- Властивості неметалічних оксидів
- Основність
- Амфотеризм
- Номенклатура
- Традиційна номенклатура
- Систематична номенклатура
- Фондова номенклатура
- Розрахунок валентного числа
- Як вони утворюються?
- Пряма реакція металу з киснем
- Реакція солей металів з киснем
- Програми
- Приклади
- Оксиди заліза
- Лужні та лужноземельні оксиди
- Оксиди IIIA групи (13)
- Список літератури
Металеві оксиди представляють собою неорганічні сполуки , що складаються з катіонів металів і кисню. Вони, як правило, містять велику кількість іонних твердих речовин, в яких аніон оксиду (O 2– ) електростатично взаємодіє з видами M + .
М + подібний до будь-якого катіону, який походить з чистого металу: від лугу та перехідних металів, за винятком деяких благородних металів (таких як золото, платина та паладій), до найважчих елементів p блоку таблиці періодичні (наприклад, свинець та вісмут).
Джерело: Pixabay.
На зображенні вище зображена залізна поверхня, покрита червонуватими кірками. Ці "струпи" - це те, що називають іржею або іржею, що, в свою чергу, являє собою наочні докази окислення металу внаслідок умов його оточення. Хімічно, іржа - це гідратована суміш 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 слабшають, внаслідок чого тверда речовина розривається. Так само ці тріщини дозволяють більше молекул кисню проникати у внутрішні металеві шари, повністю з'їдаючи шматочок зсередини.
Однак цей процес відбувається з різною швидкістю і залежить від характеру металу (його реактивності) та фізичних умов, які його оточують. Тому існують фактори, які прискорюють або сповільнюють окислення металу; два з них - наявність вологості та рН.
Чому? Оскільки окислення металу для отримання оксиду металу передбачає перенесення електронів. Ці "подорожі" від одного хімічного виду до іншого до тих пір, поки навколишнє середовище полегшує його, або наявністю іонів (H + , Na + , Mg 2+ , Cl - тощо), які змінюють рН, або молекули води, які забезпечують транспортний засіб.
Аналітично схильність металу до утворення відповідного оксиду відбивається на його відновних потенціалах, які виявляють, який метал реагує швидше порівняно з іншим.
Наприклад, золото має набагато більший потенціал відновлення, ніж залізо, саме тому воно блищить своїм характерним золотистим сяйвом без оксиду, щоб його притупити.
Властивості неметалічних оксидів
Оксид магнію, оксид металу.
Властивості оксидів металів змінюються залежно від металу та того, як він взаємодіє з аніоном O 2– . Це означає, що деякі оксиди мають більшу щільність або розчинність у воді, ніж інші. Проте всі вони мають спільний металевий характер, що неминуче відбивається на їхній основності.
Іншими словами: вони також відомі як основні ангідриди або основні оксиди.
Основність
Основність оксидів металів можна перевірити експериментально, використовуючи кислотно-лужний індикатор. Як? Додавання невеликого шматочка оксиду до водного розчину з деяким розчиненим індикатором; Це може бути зріджений сік фіолетової капусти.
Отримавши тоді діапазон кольорів залежно від рН, оксид перетворить сік у синюватий колір, відповідний основного рН (зі значеннями від 8 до 10). Це пов'язано з тим, що розчинена частина оксиду виділяє іони ОН - в середовище, що відповідає за зміну pH у зазначеному експерименті.
Таким чином, для оксиду МО, який розчиняється у воді, він перетворюється на гідроксид металу («гідратний оксид») згідно з наступними хімічними рівняннями:
MO + H 2 O => M (OH) 2
M (OH) 2 <=> M 2+ + 2OH -
Друге рівняння - рівновага розчинності гідроксиду M (OH) 2 . Зауважимо, що метал має заряд 2+, що також означає, що його валентність становить +2. Валентність металу безпосередньо пов'язана з його тенденцією до набору електронів.
Таким чином, чим позитивніша валентність, тим більша її кислотність. У випадку, коли M мала валентність +7, оксид M 2 O 7 був би кислим і не основним.
Амфотеризм
Оксиди металів є основними, проте не всі вони мають однаковий металевий характер. Звідки ти знаєш? Розташування металу М на періодичній таблиці. Чим далі ви знаходитесь лівіше від неї, і в низькі періоди тим більш металевим він буде, а отже, і більш основним буде ваш оксид.
На межі між основними та кислими оксидами (неметалічними оксидами) знаходяться амфотерні оксиди. Тут слово "амфотерний" означає, що оксид діє і як основа, і як кислота, яка така сама, як у водному розчині, він може утворювати гідроксид або водний комплекс M (OH 2 ) 6 2+ .
