Proprietăți, nomenclatură, utilizări și exemple de oxizi metalici

oxizi metalici Sunt compuși anorganici constituiți din cationi metalici și oxigen. Ele cuprind în general un număr mare de solide ionice, în care anionul oxid (O^Două-) interacționează electrostatic cu specia M⁺.

M⁺ Orice cation care derivă din metalul pur este astfel: de la metalele alcaline și de tranziție, cu excepția unor metale nobile (cum ar fi aurul, platina și paladiul), până la cele mai grele elemente ale blocului p al tabelului periodic (cum ar fi plumb și bismut).

Imaginea de mai sus prezintă 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. Din punct de vedere 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 cristalină a metalului..

Când se întâmplă acest lucru, volumul metalului crește și interacțiunile originale slăbesc, provocând ruperea solidului. La fel, aceste fisuri permit ca mai multe molecule de oxigen să pătrundă în straturile metalice interne, mâncând complet bucata din interior..

Cu toate acestea, 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. Aceștia „călătoresc” de la o specie chimică la alta atâta timp cât mediul o facilitează, fie prin prezența ionilor (H⁺, N / A⁺, Mg^Două+, Cl^-, etc.), care modifică pH-ul, sau de către moleculele de apă care asigură mediul 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..

Indice articol

• 1 Proprietățile oxizilor nemetalici
  • 1.1 Basicitatea
  • 1.2 Amfotericism
• 2 Nomenclatură
  • 2.1 Nomenclatura tradițională
  • 2.2 Nomenclatura sistematică
  • 2.3 Nomenclatura stocului
  • 2.4 Calculul numărului de valență
• 3 Cum sunt formate?
  • 3.1 Reacția directă a metalului cu oxigenul
  • 3.2 Reacția sărurilor metalice cu oxigenul
• 4 utilizări
• 5 Exemple
  • 5.1 Oxizi de fier
  • 5.2 Oxizi alcalini și alcalino-pământoși
  • 5.3 Grupa IIIA oxizi (13)
• 6 Referințe

Proprietățile oxizilor nemetalici

Proprietățile oxizilor metalici variază în funcție de metal și de modul în care acesta interacționează cu anionul O^Două-. Aceasta înseamnă că unii oxizi au densități sau solubilități mai mari în apă decât altele. Cu toate acestea, toate au în comun caracterul metalic, care se reflectă inevitabil în elementalitatea sa..

Cu alte cuvinte: sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de anhidride bazice sau oxizi bazici.

Basicitate

Basicitatea oxizilor metalici poate fi testată experimental utilizând un indicator acid-bazic. Cum? Adăugarea unei bucăți mici de oxid la o soluție apoasă cu un indicator dizolvat; acesta poate fi sucul lichefiat de varză purpurie.

Având apoi gama de culori în funcție de pH, oxidul va transforma sucul în culori albăstrui, corespunzător pH-ului de bază (cu valori cuprinse între 8 și 10). Acest lucru se datorează faptului că porțiunea dizolvată a oxidului eliberează ioni OH.^- la mediu, acestea fiind în experimentul respectiv responsabile de modificarea pH-ului.

Astfel, pentru un MO oxid care este solubilizat în apă, acesta este transformat în hidroxid metalic (un „oxid hidratat”) în conformitate cu următoarele ecuații chimice:

MO + H_DouăO => M (OH)_Două

M (OH)_Două <=> M^Două+ + 2OH^-

A doua ecuație este echilibrul de solubilitate al hidroxidului M (OH)_Două. 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 acesteia este mai mare. În cazul în care M a avut o valență de +7, atunci oxidul M_DouăSAU₇ ar fi acid și nu bazic.

Amfotericism

Oxizii metalici sunt de bază, totuși nu au toți același caracter metalic. De unde știți? Localizarea metalului M pe tabelul periodic. Cu cât vă aflați mai departe în stânga acestuia și, în perioadele scăzute, cu atât va fi mai metalic și, prin urmare, cu cât oxidul dvs. va fi mai bazic..

La granița dintre oxizii bazici și acizi (oxizi nemetalici) sunt oxizi amfoteri. Aici cuvântul „amfoteric” înseamnă că oxidul acționează atât ca bază, cât și ca acid, ceea ce este același ca și în soluția apoasă poate forma hidroxidul sau complexul apos M (OH_Două)₆^Două+.

