- Proprietățile oxizilor nemetalici
- Bazicitatea
- Amphotericism
- Nomenclatură
- Nomenclatura tradițională
- Nomenclatura sistematică
- Nomenclatura stocurilor
- Calcularea numărului de valență
- Cum sunt formate?
- Reacția directă a metalului cu oxigenul
- Reacția sărurilor metalice cu oxigenul
- Aplicații
- Exemple
- Oxizi de fier
- Oxizi alcalini și alcalini
- Oxizi din grupa IIIA (13)
- Referințe
Metal oxizi sunt compuși anorganici formate din cationi metalici și oxigen. Acestea cuprind în general un număr mare de solide ionice, în care anionul de oxid (O 2– ) interacționează electrostatic cu specia M + .
M + este ca orice cation care derivă din metalul pur: de la metalele alcaline și de tranziție, cu excepția unor metale nobile (cum ar fi aurul, platina și paladiul), până la elementele cele mai grele ale blocului p al mesei periodice (cum ar fi plumbul și bismutul).
Sursa: Pixabay.
Imaginea de mai sus arată o suprafață de fier acoperită de cruste roșiatice. Aceste „cruste” sunt ceea ce este cunoscut sub numele de rugină sau rugină, care la rândul lor reprezintă dovezi vizuale ale oxidării metalului ca urmare a condițiilor mediului său. Chimic, rugina este un amestec hidratat de oxizi de fier (III).
De ce oxidarea metalului duce la degradarea suprafeței sale? Acest lucru se datorează încorporării oxigenului în structura de cristal a metalului.
Când se întâmplă acest lucru, volumul metalului crește și interacțiunile inițiale slăbesc, determinând ruperea solidului. De asemenea, aceste fisuri permit mai multor molecule de oxigen să pătrundă în straturile metalice interne, mâncând complet la bucata din interior.
Totuși, acest proces are loc la viteze diferite și depinde de natura metalului (reactivitatea acestuia) și de condițiile fizice care îl înconjoară. Prin urmare, există factori care accelerează sau încetinesc oxidarea metalului; două dintre ele sunt prezența umidității și a pH-ului.
De ce? Deoarece oxidarea metalului pentru a produce un oxid de metal implică un transfer de electroni. Aceste „călătorii” de la o specie chimică la alta, atât timp cât mediul o facilitează, fie prin prezența ionilor (H + , Na + , Mg 2+ , Cl - etc.), care modifică pH-ul sau moleculele de apă care asigură mijloacele de transport.
Analitic, tendința unui metal de a forma oxidul corespunzător se reflectă în potențialele sale de reducere, care dezvăluie care metal reacționează mai rapid în comparație cu altul.
Aurul, de exemplu, are un potențial de reducere mult mai mare decât fierul, motiv pentru care strălucește cu strălucirea sa aurie caracteristică, fără un oxid care să-l estompeze.
Proprietățile oxizilor nemetalici
Oxid de magneziu, un oxid de metal.
Proprietățile oxizilor metalici variază în funcție de metal și modul în care interacționează cu anionul O 2– . Aceasta înseamnă că unii oxizi au densități sau solubilități mai mari în apă decât alții. Cu toate acestea, toate au în comun caracterul metalic, care se reflectă inevitabil în elementul lor de bază.
Cu alte cuvinte: sunt cunoscuți și ca anhidride bazice sau oxizi bazici.
Bazicitatea
Bazicitatea oxizilor metalici poate fi verificată experimental folosind un indicator acid-bazic. Cum? Adăugarea unei bucăți mici de oxid la o soluție apoasă cu un anumit indicator dizolvat; Acesta poate fi sucul lichefiat din varza violetă.
Având apoi gama de culori în funcție de pH, oxidul va transforma sucul în culori albăstrui, corespunzătoare pH-ului de bază (cu valori cuprinse între 8 și 10). Acest lucru se datorează faptului că porțiunea dizolvată eliberează oxid OH - ionii în mediu, acestea fiind responsabile pentru schimbarea pH - ului în experimentul menționat.
