- Nemetālisko oksīdu īpašības
- Pamatiskums
- Amfoterisms
- Nomenklatūra
- Tradicionālā nomenklatūra
- Sistemātiska nomenklatūra
- Akciju nomenklatūra
- Valences skaitļa aprēķins
- Kā viņi veidojas?
- Metāla tieša reakcija ar skābekli
- Metālu sāļu reakcija ar skābekli
- Lietojumprogrammas
- Piemēri
- Dzelzs oksīdi
- Sārmu un sārmzemju oksīdi
- IIIA grupas oksīdi (13)
- Atsauces
Metāla oksīdi ir neorganiski savienojumi, kas sastāv no metālu katjoniem un skābekļa. Tās parasti satur lielu skaitu jonu cietvielu, kurās oksīda anjons (O 2– ) elektrostatiski mijiedarbojas ar M + sugām .
M + ir tāds pats kā jebkurš katjons, kas rodas no tīra metāla: no sārmiem un pārejas metāliem, izņemot dažus cēlmetālus (piemēram, zeltu, platīnu un pallādiju), līdz tabulas p bloka vissmagākajiem elementiem periodiski (piemēram, svins un bismuts).
Avots: Pixabay.
Augšējā attēlā redzama dzelzs virsma, ko klāj sarkanīgi garozas. Šīs "kraupi" ir tā sauktās rūsa vai rūsa, kas savukārt uzskatāmi parāda metāla oksidāciju apkārtējās vides apstākļu ietekmē. Ķīmiski rūsa ir hidratēts dzelzs (III) oksīdu maisījums.
Kāpēc metāla oksidēšana noved pie tā virsmas degradācijas? Tas ir saistīts ar skābekļa iekļaušanu metāla kristāla struktūrā.
Kad tas notiek, metāla tilpums palielinās un sākotnējā mijiedarbība vājina, izraisot cietās vielas plīsumus. Tāpat šīs plaisas ļauj vairāk skābekļa molekulām iekļūt iekšējos metāla slāņos, pilnībā apēdot gabalu no iekšpuses.
Tomēr šis process notiek ar dažādu ātrumu un ir atkarīgs no metāla rakstura (tā reaģētspējas) un fiziskajiem apstākļiem, kas to ieskauj. Tāpēc ir faktori, kas paātrina vai palēnina metāla oksidāciju; divi no tiem ir mitruma un pH klātbūtne.
Kāpēc? Tā kā metāla oksidēšana, lai iegūtu metāla oksīdu, ietver elektronu pārnešanu. Šie “pārvietojas” no vienas ķīmiskās sugas uz otru, ja vien vide to atvieglo vai nu ar jonu (H + , Na + , Mg 2+ , Cl - utt.) Klātbūtni , kas maina pH, vai ūdens molekulas, kas nodrošina pārvietošanās līdzekļus.
Analītiski metāla tendence veidot atbilstošu oksīdu tiek atspoguļota tā reducēšanas potenciālos, kas atklāj, kurš metāls reaģē ātrāk, salīdzinot ar citu.
Piemēram, zeltam ir daudz lielāks reducēšanas potenciāls nekā dzelzs, tāpēc tas mirdz ar raksturīgo zelta mirdzumu bez oksīda, lai to apbēdinātu.
Nemetālisko oksīdu īpašības
Magnija oksīds, metāla oksīds.
Metāla oksīdu īpašības atšķiras atkarībā no metāla un tā mijiedarbības ar O 2– anjonu . Tas nozīmē, ka dažiem oksīdiem ir lielāks blīvums vai šķīdība ūdenī nekā citiem. Tomēr viņiem visiem ir kopīgs metāla raksturs, kas neizbēgami atspoguļojas viņu pamatīgumā.
Citiem vārdiem sakot: tos sauc arī par bāzes anhidrīdiem vai pamata oksīdiem.
Pamatiskums
Metālu oksīdu pamatīgumu eksperimentāli var pārbaudīt, izmantojot skābes bāzes indikatoru. Kā? Pievienojiet nelielu oksīda gabalu ūdens šķīdumam ar nedaudz izšķīduša indikatora; Tas var būt purpura kāpostu sašķidrināta sula.