Complexul apos nu este altceva decât coordonarea n molecule de apă cu centrul metalic M. Pentru complexul M (OH_Două)₆^Două+, metal M^Două+ este înconjurat de șase molecule de apă și poate fi gândit ca un cation hidratat. Multe dintre aceste complexe prezintă colorații intense, cum ar fi cele observate pentru cupru și cobalt.

Nomenclatură

Cum se numesc oxizii metalici? Există trei moduri de a face acest lucru: tradițional, sistematic și stoc.

Nomenclatura tradițională

Pentru a denumi corect oxidul metalic în conformitate cu regulile guvernate de IUPAC, este necesar să se cunoască valențele posibile ale metalului M. Cea mai mare (cea mai pozitivă) este atribuită sufixului -ico denumirii metalului, în timp ce minorul, prefix -oso.

Exemplu: având în vedere valențele +2 și +4 ale metalului M, oxizii săi corespunzători sunt MO și MO_Două. Dacă M ar fi plumb, Pb, atunci PbO ar fi oxid de plumburs, și PbO_Două oxid de plumbico. Dacă metalul are o singură valență, oxidul său este numit cu sufixul -ico. Deci, Na_DouăSau este oxid de sodiu.

Pe de altă parte, prefixele hipo- și per- se adaugă atunci când există trei sau patru valențe disponibile pentru metal. În acest fel, Mn_DouăSAU₇ este rugină pemanganico, deoarece Mn are valență +7, cea mai mare dintre toate.

Cu toate acestea, acest tip de nomenclatură prezintă anumite dificultăți și este de obicei cel mai puțin utilizat.

Nomenclatura sistematică

Se ia în considerare numărul de atomi de M și oxigen care alcătuiesc formula chimică a oxidului. De la acestea, li se atribuie prefixele corespunzătoare mono-, di-, tri-, tetra- etc..

Luând drept exemplu cei trei oxizi metalici recenți, PbO este monoxid de plumb; PbO_Două dioxid de plumb; iar Na_DouăSau monoxid de disodiu. Pentru cazul ruginii, Fe_DouăSAU₃, denumirea respectivă este dihierro trioxid.

Nomenclatura stocului

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 numit apoi oxid de metal (n).

Aplicând nomenclatura stoc pentru exemplele anterioare, avem:

-PbO: oxid de plumb (II).

-PbO_Două: oxid de plumb (IV).

-N / A_DouăO: oxid de sodiu. Deoarece are o valență unică de +1, nu este specificat.

-Credinţă_DouăSAU₃: oxid de fier (III).

-Mn_DouăSAU₇: oxid de mangan (VII).

Calculul numărului de valență

Dar, dacă nu aveți un tabel periodic cu valențele, cum le puteți determina? Pentru aceasta trebuie amintit că anionul O^Două- contribuie cu două sarcini negative la oxidul metalic. Urmând principiul neutralității, aceste sarcini negative trebuie neutralizate cu cele pozitive ale metalului.

Prin urmare, dacă numărul oxigenilor este cunoscut din formula chimică, valența metalului poate fi determinată algebric, astfel încât suma sarcinilor să dea zero.

Mn_DouăSAU₇ are șapte oxigeni, deci sarcinile sale negative sunt egale cu 7x (-2) = -14. Pentru a neutraliza sarcina negativă de -14, manganul trebuie să contribuie cu +14 (14-14 = 0). Creșterea ecuației matematice avem atunci:

2X - 14 = 0

Cei 2 provin din faptul că există doi atomi de mangan. Rezolvarea și rezolvarea pentru 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 lor corespunzători. Prezența CO_Două, oxid acid, poate fi dizolvat suficient în apa care acoperă partea metalică pentru a accelera încorporarea oxigenului sub formă anionică la structura cristalină a metalului.

Această reacție poate fi accelerată și cu o creștere a temperaturii, mai ales atunci când doriți să obțineți oxidul într-un timp scurt..

Reacția directă a metalului cu oxigenul

Oxizii metalici se formează ca produs al reacției dintre metal și oxigenul din jur. Aceasta poate fi reprezentată de ecuația chimică de mai jos:

2M (s) + O_Două(g) => 2MO (s)

Această reacție este lentă, deoarece oxigenul are o legătură dublă O = O puternică, iar transferul electronic între acesta și metal este ineficient..

