Metalloksydegenskaper, nomenklatur, bruksområder og eksempler

De metalloksider De er uorganiske forbindelser som består av metallkationer og oksygen. De omfatter generelt et stort antall ioniske faste stoffer, hvor oksidanionen (O^to-) samhandler elektrostatisk med arten M⁺.

M⁺ Ethvert kation som kommer fra det rene metallet er slik: fra alkali- og overgangsmetallene, med unntak av noen edle metaller (som gull, platina og palladium), til de tyngste elementene i p-blokken i det periodiske systemet (som bly og vismut).

Bildet over viser en jernoverflate dekket av rødlige skorper. Disse "skorper" er det som er kjent som rust eller rust, som igjen representerer visuelt bevis på oksidasjonen av metallet som et resultat av forholdene i omgivelsene. Kjemisk er rust en hydrert blanding av jernoksider (III).

Hvorfor fører oksidasjonen av metallet til nedbrytning av overflaten? Dette skyldes innlemmelsen av oksygen i den krystallinske strukturen til metallet..

Når dette skjer, øker volumet av metallet og de originale interaksjonene svekkes, og får det faste stoffet til å sprekke. På samme måte tillater disse sprekkene at flere oksygenmolekyler trenger inn i de indre metallagene og spiser stykket helt fra innsiden..

Denne prosessen skjer imidlertid med forskjellige hastigheter og avhenger av metallets art (dets reaktivitet) og de fysiske forholdene som omgir det. Derfor er det faktorer som akselererer eller bremser oksidasjonen av metallet; to av dem er tilstedeværelsen av fuktighet og pH.

Hvorfor? Fordi oksidasjon av metall for å produsere et metalloksid innebærer overføring av elektroner. Disse "reiser" fra en kjemisk art til en annen så lenge miljøet letter det, enten ved tilstedeværelse av ioner (H⁺, Na⁺, Mg^to+, Cl^-, osv.), som endrer pH, eller av vannmolekylene som gir transportmediet.

Analytisk reflekteres tendensen til et metall til å danne det tilsvarende oksid i dets reduksjonspotensialer, som avslører hvilket metall som reagerer raskere sammenlignet med et annet..

Gull har for eksempel et mye høyere reduksjonspotensiale enn jern, og det skinner derfor med sin karakteristiske gyldne glød uten et oksid for å sløve det..

Artikkelindeks

• 1 Egenskaper for ikke-metalliske oksider
  • 1.1 Grunnleggende
  • 1.2 Amfoterisme
• 2 Nomenklatur
  • 2.1 Tradisjonell nomenklatur
  • 2.2 Systematisk nomenklatur
  • 2.3 Aksjenavn
  • 2.4 Beregning av valensnummer
• 3 Hvordan blir de dannet?
  • 3.1 Direkte reaksjon av metall med oksygen
  • 3.2 Reaksjon av metallsalter med oksygen
• 4 bruksområder
• 5 eksempler
  • 5.1 Jernoksider
  • 5.2 Alkaliske og jordalkaliske oksider
  • 5.3 Gruppe IIIA oksider (13)
• 6 Referanser

Egenskaper av ikke-metalliske oksider

Egenskapene til metalloksider varierer i henhold til metallet og hvordan det interagerer med anionet O^to-. Dette betyr at noen oksider har høyere tetthet eller oppløselighet i vann enn andre. Imidlertid har de alle felles metallkarakteren, som uunngåelig gjenspeiles i dens grunnleggende..

Med andre ord: de er også kjent som basiske anhydrider eller basiske oksider.

Grunnleggende

Basaliteten til metalloksider kan testes eksperimentelt ved hjelp av en syre-baseindikator. Hvordan? Tilsetning av et lite stykke oksyd til en vandig løsning med noe oppløst indikator; dette kan være flytende juice av lilla kål.

Etter å ha fargespekteret avhengig av pH, vil oksidet gjøre saften til blåaktig farger, tilsvarende basisk pH (med verdier mellom 8 og 10). Dette er fordi den oppløste delen av oksidet frigjør OH-ioner.^- til mediet, da disse i eksperimentet er ansvarlige for endringen i pH.

Således, for et oksid MO som er solubilisert i vann, blir det transformert til metallhydroksyd (et "hydrert oksid") i henhold til følgende kjemiske ligninger:

MO + H_toO => M (OH)_to

M (OH)_to <=> M^to+ + 2OH^-

Den andre ligningen er løselighetsvekt i hydroksyd M (OH)_to. Merk at metallet har en ladning på 2+, noe som også betyr at valensen er +2. Valens av metallet er direkte relatert til dets tendens til å få elektroner.

På denne måten, jo mer positiv valens, jo høyere surhet. I tilfelle at M hadde en valens på +7, da ble oksydet M_toELLER₇ det ville være surt og ikke basisk.

Amfoterisme

Metalloksider er basiske, men de har ikke alle samme metalliske karakter. Hvordan vet du? Finne metallet M på det periodiske systemet. Jo lenger du er til venstre for den, og i lave perioder, jo mer metallisk vil den være, og jo mer grunnleggende vil oksidet være..

