- той допринася с два отрицателни заряда към металния оксид. Следвайки принципа на неутралност, тези отрицателни заряди трябва да бъдат неутрализирани с положителните на метала.

Следователно, ако броят на кислородите е известен по химичната формула, валентността на метала може да се определи алгебрично, така че сумата от зарядите да даде нула.

Мп₂О₇ има седем оксигена, тогава неговите отрицателни заряди са равни на 7x (-2) = -14. За да неутрализира отрицателния заряд от -14, манганът трябва да осигури +14 (14-14 = 0). Поставянето на математическото уравнение е след това:

2X - 14 = 0

2 идва от факта, че има два манганови атома. Решаване и изчистване на X, валентността на метала:

X = 14/2 = 7

Това означава, че всеки Mn има валентност от +7.

Как се формират?

Влажността и рН влияят директно на окислението на металите в съответните им оксиди. Наличието на СО₂, Киселинният оксид може да се разтвори достатъчно във водата, която покрива металната част, за да ускори включването на кислород в анионна форма към кристалната структура на метала.

Тази реакция може също да бъде ускорена с повишаване на температурата, особено когато е желателно да се получи оксид за кратко време.

Директна реакция на метала с кислорода

Металните оксиди се образуват като продукт на реакцията между метала и околния кислород. Това може да бъде представено с химичното уравнение по-долу:

2M (s) + 0₂(g) => 2MO (s)

Тази реакция е бавна, тъй като кислородът има силна двойна O = O връзка и електронният трансфер между него и метала е неефективен.

Въпреки това, той се ускорява значително с увеличаване на температурата и повърхността. Това се дължи на факта, че енергията, необходима за прекъсване на двойната връзка O = O, е осигурена и тъй като има по-голяма площ, кислородът се движи равномерно по целия метал, сблъсквайки се едновременно с металните атоми..

Колкото по-голямо е количеството на кислородния реагент, толкова по-голямо е числото на валентност или окисление, което води до метала. Защо? Защото кислородът грабва все повече и повече електрони от метала, докато достигне най-високия окислителен номер.

Това може да се види например за медта. Когато парче метална мед реагира с ограничено количество кислород, се образува Cu₂О (меден оксид (I), меден оксид или дикобре монооксид):

4Cu (s) + O₂(g) + Q (топлина) => 2Cu₂O (s) (червено твърдо)

Но когато реагира в еквивалентни количества, се получава CuO (меден оксид (II), меден оксид или меден монооксид):

2Cu (s) + O₂(ж) + Q (топлина) => 2CuO (s) (плътно черно)

Реакция на метални соли с кислород

Метални оксиди могат да се образуват чрез термично разлагане. За да бъде възможно, една или две малки молекули трябва да бъдат освободени от първоначалното съединение (сол или хидроксид):

M (OH)₂ + Q => MO + H₂О

MCO₃ + Q => MO + CO₂

2M (NO₃)₂ + Q => MO + 4NO₂ + О₂

Имайте предвид, че H₂О, СО₂, NO₂ и О₂ са освободените молекули.

приложения

Поради богатия състав на металите в земната кора и на кислорода в атмосферата металните оксиди се намират в много минералогични източници, от които може да се получи солидна основа за производството на нови материали..

Всеки метален оксид намира много специфични приложения, от хранителни (ZnO и MgO) до добавки за цимент (CaO), или просто като неорганични пигменти (Cr).₂О₃).

Някои оксиди са толкова плътни, че контролираният растеж на техните слоеве може да предпази сплав или метал от по-нататъшно окисление. Дори проучванията показват, че окисляването на защитния слой протича като течност, която покрива всички пукнатини или повърхностни дефекти на метала..

Металните оксиди могат да приемат очарователни структури, или като наночастици, или като големи полимерни агрегати.

Този факт ги прави предмет на проучвания за синтез на интелигентни материали, поради голямата му площ, която се използва за проектиране на устройства, които отговарят на най-малко физически стимул..

По същия начин металните оксиди са суровина за много технологични приложения, от огледала и керамика с уникални свойства за електронно оборудване, до слънчеви панели..

Примери

Железни оксиди

2Fe (s) + O₂ж) => 2FeO (s) железен оксид (II).

6FeO (s) + O₂(g) => 2Fe₃О₄т) Магнитен железен оксид.

Вярата₃О₄, известен също като магнетит, той е смесен оксид; Това означава, че той се състои от твърда смес от FeO и Fe₂О₃.

4Fe₃О₄(s) + O₂(g) => 6Fe₂О₃s) железен оксид (III).

Алкални и алкалоземни оксиди

Както алкалните, така и алкалоземните метали имат едно единствено окислително число, така че техните оксиди са по-прости:

-Na₂О: натриев оксид.

-Ли₂О: литиев оксид.

-K₂О: калиев оксид.

-СаО: калциев оксид.

-MgO: магнезиев оксид.

-BeO: берилиев оксид (който е амфотерен оксид)

Оксиди от група IIIА (13)

Елементите от група IIIA (13) могат да образуват оксиди само с окислително число +3. Така те имат химична формула М₂О₃ и неговите оксиди са следните:

-към₂О₃алуминиев оксид.

-жа₂О₃галиев оксид.

-в₂О₃оксид на индий.

И накрая

-TL₂О₃: талиев оксид.

препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, стр. 237.
2. AlonsoFormula. Метални оксиди. Взето от: alonsoformula.com
3. Регенти от Университета на Минесота (2018). Киселинно-базисни характеристики на метални и неметални оксиди. Взето от: chem.umn.edu
4. Дейвид Л. Чандлър. (3 април 2018 г.). Самозалепващите се метални оксиди могат да предпазят от корозия. Взето от: news.mit.edu
5. Физични състояния и структури на оксидите. Взето от: wou.edu
6. Quimitube. (2012 г.). Окисляването на желязото. Взето от: quimitube.com
7. Химия LibreTexts. Окиси. Взето от: chem.libretexts.org
8. Кумар М. (2016) Металооксидни наноструктури: растеж и приложения. В: Husain M., Khan Z. (eds) Напредък в наноматериалите. Разширено структурирани материали, том 79. Springer, Ню Делхи