Astfel, pentru un MO care este solubilizat în apă, acesta este transformat în hidroxid metalic (un „oxid hidratat”) conform următoarelor ecuații chimice:
MO + H 2 O => M (OH) 2
M (OH) 2 <=> M 2+ + 2OH -
A doua ecuație este echilibrul de solubilitate a hidroxidului M (OH) 2 . Rețineți că metalul are o încărcare de 2+, ceea ce înseamnă, de asemenea, că valența sa este +2. Valența metalului este direct legată de tendința sa de a câștiga electroni.
În acest fel, cu cât valența este mai pozitivă, cu atât aciditatea sa este mai mare. În cazul în care M a avut o valență de +7, atunci oxidul M 2 O 7 ar fi acidă și nu bazic.
Amphotericism
Oxizii metalici sunt de bază, cu toate acestea nu au toate același caracter metalic. De unde știți? Localizarea metalului M pe tabelul periodic. Cu cât sunteți mai departe la stânga, și în perioade scăzute, cu atât va fi mai metalic și, prin urmare, cu atât mai bazic va fi oxidul.
La granița dintre oxizii de bază și acizii (oxizi nemetalici) se află oxizii amfoteri. Aici cuvântul „amfoteric” înseamnă că oxidul acționează atât ca bază, cât și ca acid, ceea ce este la fel ca într-o soluție apoasă poate forma hidroxidul sau complexul apos M (OH 2 ) 6 2+ .
Complexul apos nu este altceva decât coordonarea n moleculelor de apă cu centrul metalic M. Pentru complexul M (OH 2 ) 6 2+ , metalul M 2+ este înconjurat de șase molecule de apă și poate fi considerat ca un cation hidratat. Multe dintre aceste complexe prezintă colorații intense, precum cele observate pentru cupru și cobalt.
Nomenclatură
Cum se numesc oxizii metalici? Există trei modalități de a face acest lucru: tradițional, sistematic și stoc.
Nomenclatura tradițională
Pentru a denumi corect oxidul de metal în conformitate cu regulile guvernate de IUPAC, este necesar să cunoaștem eventualele valențe ale metalului M. Cel mai mare (cel mai pozitiv) este atribuit sufixul -ico la numele metalului, în timp ce minor, prefixul –oso.
Exemplu: dat +2 și +4 valentele metalului M, oxizii corespunzători ai acestuia sunt MO MO și 2 . Dacă M ar scădea de plumb, Pb, atunci oxigenul PbO Plumb ar suporta și PbO 2 oxid PLUMB ico . Dacă metalul are o singură valență, oxidul său este numit cu sufixul –ico. Astfel, Na 2 O este oxid de sodiu.
Pe de altă parte, prefixele ipo- și per- sunt adăugate atunci când există trei sau patru valențe disponibile pentru metal. Astfel, Mn 2 O 7 este oxid per Mangan ICO , deoarece Mn are +7 valență, cel mai mult .
Cu toate acestea, acest tip de nomenclatură prezintă anumite dificultăți și este de obicei cel mai puțin utilizat.
Nomenclatura sistematică
În ea se consideră numărul de atomi de M și oxigen care alcătuiesc formula chimică a oxidului. De la ei, i se atribuie prefixele corespunzătoare mono-, di-, tri-, tetra- etc.
Luând ca exemplu cei trei oxizi metalici recenți, PbO este monoxidul de plumb; Dioxid de plumb PbO 2 ; și Na 2 O este monoxidul disodic. În cazul ruginii, Fe 2 O 3 , denumirea respectivă este trioxidul de fier.
Nomenclatura stocurilor
Spre deosebire de celelalte două nomenclaturi, în aceasta, valența metalului este mai importantă. Valența este specificată prin cifre romane între paranteze: (I), (II), (III), (IV) etc. Oxidul de metal este denumit apoi metal (n) oxid.