På grensen mellom basiske og sure oksider (ikke-metalliske oksider) er amfotere oksider. Her betyr ordet 'amfoterisk' at oksydet fungerer som både en base og en syre, som er det samme som i en vandig løsning, det kan danne hydroksydet eller det vandige komplekset M (OH_to)₆^to+.

Det vandige komplekset er ikke noe mer enn koordinering av n vannmolekyler med metallsenteret M. For komplekset M (OH_to)₆^to+, metall M^to+ den er omgitt av seks vannmolekyler, og kan betraktes som en hydrert kation. Mange av disse kompleksene viser intense fargestoffer, slik som de som er observert for kobber og kobolt.

Nomenklatur

Hvordan heter metalloksider? Det er tre måter å gjøre det på: tradisjonelt, systematisk og lager.

Tradisjonell nomenklatur

For å navngi metalloksyd korrekt i henhold til reglene som styres av IUPAC, er det nødvendig å kjenne de mulige valensene til metallet M. Den største (mest positive) tildeles suffikset -ico til metallnavnet, mens mindreårige, prefiks -oso.

Eksempel: gitt +2- og +4-valensene til metallet M, er dets tilsvarende oksyder MO og MO_to. Hvis M var bly, Pb, ville PbO være loddoksidBjørn, og PbO_to blyoksidico. Hvis metallet bare har en valens, blir dets oksid navngitt med suffikset -ico. Så, Na_toEller er det natriumoksid.

På den annen side blir prefiksene hypo- og per lagt til når det er tre eller fire valenser tilgjengelig for metallet. På denne måten har Mn_toELLER₇ det er rust permanganico, fordi Mn har valens +7, den høyeste av alle.

Imidlertid gir denne typen nomenklatur visse vanskeligheter og er vanligvis den minst brukte.

Systematisk nomenklatur

Den tar hensyn til antall M og oksygenatomer som utgjør den kjemiske formelen til oksidet. Fra dem tildeles de tilsvarende prefikser mono-, di-, tri-, tetra-, etc..

Tar vi de tre nylige metalloksydene som et eksempel, er PbO blymonoksid; PbO_to blydioksid; og Na_toEller dinatriummonoksid. For tilfelle av rust, Fe_toELLER₃, dets respektive navn er dihierro trioxide.

Aksjenomenklatur

I motsetning til de to andre nomenklaturene, er valens av metall viktigere i denne. Valens er spesifisert med romertall i parentes: (I), (II), (III), (IV), etc. Metalloksydet blir da kalt metalloksyd (n).

Ved å bruke aksjenomenklaturen for de foregående eksemplene har vi:

-PbO: bly (II) oksyd.

-PbO_to: bly (IV) oksid.

-Na_toO: natriumoksid. Siden den har en unik valens på +1, er den ikke spesifisert.

-Tro_toELLER₃: jern (III) oksid.

-Mn_toELLER₇: mangan (VII) oksid.

Beregning av valensnummer

Men hvis du ikke har et periodisk system med valensene, hvordan kan du bestemme dem? For dette må man huske at anionen O^to- bidrar med to negative ladninger til metalloksydet. Etter nøytralitetsprinsippet, må disse negative ladningene nøytraliseres med metallets positive.

Derfor, hvis antall oksygener er kjent fra den kjemiske formelen, kan metallets valens bestemmes algebraisk slik at summen av ladningene gir null.

Mn_toELLER₇ den har syv oksygener, så dens negative ladninger er lik 7x (-2) = -14. For å nøytralisere den negative ladningen på -14, må mangan bidra med +14 (14-14 = 0). Å heve den matematiske ligningen vi har da:

2X - 14 = 0

De 2 kommer av det faktum at det er to manganatomer. Løsning og løsning for X, metallets valens:

X = 14/2 = 7

Med andre ord har hver Mn en valens på +7.

Hvordan blir de dannet?

Fuktighet og pH påvirker direkte oksydasjonen av metaller til deres tilsvarende oksider. Tilstedeværelsen av CO_to, surt oksid, kan det oppløses nok i vannet som dekker metalldelen til å akselerere innlemmelsen av oksygen i anionisk form til metallets krystallstruktur.

Denne reaksjonen kan også akselereres med en økning i temperaturen, spesielt når du vil oppnå oksidet på kort tid..

Direkte reaksjon av metall med oksygen

Metalloksider dannes som et produkt av reaksjonen mellom metallet og det omkringliggende oksygenet. Dette kan representeres av den kjemiske ligningen nedenfor:

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

Denne reaksjonen er treg, siden oksygen har en sterk O = O dobbeltbinding og den elektroniske overføringen mellom den og metallet er ineffektiv..

Imidlertid akselererer den betydelig med en økning i temperatur og overflateareal. Dette skyldes det faktum at den nødvendige energien tilveiebringes for å bryte O = O dobbeltbinding, og da det er et større område, vandrer oksygen jevnt gjennom metallet og kolliderer samtidig med metallatomer..