Водний комплекс - це не що інше, як координація n молекул води з металевим центром M. Для комплексу M (OH 2 ) 6 2+ метал метал M 2+ оточений шістьма молекулами води і може розглядатися як гідратований катіон. Багато з цих комплексів демонструють інтенсивні забарвлення, такі, що спостерігаються для міді та кобальту.
Номенклатура
Як називають оксиди металів? Існує три способи зробити це: традиційний, систематичний та запасний.
Традиційна номенклатура
Щоб правильно назвати оксид металу за правилами, якими керується IUPAC, необхідно знати можливі валентності металу M. Найбільшій (найбільш позитивній) присвоюється суфікс -ico до назви металу, тоді як другорядний, префікс - також.
Приклад: з огляду на валентність +2 та +4 металу М, його оксидами є МО та МО 2 . Якщо M відводить відвід, Pb, то окис PbO Plumb несе, а PbO 2 оксид PLUMB ico . Якщо метал має лише одну валентність, його оксид називають суфіксом –ico. Таким чином, Na 2 O є оксидом натрію.
З іншого боку, префікси гіпо- та пер- додаються, коли для металу є три чи чотири валентності. Таким чином, Mn 2 O 7 є оксидом на Mangan ico , оскільки Mn має +7 валентність, найбільше.
Однак цей тип номенклатури представляє певні труднощі і зазвичай використовується найменш.
Систематична номенклатура
У ній розглядається кількість атомів М і кисню, що складають хімічну формулу оксиду. З них присвоюється відповідні префікси моно-, ді-, три-, тетра- та ін.
Взявши за приклад три останніх оксиди металів, PbO - це оксид свинцю; PbO 2 діоксид свинцю; і Na 2 O - дінатрій оксид. Що стосується іржі, Fe 2 O 3 , її відповідна назва - триоксид заліза.
Фондова номенклатура
На відміну від двох інших номенклатур, у цій одній важливіша валентність металу. Валентність задається римськими цифрами в дужках: (I), (II), (III), (IV) тощо. Оксид металу потім називають металевим (n) оксидом.
Застосовуючи номенклатуру акцій для попередніх прикладів, ми маємо:
-PbO: оксид свинцю (II).
-PbO 2 : оксид свинцю (IV).
-Na 2 O: оксид натрію. Оскільки він має унікальну валентність +1, він не вказується.
-Fe 2 O 3 : оксид заліза (III).
-Mn 2 O 7 : оксид марганцю (VII).
Розрахунок валентного числа
Але якщо у вас немає періодичної таблиці з валентностями, як їх визначити? Для цього треба пам’ятати, що аніон O 2– сприяє двом негативним зарядам оксиду металу. Дотримуючись принципу нейтральності, ці негативні заряди необхідно нейтралізувати позитивними металами.
Тому, якщо кількість оксигенів відомо з хімічної формули, валентність металу можна визначити алгебраїчно, так що сума зарядів дорівнює нулю.
Mn 2 O 7 має сім оксигенів, тому його негативні заряди рівні 7x (-2) = -14. Для нейтралізації негативного заряду -14 марганець повинен внести +14 (14-14 = 0). Поставивши математичне рівняння, ми маємо тоді:
2X - 14 = 0
2 походить від того, що є два атоми марганцю. Розв’язування та розв’язування для X, валентність металу:
X = 14/2 = 7
Іншими словами, кожен Mn має валентність +7.
Як вони утворюються?
Волога і pH безпосередньо впливають на окислення металів у відповідні їм оксиди. Присутність СО 2 , кислого оксиду, може достатньо розчинятися у воді, яка покриває металеву частину, для прискорення включення кисню в аніонній формі в кристалічну структуру металу.
Цю реакцію можна також прискорити при підвищенні 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 можна представити хімічним рівнянням нижче:
2M (s) + O 2 (g) => 2MO (s)
Ця реакція повільна, оскільки кисень має сильний подвійний зв’язок O = O, а електронний перенос між ним та металом неефективний.
Однак він значно прискорюється зі збільшенням температури та площі поверхні. Це пов’язано з тим, що необхідна енергія надається для розриву подвійного зв’язку O = O, і оскільки більша площа, кисень рівномірно рухається по всьому металу, стикаючись одночасно з атомами металу.
Чим більше кількість реагуючого кисню, тим більше отримана валентність чи кількість окислення для металу. Чому? Оскільки кисень забирає з металу все більше електронів, поки він не досягне найбільшого числа окислення.