Aplicând nomenclatura stocurilor pentru exemplele anterioare, avem:
-PbO: oxid de plumb (II).
-PbO 2 : oxid de plumb (IV).
-Na 2 O: oxid de sodiu. Deoarece are o valență unică de +1, nu este specificat.
-Fe 2 O 3 : oxid de fier (III).
-Mn 2 O 7 : oxid de mangan (VII).
Calcularea numărului de valență
Dar, dacă nu aveți un tabel periodic cu valențele, cum le puteți determina? Pentru aceasta trebuie să ne amintim că anionul O 2 - contribuie cu două sarcini negative la oxidul de metal. Urmând principiul neutralității, aceste sarcini negative trebuie neutralizate cu cele pozitive ale metalului.
Prin urmare, dacă numărul de oxigen este cunoscut din formula chimică, valența metalului poate fi determinată algebric astfel încât suma încărcărilor să fie zero.
Mn 2 O 7 are șapte oxigeni, deci taxele sale negative sunt egale cu 7x (-2) = -14. Pentru a neutraliza sarcina negativă de -14, manganul trebuie să contribuie cu +14 (14-14 = 0). Prezentând ecuația matematică pe care o avem atunci:
2X - 14 = 0
Cei 2 provin din faptul că există doi atomi de mangan. Rezolvarea și rezolvarea X, valența metalului:
X = 14/2 = 7
Cu alte cuvinte, fiecare Mn are o valență de +7.
Cum sunt formate?
Umiditatea și pH-ul influențează direct oxidarea metalelor în oxizii corespunzători. Prezența CO 2 , oxid acid, se poate dizolva suficient în apa care acoperă partea metalică pentru a accelera încorporarea oxigenului în formă anionică în structura de cristal a metalului.
Această reacție poate fi, de asemenea, accelerată cu o creștere a temperaturii, mai ales atunci când se dorește obținerea oxidului într-un timp scurt.
Reacția directă a metalului cu oxigenul
Oxizii metalici sunt formați ca produs al reacției dintre metal și oxigenul din jur. Aceasta poate fi reprezentată de ecuația chimică de mai jos:
2M (s) + O 2 (g) => 2MO (e)
Această reacție este lentă, deoarece oxigenul are o dublă legătură O = O, iar transferul electronic între acesta și metal este ineficient.
Cu toate acestea, accelerează considerabil cu o creștere a temperaturii și a suprafeței. Aceasta se datorează faptului că energia necesară este furnizată pentru a rupe legătura dublă O = O și, întrucât există o zonă mai mare, oxigenul se mișcă uniform în întregul metal, ciocnind în același timp cu atomii metalici.
Cu cât este mai mare cantitatea de oxigen care reacționează, cu atât este mai mare valența sau numărul de oxidare rezultat pentru metal. De ce? Deoarece oxigenul ia din metal tot mai mulți electroni, până când atinge cel mai mare număr de oxidare.
Acest lucru poate fi văzut pentru cupru, de exemplu. Când o bucată de cupru metalic reacționează cu o cantitate limitată de oxigen, se formează Cu 2 O (cupru (I) oxid, oxid cupros sau monoxid de dicobre):
4Cu (s) + O 2 (g) + Q (căldură) => 2Cu 2 O (s) (solid roșu)
Dar când reacționează în cantități echivalente, se obține oxid de CuO (cupru (II), oxid cupric sau monoxid de cupru):
2Cu (s) + O 2 (g) + Q (căldură) => 2CuO (s) (solid negru)
Reacția sărurilor metalice cu oxigenul
Oxizii metalici se pot forma prin descompunere termică. Pentru ca acest lucru să fie posibil, una sau două molecule mici trebuie eliberate din compusul de pornire (o sare sau un hidroxid):
M (OH) 2 + Q => MO + H 2 O
OLS 3 + Q => MO + CO 2
2M (NO 3 ) 2 + Q => MO + 4NO 2 + O 2
Rețineți că H 2 O, CO 2 , NO 2 și O 2 sunt moleculele eliberate.
