ОКСИДЫ МЕТАЛЛОВ: СВОЙСТВА, НОМЕНКЛАТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2026

Металлические оксиды представляют собой неорганические соединения , состоящие из катионов металлов и кислорода. Как правило, они содержат огромное количество твердых ионных веществ, в которых оксид-анион (O ^2– ) электростатически взаимодействует с частицами M ⁺ .

M ⁺ - это любой катион, происходящий от чистого металла: от щелочных и переходных металлов, за исключением некоторых благородных металлов (таких как золото, платина и палладий), до самых тяжелых элементов блока p таблицы. периодические (например, свинец и висмут).

Источник: Pixabay.

На изображении выше показана поверхность железа, покрытая красноватыми корками. Эти «струпья» известны как ржавчина или ржавчина, которая, в свою очередь, представляет собой визуальное свидетельство окисления металла из-за условий окружающей среды. Химически ржавчина представляет собой гидратированную смесь оксидов железа (III).

Почему окисление металла приводит к деградации его поверхности? Это происходит из-за включения кислорода в кристаллическую структуру металла.

Когда это происходит, объем металла увеличивается, а первоначальные взаимодействия ослабевают, что приводит к разрыву твердого тела. Точно так же эти трещины позволяют большему количеству молекул кислорода проникать во внутренние металлические слои, разъедая всю деталь изнутри.

Однако этот процесс происходит с разной скоростью и зависит от природы металла (его реакционной способности) и физических условий, которые его окружают. Следовательно, существуют факторы, ускоряющие или замедляющие окисление металла; два из них - наличие влажности и pH.

Зачем? Поскольку окисление металла с образованием оксида металла связано с переносом электронов. Они «перемещаются» от одного химического вещества к другому, если окружающая среда способствует этому, либо за счет присутствия ионов (H ⁺ , Na ⁺ , Mg ²⁺ , Cl ^- и т. Д.), Которые изменяют pH, либо за счет молекулы воды, обеспечивающие транспортные средства.

Аналитически тенденция металла к образованию соответствующего оксида отражается в его потенциалах восстановления, 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 притупляет.

Свойства неметаллических оксидов

Оксид магния, оксид металла.

Свойства оксидов металлов различаются в зависимости от металла и того, как он взаимодействует с анионом O ^2– . Это означает, что некоторые оксиды имеют более высокую плотность или растворимость в воде, чем другие. Однако все они имеют общий металлический характер, что неизбежно отражается на их основности.

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

основность

Основность оксидов металлов может быть подтверждена экспериментально с помощью кислотно-основного индикатора. Как? Добавление небольшого кусочка оксида в водный раствор с некоторым растворенным индикатором; Это может быть сжиженный сок пурпурной капусты.

Имея тогда диапазон цветов в зависимости от pH, оксид превратит сок в голубоватый цвет, соответствующий основному pH (со значениями от 8 до 10). Это связано с тем, что растворенная часть оксида выделяет ионы ОН ^- в среду, которые ответственны за изменение рН в указанном эксперименте.

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

МО + Н ₂ О => М (ОН) ₂

М (ОН) ₂ <=> М ²⁺ + 2ОН ^-

Второе уравнение - это равновесие растворимости гидроксида M (OH) ₂ . Обратите внимание, что металл имеет заряд 2+, что также означает, что его валентность равна +2. Валентность металла напрямую связана с его склонностью приобретать электроны.

Таким образом, чем положительнее валентность, тем выше его кислотность. В случае, если M имеет валентность +7, тогда оксид M ₂ O ₇ будет кислым, а не основным.

Амфотеризм

Оксиды металлов являются основными, однако не все они имеют одинаковый металлический характер. Откуда вы знаете? Найдите металл M на периодической таблице. Чем дальше вы находитесь от него и в периоды низкой активности, тем более металлическим он будет и, следовательно, тем более щелочным будет ваш оксид.