Jo større mengde reagerende oksygen, jo større blir det resulterende valens- eller oksidasjonsnummeret for metallet. Hvorfor? Fordi oksygen tar flere og flere elektroner fra metallet, til det når det høyeste oksidasjonsnummeret.

Dette kan man se for eksempel på kobber. Når et stykke metallisk kobber reagerer med en begrenset mengde oksygen, dannes Cu_toO (kobber (I) oksid, kobberoksid eller dikobmonoksid):

4Cu (s) + O_to(g) + Q (varme) => 2Cu_toO (s) (rødt fast stoff)

Men når det reagerer i like store mengder, oppnås CuO (kobber (II) oksid, kobberoksid eller kobbermonoksid):

2Cu (s) + O_to(g) + Q (varme) => 2CuO (s) (svart fast stoff)

Reaksjon av metallsalter med oksygen

Metalloksider kan dannes ved termisk nedbrytning. For at dette skal være mulig, må ett eller to små molekyler frigjøres fra utgangsforbindelsen (et salt eller et hydroksid):

M (OH)_to + Q => MO + H_toELLER

MCO₃ + Q => MO + CO_to

2M (NO₃)_to + Q => MO + 4NO_to + ELLER_to

Merk at H_toO, CO_to, IKKE_to meg_to er molekylene frigjort.

applikasjoner

På grunn av den rike sammensetningen av metaller i jordskorpen og oksygenet i atmosfæren, finnes metalloksider i mange mineralogiske kilder, hvorfra man kan oppnå et solid grunnlag for fremstilling av nye materialer..

Hvert metalloksid finner veldig spesifikke bruksområder, fra ernæringsmessige (ZnO og MgO) til som sementtilsetningsstoffer (CaO), eller ganske enkelt som uorganiske pigmenter (Cr_toELLER₃).

Noen oksider er så tette at kontrollert lagvekst kan beskytte en legering eller metall mot ytterligere oksidasjon. Studier har til og med avdekket at oksydasjonen av det beskyttende laget fortsetter som om det var en væske som dekker alle sprekker eller overfladiske mangler i metallet..

Metalloksider kan ta på seg fascinerende strukturer, enten som nanopartikler eller som store polymeraggregater..

Dette faktum gjør dem til gjenstand for studier for syntese av intelligente materialer på grunn av deres store overflateareal, som brukes til å designe enheter som reagerer på minst fysisk stimulans..

Likeledes er metalloksider råmaterialet for mange teknologiske bruksområder, fra speil og keramikk med unike egenskaper for elektronisk utstyr, til solcellepaneler..

Eksempler

Jernoksider

2Fe (s) + O_to(g) => 2FeO (s) jern (II) oksid.

6FeO (s) + O_to(g) => 2Fe₃ELLER₄magnetisk jernoksid (er).

Tro₃ELLER₄, også kjent som magnetitt, det er et blandet oksid; Dette betyr at den består av en fast blanding av FeO og Fe_toELLER₃.

4Fe₃ELLER₄(s) + O_to(g) => 6Fe_toELLER₃jern (III) oksid (er).

Alkaliske og jordalkaliske oksider

Både jord- og jordalkalimetaller har bare ett oksidasjonsnummer, så oksidene er mer "enkle":

-Na_toO: natriumoksid.

-Li_toO: litiumoksid.

-K_toO: kaliumoksid.

-CaO: kalsiumoksid.

-MgO: magnesiumoksid.

-BeO: berylliumoksid (som er et amfotert oksid)

Gruppe IIIA oksider (13)

Gruppe IIIA-elementer (13) kan bare danne oksider med et oksidasjonsnummer på +3. Dermed har de den kjemiske formelen M_toELLER₃ og dets oksider er følgende:

-Til_toELLER₃: aluminiumoksid.

-Ga_toELLER₃: galliumoksid.

-I_toELLER₃: indiumoksid.

Og endelig

-Tl_toELLER₃: talliumoksid.

Referanser

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kjemi. (8. utg.). CENGAGE Learning, s 237.
2. AlonsoFormula. Metalloksider. Hentet fra: alonsoformula.com
3. Regents of the University of Minnesota. (2018). Syrebaseegenskaper for metall og ikke-metalliske oksider. Hentet fra: chem.umn.edu
4. David L. Chandler. (3. april 2018). Selvherdende metalloksider kan beskytte mot korrosjon. Hentet fra: news.mit.edu
5. Fysiske tilstander og strukturer av oksider. Hentet fra: wou.edu
6. Quimitube. (2012). Jernoksidasjon. Hentet fra: quimitube.com
7. Kjemi LibreTexts. Oksider. Hentet fra: chem.libretexts.org
8. Kumar M. (2016) Metal Oxide Nanostructures: Growth and Applications. I: Husain M., Khan Z. (red.) Fremskritt innen nanomaterialer. Advanced Structured Materials, vol. 79. Springer, New Delhi