Pēc tam, kad krāsu diapazons ir atkarīgs no pH līmeņa, oksīds sulu pārvērtīs zilganā krāsā, kas atbilst pamata pH (ar vērtībām no 8 līdz 10). Tas ir saistīts ar to, ka izšķīdušā daļa no oksīda izmešiem OH - jonu uz nesēja, jo tās ir atbildīgs par izmaiņām pH minētajā eksperimentā.
Tādējādi ūdenī izšķīdinātam MO oksīdam tas tiek pārveidots metāliskā hidroksīdā (“hidratēts oksīds”) saskaņā ar šādiem ķīmiskajiem vienādojumiem:
MO + H 2 O => M (OH) 2
M (OH) 2 <=> M 2+ + 2OH -
Otrais vienādojums ir hidroksīda M (OH) 2 šķīdības līdzsvars . Ņemiet vērā, ka metālam ir 2+ lādiņš, kas arī nozīmē, ka tā valence ir +2. Metāla valence ir tieši saistīta ar tā tendenci iegūt elektronus.
Tādā veidā, jo pozitīvāka valence, jo lielāks tās skābums. Ja M valence ir +7, tad oksīds M 2 O 7 būtu skābs un ne bāzisks.
Amfoterisms
Metāla oksīdi ir pamata, tomēr visiem tiem nav vienāds metāla raksturs. Kā tu zini? Metāla M atrašanās periodiskajā tabulā. Jo tālāk jūs pa kreisi no tā un zemākos periodos, jo metāliskāks tas būs un tāpēc jo pamatīgāks būs jūsu oksīds.
Uz robežas starp bāzes un skābiem oksīdiem (nemetāliski oksīdi) ir amfotēriskie oksīdi. Šeit vārds “amfotērisks” nozīmē, ka oksīds darbojas gan kā bāze, gan kā skābe, kas ir tāda pati kā ūdens šķīdumā, un tas var veidot hidroksīdu vai ūdens kompleksu M (OH 2 ) 6 2+ .
Ūdens komplekss ir nekas cits kā n ūdens molekulu koordinācija ar metāla centru M. M (OH 2 ) 6 2+ kompleksam metālu M 2+ ieskauj sešas ūdens molekulas, un to var uzskatīt par hidratēts katjons. Daudzos no šiem kompleksiem ir intensīva krāsa, piemēram, vara un kobalta krāsās.
Nomenklatūra
Kā tiek nosaukti metāla oksīdi? To var izdarīt trīs veidos: tradicionālais, sistemātiskais un krājums.
Tradicionālā nomenklatūra
Lai pareizi nosauktu metāla oksīdu saskaņā ar IUPAC noteikumiem, ir jāzina iespējamie metāla valences. Lielākajam (vispozitīvākajam) metāla nosaukumam ir piešķirts piedēklis -ico, savukārt mazsvarīgs, priedēklis –oso.
Piemērs: ņemot vērā metāla M +2 un +4 valenci, tam atbilstošie oksīdi ir MO un MO 2 . Ja M atdalītu no svina, Pb, tad sedzētu oksīds PbO Plumb , un PbO 2 oksīds PLUMB ico . Ja metālam ir tikai viena valence, tā oksīdu apzīmē ar piedēkli –ico. Tādējādi Na 2 O ir nātrija oksīds.
No otras puses, priedēkļi hypo- un perf tiek pievienoti, ja metālam ir pieejamas trīs vai četras valences. Tādējādi Mn 2 O 7 ir oksīds uz Mangan ico , jo Mn valence galvenokārt ir.
Tomēr šāda veida nomenklatūra rada zināmas grūtības, un parasti to izmanto vismazāk.
Sistemātiska nomenklatūra
Tajā tiek ņemts vērā M un skābekļa atomu skaits, kas veido oksīda ķīmisko formulu. No tiem tiek piešķirti attiecīgi prefiksi mono-, di-, tri-, tetra- utt.
Par piemēru ņemot trīs nesenos metāla oksīdus, PbO ir svina monoksīds; PbO 2 svina dioksīds; un Na 2 O ir dinātrija monoksīds. Rūsas, Fe 2 O 3 , attiecīgais nosaukums ir dzelzs trioksīds.
Akciju nomenklatūra
Atšķirībā no pārējām divām nomenklatūrām, šajā vienā metāla svarīgums ir svarīgāks. Valenci norāda ar romiešu cipariem iekavās: (I), (II), (III), (IV) utt. Tad metāla oksīdu sauc par metāla (n) oksīdu.