На границе между основными и кислыми оксидами (неметаллическими оксидами) находятся амфотерные оксиды. Здесь слово «амфотерный» означает, что оксид действует и как основание, и как кислота, так же как в водном растворе он может образовывать гидроксид или водный комплекс M (OH ₂ ) ₆ ²⁺ .

Водный комплекс представляет собой не что иное, как координацию n молекул воды с металлическим центром M. Для комплекса M (OH ₂ ) ₆ ²⁺ металл M ²⁺ окружен шестью молекулами воды и может рассматриваться как гидратированный катион. Многие из этих комплексов имеют интенсивную окраску, например, наблюдаемую для меди и кобальта.

Номенклатура

Как называются оксиды металлов? Это можно сделать тремя способами: традиционным, систематическим и стандартным.

Традиционная номенклатура

Чтобы правильно назвать оксид металла в соответствии с правилами, установленными IUPAC, необходимо знать возможные валентности металла M. Самому большому (наиболее положительному) присваивается суффикс -ico к названию металла, в то время как минор, приставка –oso.

Пример: учитывая валентности металла M +2 и +4, его соответствующие оксиды являются MO и MO ₂ . Если M от свинца, Pb, тогда оксид PbO Plumb будет нести, а оксид PbO ₂ PLUMB ico . Если металл имеет только одну валентность, его оксид обозначается суффиксом –ico. Таким образом, Na ₂ O представляет собой оксид натрия.

С другой стороны, префиксы гипо- и пер- добавляются, когда для металла доступны три или четыре валентности. Таким образом, Mn ₂ O ₇ является оксидом на основе Mangan ico , потому что Mn имеет валентность +7 больше всего.

Однако этот тип номенклатуры представляет определенные трудности и обычно используется меньше всего.

Систематическая номенклатура

Он учитывает количество атомов M и кислорода, которые составляют химическую формулу оксида. От них присваиваются соответствующие префиксы моно-, ди-, три-, тетра- и т. Д.

Если взять в качестве примера три недавних оксида металлов, PbO представляет собой монооксид свинца; Диоксид свинца PbO ₂ ; и Na ₂ O представляет собой монооксид динатрия. В случае ржавчины, Fe ₂ O ₃ , его соответствующее название - триоксид железа.

Номенклатура акций

В отличие от двух других номенклатур, в этой более важна валентность металла. Валентность обозначается римскими цифрами в скобках: (I), (II), (III), (IV) и т. Д. Оксид металла тогда называют оксидом металла (n).

Применяя номенклатуру акций к предыдущим примерам, мы имеем:

-PbO: оксид свинца (II).

-PbO ₂ : оксид свинца (IV).

-Na ₂ O: оксид натрия. Поскольку он имеет уникальную валентность +1, он не указывается.

-Fe ₂ O ₃ : оксид железа (III).

-Mn ₂ O ₇ : оксид марганца (VII).

Расчет числа валентности

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

Следовательно, если количество атомов кислорода известно из химической формулы, валентность металла может быть определена алгебраически, так что сумма зарядов равна нулю.

Mn ₂ O ₇ имеет семь атомов кислорода, поэтому его отрицательные заряды равны 7x (-2) = -14. Чтобы нейтрализовать отрицательный заряд -14, марганец должен давать +14 (14-14 = 0). Построив математическое уравнение, мы получаем:

2X - 14 = 0

Число 2 связано с наличием двух атомов марганца. Решение и решение для X, валентности металла:

Х = 14/2 = 7

Другими словами, каждый Mn имеет валентность +7.

Как они сформированы?

Влага и pH напрямую влияют на окисление металлов до соответствующих им оксидов. Присутствие СО ₂ , кислого оксида, может в достаточной степени растворяться в воде, которая покрывает металлическую часть, чтобы ускорить включение 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 в результате реакции между металлом и окружающим кислородом. Это может быть представлено химическим уравнением ниже:

2M (т) + O ₂ (г) => 2MO (т)

Эта реакция протекает медленно, так как кислород имеет прочную двойную связь O = O и электронный перенос между ним и металлом неэффективен.