Це можна побачити, наприклад, для міді. Коли шматок металевої міді реагує з обмеженою кількістю кисню, утворюється Cu 2 O (оксид міді (I), оксид медуни або монооксид дикобра):
4Cu (s) + O 2 (g) + Q (тепло) => 2Cu 2 O (s) (червоний твердий)
Але коли він реагує в еквівалентних кількостях, оксид CuO (мідь (II), оксид міді або оксид міді) отримують:
2Cu (s) + O 2 (g) + Q (тепло) => 2CuO (s) (чорний твердий)
Реакція солей металів з киснем
Оксиди металів можуть утворюватися шляхом термічного розкладання. Щоб це стало можливим, з вихідної сполуки (солі або гідроксиду) необхідно звільнити одну або дві маленькі молекули:
M (OH) 2 + Q => MO + H 2 O
OLS 3 + Q => MO + CO 2
2M (NO 3 ) 2 + Q => MO + 4NO 2 + O 2
Зауважимо, що H 2 O, CO 2 , NO 2 і O 2 - це молекули, що вивільняються.
Програми
Завдяки багатому складу металів у земній корі та кисню в атмосфері оксиди металів знаходяться у багатьох мінералогічних джерелах, з яких можна отримати міцну основу для виготовлення нових матеріалів.
Кожен оксид металу знаходить дуже специфічне застосування - від харчових (ZnO і MgO) до добавок до цементу (CaO) або просто як неорганічних пігментів (Cr 2 O 3 ).
Деякі оксиди настільки щільні, що контрольований ріст шару може захистити сплав або метал від подальшого окислення. Дослідження навіть виявили, що окислення захисного шару триває так, ніби це рідина, яка покриває всі тріщини або поверхневі дефекти металу.
Оксиди металів можуть приймати захоплюючі структури, як наночастинки, так і у вигляді великих полімерних агрегатів.
Цей факт робить їх об’єктом досліджень синтезу розумних матеріалів, завдяки їх великій поверхні, яка використовується для проектування пристроїв, що реагують на найменший фізичний стимул.
Крім того, оксиди металів є сировиною для багатьох технологічних застосувань - від дзеркал та кераміки з унікальними властивостями для електронного обладнання, до сонячних батарей.
Приклади
Оксиди заліза
2Fe (s) + O 2 (g) => 2FeO (s) оксид заліза (II).
6FeO (s) + O 2 (g) => 2Fe 3 O 4 (s) магнітний оксид заліза.
Fe 3 O 4 , також відомий як магнетит, є змішаним оксидом; Це означає, що вона складається з твердої суміші FeO і Fe 2 O 3 .
4Fe 3 O 4 (s) + O 2 (g) => 6Fe 2 O 3 (s) оксид заліза (III).
Лужні та лужноземельні оксиди
Як лужні, так і лужноземельні метали мають лише одне число окислення, тому їх оксиди є більш "простими":
-Na 2 O: оксид натрію.
-Li 2 O: оксид літію.
-K 2 O: оксид калію.
-CaO: оксид кальцію.
-MgO: оксид магнію.
-BeO: оксид берилію (який є амфотерним оксидом)
Оксиди IIIA групи (13)
Елементи IIIA групи (13) можуть утворювати оксиди лише з окислювальним числом +3. Таким чином, вони мають хімічну формулу M 2 O 3 і їх оксиди наступні:
-Al 2 O 3 : оксид алюмінію.
-Ga 2 O 3 : оксид галію.
-В 2 O 3 : оксид індію.
І, нарешті
-Tl 2 O 3 : оксид талію.
Список літератури
- Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання, стор. 237.
- АлонсоФормула. Оксиди металів Взято з: alonsoformula.com
- Регенти університету Міннесоти. (2018). Кислотно-основні характеристики оксидів металів та неметалів. Взято з: chem.umn.edu
- Девід Л. Чендлер. (3 квітня 2018 р.). Самоочисні оксиди металів можуть захистити від корозії. Взято з: news.mit.edu
- Фізичні стани та структури оксидів. Взято з: wou.edu
- Кімітуб. (2012 р.). Окислення заліза. Взято з: quimitube.com
- Хімія LibreTexts. Оксиди. Взято з: chem.libretexts.org
- Кумар М. (2016) Наноструктури оксиду металів: ріст та застосування. В: Хусайн М., Хан З. (ред.) Просування в наноматеріалах. Передові структуровані матеріали, т. 79. Спрингер, Нью-Делі