Izmantojot iepriekšējo piemēru krājumu nomenklatūru, mums ir:
-PbO: svina (II) oksīds.
-PbO 2 : svina (IV) oksīds.
-Na 2 O: nātrija oksīds. Tā kā tam ir unikāls valence +1, tas nav norādīts.
-Fe 2 O 3 : dzelzs (III) oksīds.
-Mn 2 O 7 : mangāna (VII) oksīds.
Valences skaitļa aprēķins
Bet, ja jums nav periodiskas tabulas ar valentēm, kā tos noteikt? Tam mums jāatceras, ka anjons O 2– dod divus negatīvus lādiņus metāla oksīdā. Ievērojot neitralitātes principu, šie negatīvie lādiņi jāneitralizē ar pozitīvajiem metāliem.
Tāpēc, ja skābekļu skaits ir zināms no ķīmiskās formulas, metāla valenci var noteikt algebriski tā, lai lādiņu summa būtu nulle.
Mn 2 O 7 ir septiņi skābekļi, tāpēc tā negatīvie lādiņi ir vienādi ar 7x (-2) = -14. Lai neitralizētu negatīvo lādiņu -14, mangānam jāpiedalās +14 (14-14 = 0). Izliekot matemātisko vienādojumu, kas mums ir šāds:
2X - 14 = 0
2 rodas tāpēc, ka ir divi mangāna atomi. Atrisinot un risinot X, metāla valence:
X = 14/2 = 7
Citiem vārdiem sakot, katra Mn valence ir +7.
Kā viņi veidojas?
Mitrums un pH tieši ietekmē metālu oksidāciju attiecīgajos oksīdos. CO 2 , skāba oksīda klātbūtne var pietiekami izšķīst ūdenī, kas pārklāj metāla daļu, lai paātrinātu skābekļa pievienošanu anjonu formā metāla kristāla struktūrā.
Šo reakciju var arī paātrināt ar temperatūras paaugstināšanos, it īpaši, ja ir vēlams īsā laikā iegūt oksīdu.
Metāla tieša reakcija ar skābekli
Metāla oksīdi veidojas kā reakcija starp metālu un apkārtējo skābekli. To var attēlot ar šādu ķīmisko vienādojumu:
2M (s) + O 2 (g) => 2MO (s)
Šī reakcija ir lēna, jo skābeklim ir spēcīga O = O dubultā saite un elektroniskā pārnešana starp to un metālu nav efektīva.
Tomēr tas ievērojami paātrinās, palielinoties temperatūrai un virsmas laukumam. Tas ir saistīts ar faktu, ka tiek nodrošināta nepieciešamā enerģija, lai sašķeltu O = O dubultsaiti, un, tā kā ir lielāks laukums, skābeklis vienmērīgi pārvietojas pa visu metālu, vienlaikus saduroties ar metāla atomiem.
Jo lielāks ir reaģējošā skābekļa daudzums, jo lielāks metālam ir valences vai oksidācijas skaitlis. Kāpēc? Tā kā skābeklis no metāla ņem arvien vairāk elektronu, līdz tas sasniedz augstāko oksidācijas numuru.
To var redzēt, piemēram, attiecībā uz varu. Kad gabals no metāliskiem vara reaģē ar ierobežotu skābekļa daudzumu, Cu 2 O veidojas (vara (I) oksīds, vara oksīda formā, vai dicobre monoksīds):
4Cu (s) + O 2 (g) + Q (siltums) => 2Cu 2 O (s) (sarkans ciets)
Bet, reaģējot līdzvērtīgos daudzumos, iegūst CuO (vara (II) oksīdu, vara oksīdu vai vara monoksīdu):
2Cu (s) + O 2 (g) + Q (siltums) => 2CuO (s) (melna cieta viela)
Metālu sāļu reakcija ar skābekli
Termiskās sadalīšanās laikā var veidoties metāla oksīdi. Lai tas būtu iespējams, no sākuma savienojuma (sāls vai hidroksīda) jāatbrīvo viena vai divas mazas molekulas:
M (OH) 2 + Q => MO + H 2 O
OLS 3 + Q => MO + CO 2
2M (NO 3 ) 2 + Q => MO + 4NO 2 + O 2
Ņemiet vērā, ka H 2 O, CO 2 , NO 2 un O 2 ir atbrīvotās molekulas.