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

Чем больше количество реагирующего кислорода, тем выше валентность или степень окисления металла. Зачем? Потому что кислород забирает у металла все больше и больше электронов, пока не достигнет максимальной степени окисления.

Это можно увидеть, например, для меди. Когда кусок металлической меди реагирует с ограниченным количеством кислорода, образуется Cu ₂ O (оксид меди (I), оксид одновалентной меди или монооксид дикобре):

4Cu (тв) + O ₂ (г) + Q (тепло) => 2Cu ₂ O (тв) (красное твердое вещество)

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

2Cu (т) + O ₂ (г) + Q (тепло) => 2CuO (т) (черное твердое вещество)

Реакция солей металлов с кислородом

Оксиды металлов могут образовываться в результате термического разложения. Чтобы это стало возможным, из исходного соединения (соли или гидроксида) должны высвободиться одна или две небольшие молекулы:

М (ОН) ₂ + Q => МО + Н ₂ О

OLS ₃ + Q => MO + CO ₂

2M (NO ₃ ) ₂ + Q => MO + 4NO ₂ + O ₂

Обратите внимание, что выделяющиеся молекулы - это H ₂ O, CO ₂ , NO ₂ и O ₂ .

Приложения

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

Каждый оксид металла находит очень специфическое применение, от питательного (ZnO и MgO) до цементных добавок (CaO) или просто в качестве неорганических пигментов (Cr ₂ O ₃ ).

Некоторые оксиды настолько плотны, что контролируемый рост слоя может защитить сплав или металл от дальнейшего окисления. Исследования даже показали, что окисление защитного слоя продолжается, как если бы это была жидкость, покрывающая все трещины или поверхностные дефекты металла.

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

Этот факт делает их объектом исследований для синтеза интеллектуальных материалов из-за их большой площади поверхности, которая используется для создания устройств, реагирующих на наименьшие физические воздействия.

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

Примеры

Оксиды железа

2Fe (s) + O ₂ (g) => 2FeO (s) оксид железа (II).

6FeO (s) + O ₂ (g) => 2Fe ₃ O ₄ (s) магнитный оксид железа.

Fe ₃ O ₄ , также известный как магнетит, представляет собой смешанный оксид; Это означает, что он состоит из твердой смеси FeO и Fe ₂ O ₃ .

4Fe ₃ O ₄ (s) + O ₂ (g) => 6Fe ₂ O ₃ (s) оксид железа (III).

Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов

И щелочные, и щелочноземельные металлы имеют только одну степень окисления, поэтому их оксиды более «просты»:

-Na ₂ O: оксид натрия.

-Li ₂ O: оксид лития.

-K ₂ O: оксид калия.

-CaO: оксид кальция.

-MgO: оксид магния.

-BeO: оксид бериллия (амфотерный оксид)

Оксиды группы IIIA (13)

Элементы IIIA группы (13) могут образовывать оксиды только со степенью окисления +3. Таким образом, они имеют химическую формулу M ₂ O _3, а их оксиды следующие:

-Al ₂ O ₃ : оксид алюминия.

-Ga ₂ O ₃ : оксид галлия.

-In ₂ O ₃ : оксид индия.

И наконец

-Tl ₂ O ₃ : оксид таллия.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр. 237.
2. АлонсоФормула. Оксиды металлов. Взято с: alonsoformula.com
3. Регенты Миннесотского университета (2018). Кислотно-основные характеристики оксидов металлов и неметаллов. Взято с: chem.umn.edu
4. Дэвид Л. Чендлер. (3 апреля 2018 г.). Самовосстанавливающиеся оксиды металлов могут защитить от коррозии. Взято с: news.mit.edu
5. Физические состояния и структура оксидов. Взято с: wou.edu
6. Quimitube. (2012). Окисление железа. Взято с: quimitube.com
7. Химия LibreTexts. Оксиды. Взято с сайта chem.libretexts.org
8. Кумар М. (2016) Металлооксидные наноструктуры: рост и приложения. В: Хусейн М., Хан З. (ред.) Достижения в области наноматериалов. Расширенные структурированные материалы, том 79, Спрингер, Нью-Дели