Aplicații
Datorită compoziției bogate a metalelor din scoarța terestră și a oxigenului din atmosferă, oxizii metalici se găsesc în multe surse mineralogice, din care se poate obține o bază solidă pentru fabricarea de noi materiale.
Fiecare oxid metalic găsește utilizări foarte specifice, de la nutriționale (ZnO și MgO) ca aditivi pentru ciment (CaO), sau pur și simplu ca pigmenți anorganici (Cr 2 O 3 ).
Unii oxizi sunt atât de densi încât creșterea controlată a stratului poate proteja un aliaj sau un metal de oxidarea ulterioară. Studiile au relevat chiar că oxidarea stratului protector continuă ca și cum ar fi un lichid care acoperă toate fisurile sau defectele superficiale ale metalului.
Oxizii metalici pot adopta structuri fascinante, fie ca nanoparticule, fie ca agregate mari de polimeri.
Acest fapt îi face obiectul studiilor pentru sinteza materialelor inteligente, datorită suprafeței lor mari, care este utilizată pentru proiectarea dispozitivelor care răspund la cel mai mic stimul fizic.
În plus, oxizii metalici sunt materia primă pentru multe aplicații tehnologice, de la oglinzi și ceramică cu proprietăți unice pentru echipamente electronice, până la panouri solare.
Exemple
Oxizi de fier
2Fe (s) + O 2 (g) => 2FeO (s) oxid de fier (II).
6FeO (s) + O 2 (g) => 2Fe 3 O 4 (s) oxid de fier magnetic.
Fe 3 O 4 , cunoscută și sub numele de magnetită, este un oxid mixt; Aceasta înseamnă că este alcătuită dintr - un amestec solid de FeO și Fe 2 O 3 .
4Fe 3 O 4 (s) + O 2 (g) => 6Fe 2 O 3 (s) oxid de fier (III).
Oxizi alcalini și alcalini
Atât metalele alcaline, cât și cele alcaline de pământ au un singur număr de oxidare, astfel încât oxizii lor sunt mai „simpli”:
-Na 2 O: oxid de sodiu.
-Li 2 O: oxid de litiu.
-K 2 O: oxid de potasiu.
-CaO: oxid de calciu.
-MgO: oxid de magneziu.
-BeO: oxid de beriliu (care este un oxid amfoteric)
Oxizi din grupa IIIA (13)
Elementele din grupa IIIA (13) pot forma oxizi doar cu un număr de oxidare de +3. Astfel, au formula chimică M 2 O 3, iar oxizii lor sunt următoarele:
-Al 2 O 3 : oxid de aluminiu.
-Ga 2 O 3 : oxid de galiu.
-În 2 O 3 : oxid de indiu.
Și, în sfârșit
-Tl 2 O 3 : oxid de taliu.
Referințe
- Whitten, Davis, Peck și Stanley. Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Learning, p. 237.
- AlonsoFormula. Oxizi metalici. Luat de la: alonsoformula.com
- Regenții Universității din Minnesota. (2018). Caracteristicile bazei acide ale oxizilor metalici și nemetalici. Luat de la: chem.umn.edu
- David L. Chandler. (3 aprilie 2018). Oxizii metalici auto-vindecători ar putea proteja împotriva coroziunii Luat de la: news.mit.edu
- Stările fizice și structurile oxizilor. Luat de la: wou.edu
- Quimitube. (2012). Oxidarea fierului. Luat de la: quimitube.com
- Chimie LibreTexturi. Oxizii. Luat de la: chem.libretexts.org
- Kumar M. (2016) Nanostructuri cu oxid de metal: creștere și aplicații. În: Husain M., Khan Z. (eds) Progresele în nanomateriale. Advanced Structed Materials, vol. 79. Springer, New Delhi