Cu toate acestea, accelerează considerabil odată cu creșterea temperaturii și a suprafeței. Acest lucru se datorează faptului că se asigură energia necesară pentru a sparge legătura dublă O = O și, deoarece există o suprafață mai mare, oxigenul se deplasează uniform în tot metalul, ciocnind în același timp cu atomii metalici..

Cu cât este mai mare cantitatea de oxigen care reacționează, cu atât este mai mare numărul de valențe sau oxidare rezultat pentru metal. De ce? Deoarece oxigenul ia din ce în ce mai mulți electroni din metal, 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_DouăO (oxid de cupru (I), oxid cupros sau monoxid de dicobre):

4Cu (s) + O_Două(g) + Q (căldură) => 2Cu_DouăO (s) (roșu solid)

Dar când reacționează în cantități echivalente, se obține CuO (oxid de cupru (II), oxid cupric sau monoxid de cupru):

2Cu (s) + O_Două(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 inițial (o sare sau un hidroxid):

M (OH)_Două + Q => MO + H_DouăSAU

MCO₃ + Q => MO + CO_Două

2M (NR₃)_Două + Q => MO + 4NO_Două + SAU_Două

Rețineți că H_DouăO, CO_Două, NU_Două pe mine_Două 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 de metal găsește utilizări foarte specifice, de la nutrițional (ZnO și MgO) la aditivi de ciment (CaO) sau pur și simplu ca pigmenți anorganici (Cr_DouăSAU₃).

Unii oxizi sunt atât de densi încât creșterea controlată a stratului poate proteja un aliaj sau un metal de oxidare ulterioară. Studiile au arătat 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 lua structuri fascinante, fie ca nanoparticule, fie ca agregate mari de polimeri..

Acest fapt le 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..

La fel, 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_Două(g) => 2FeO (s) oxid de fier (II).

6FeO (s) + O_Două(g) => 2Fe₃SAU₄oxid de fier magnetic.

Credinţă₃SAU₄, cunoscut și sub numele de magnetit, este un oxid mixt; Aceasta înseamnă că constă dintr-un amestec solid de FeO și Fe_DouăSAU₃.

4Fe₃SAU₄(s) + O_Două(g) => 6Fe_DouăSAU₃oxid de fier (III).

Oxizi alcalini și alcalino-pământoși

Atât metalele alcaline, cât și cele alcalino-pământoase au un singur număr de oxidare, deci oxizii lor sunt mai „simpli”:

-N / A_DouăO: oxid de sodiu.

-Li_DouăO: oxid de litiu.

-K_DouăO: oxid de potasiu.

-CaO: oxid de calciu.

-MgO: oxid de magneziu.

-BeO: oxid de beriliu (care este un oxid amfoteric)

Grupa IIIA oxizi (13)

Elementele grupului IIIA (13) pot forma oxizi numai cu un număr de oxidare de +3. Astfel, au formula chimică M_DouăSAU₃ și oxizii săi sunt următorii:

-Pentru_DouăSAU₃: oxid de aluminiu.

-Ga_DouăSAU₃: oxid de galiu.

-În_DouăSAU₃: oxid de indiu.

Și, în sfârșit

-Tl_DouăSAU₃: oxid de taliu.

Referințe

1. Whitten, Davis, Peck și Stanley. Chimie. (Ed. A VIII-a). CENGAGE Learning, p. 237.
2. AlonsoFormula. Oxizi metalici. Luat de pe: alonsoformula.com
3. Regents of the University of Minnesota. (2018). Caracteristicile acido-bazice ale oxizilor metalici și nemetali. Luat din: chem.umn.edu
4. David L. Chandler. (3 aprilie 2018). Oxizii metalici autovindecabili ar putea proteja împotriva coroziunii. Luat de la: news.mit.edu
5. Stările fizice și structurile oxizilor. Luat din: wou.edu
6. Quimitube. (2012). Oxidarea fierului. Luat de pe: quimitube.com
7. Chimie LibreTexte. Oxizi. Preluat de pe: chem.libretexts.org
8. Kumar M. (2016) Nanostructuri de oxid de metal: creștere și aplicații. În: Husain M., Khan Z. (eds) Advances in Nanomaterials. Advanced Structured Materials, vol 79. Springer, New Delhi