Lietojumprogrammas
Sakarā ar bagātīgo metālu sastāvu zemes garozā un skābekli atmosfērā, metālu oksīdi ir atrodami daudzos mineraloģiskos avotos, no kuriem var iegūt stabilu pamatu jaunu materiālu ražošanai.
Katram metāla oksīdam ir ļoti specifisks pielietojums - no uztura (ZnO un MgO) līdz cementa piedevām (CaO) vai vienkārši kā neorganiskiem pigmentiem (Cr 2 O 3 ).
Daži oksīdi ir tik blīvi, ka kontrolēta slāņa augšana var pasargāt sakausējumu vai metālu no turpmākas oksidācijas. Pētījumos ir pat atklāts, ka aizsargslāņa oksidēšana turpinās tā, it kā tas būtu šķidrums, kas pārklāj visas metāla plaisas vai virspusējos defektus.
Metāla oksīdi var uzņemt aizraujošas struktūras vai nu kā nanodaļiņas, vai kā lielus polimēru agregātus.
Šis fakts padara tos par viedo materiālu sintēzes pētījumu objektiem, ņemot vērā to lielo virsmas laukumu, ko izmanto tādu ierīču projektēšanai, kuras reaģē uz vismazāko fizisko stimulu.
Turklāt metāla oksīdi ir izejviela daudzām tehnoloģiskām vajadzībām, sākot ar spoguļiem un keramiku, kam ir unikālas elektronisko iekārtu īpašības, līdz pat saules paneļiem.
Piemēri
Dzelzs oksīdi
2Fe (s) + O 2 (g) => 2FeO (s) dzelzs (II) oksīds.
6FeO (s) + O 2 (g) => 2Fe 3 O 4 (s) magnētiskais dzelzs oksīds.
Fe 3 O 4 , pazīstams arī kā magnetīts, ir jaukts oksīds; Tas nozīmē, ka tas sastāv no cieta FeO un Fe 2 O 3 maisījuma .
4Fe 3 O 4 (s) + O 2 (g) => 6Fe 2 O 3 (s) dzelzs (III) oksīds.
Sārmu un sārmzemju oksīdi
Gan sārmiem, gan sārmzemju metāliem ir tikai viens oksidācijas skaitlis, tāpēc to oksīdi ir “vienkāršāki”:
-Na 2 O: nātrija oksīds.
-Li 2 O: litija oksīds.
-K 2 O: kālija oksīds.
-CaO: kalcija oksīds.
-MgO: magnija oksīds.
-BeO: berilija oksīds (kas ir amfotēriskais oksīds)
IIIA grupas oksīdi (13)
IIIA grupas elementi (13) var veidot oksīdus tikai ar oksidācijas numuru +3. Tādējādi viņiem ir ķīmiskā formula M 2 O 3, un to oksīdi ir šādi:
-Al 2 O 3 : alumīnija oksīds.
-Ga 2 O 3 : gallija oksīds.
-In 2 O 3 : indija oksīds.
Un visbeidzot
-Tl 2 O 3 : tallija oksīds.
Atsauces
- Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. Ķīmija. (8. izd.). CENGAGE mācīšanās, 237. lpp.
- AlonsoFormula. Metāla oksīdi. Iegūts no: alonsoformula.com
- Minesotas Universitātes reģenti. (2018). Metālu un nemetālu oksīdu skābes bāzes raksturojums. Paņemts no: chem.umn.edu
- Deivids L. Čandlers. (2018. gada 3. aprīlis). Pašdziedinoši metāla oksīdi varētu aizsargāt pret koroziju. Paņemts no: news.mit.edu
- Oksīdu fizikālie stāvokļi un struktūras. Nākts no: wou.edu
- Quimitube. (2012). Dzelzs oksidēšana. Iegūts no: quimitube.com
- Ķīmija LibreTexts. Oksīdi. Paņemts no: chem.libretexts.org
- Kumars M. (2016) Metāla oksīda nanostruktūras: izaugsme un pielietojums. In: Husain M., Khan Z. (red.) Avansi nanomateriālos. Uzlaboti strukturēti materiāli, 79. lpp. Springer, Ņūdeli