МЕТАЛНИ ОКСИДИ: СВОЙСТВА, НОМЕНКЛАТУРА, ПРИЛОЖЕНИЯ И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

Металните оксиди са неорганични съединения, изградени от метални катиони и кислород. Обикновено съдържат огромен брой йонни твърди частици, в които оксидният анион (O ^2–) взаимодейства електростатично с вида М ⁺.

M ⁺ е този всеки катион, който произлиза от чистия метал: от алкални и преходни метали, с изключение на някои благородни метали (като злато, платина и паладий), до най-тежките елементи на блок p на таблицата периодични (като олово и бисмут).

Източник: Pixabay

Изображението по-горе показва желязна повърхност, покрита от червеникави корички. Тези "струпеи" са онова, което е известно като ръжда или ръжда, които от своя страна представляват визуални доказателства за окисляването на метала в резултат на условията на неговата среда. Химически, ръждата е хидратирана смес от железни (III) оксиди.

Защо окисляването на метала води до разграждане на повърхността му? Това се дължи на включването на кислород в кристалната структура на метала.

Когато това се случи, обемът на метала се увеличава и оригиналните взаимодействия отслабват, което води до разрушаване на твърдото вещество. По същия начин тези пукнатини позволяват повече кислородни молекули да проникнат във вътрешните метални слоеве, напълно изяждайки парчето отвътре.

Този процес обаче протича с различна скорост и зависи от естеството на метала (неговата реактивност) и физическите условия, които го заобикалят. Следователно има фактори, които ускоряват или забавят окисляването на метала; две от тях са наличието на влажност и pH.

Защо? Тъй като окисляването на метала за получаване на метален оксид включва пренос на електрони. Тези „пътувания“ от един химичен вид до друг, стига околната среда да го улеснява, или чрез наличието на йони (H ⁺, Na ⁺, Mg ²⁺, Cl ^- и т.н.), които променят pH, или чрез водните молекули, които осигуряват транспортното средство.

Аналитично тенденцията на метала да образува съответния оксид се отразява в неговите редукционни потенциали, които разкриват кой метал реагира по-бързо в сравнение с друг.

Златото например има много по-голям редукционен потенциал от желязото, поради което блести с характерния си златист блясък без оксид, за да го затъпи.

Свойства на неметалните оксиди

Магнезиев оксид, метален оксид.

Свойствата на метални оксиди варират в зависимост от метала и как тя взаимодейства с О ^2- анион. Това означава, че някои оксиди имат по-голяма плътност или разтворимост във вода от други. Всички те обаче имат общ метален характер, което неминуемо се отразява в тяхната основополагане.

С други думи: те са известни също като основни анхидриди или основни оксиди.

валентност

Основността на металните оксиди може да бъде проверена експериментално, като се използва киселинно-алкален индикатор. Как? Добавяне на малко парче от оксида към воден разтвор с малко разтворен индикатор; Това може да бъде втечният сок от лилавото зеле.

След като има диапазона от цветове в зависимост от pH, оксидът ще превърне сока в синкави цветове, съответстващи на основно рН (със стойности между 8 и 10). Това се дължи на факта, че разтворената част на оксида отделя ОН ^- йони в средата, които са отговорни за промяната на pH в споменатия експеримент.

По този начин, за оксид MO, който се разтваря във вода, той се трансформира в метален хидроксид („хидратиран оксид“) съгласно следните химични уравнения:

Mo + H ₂ O => М (ОН) ₂

M (OH) ₂ <=> M ²⁺ + 2OH ^-

Второто уравнение е равновесието на разтворимостта на хидроксида М (OH) ₂. Обърнете внимание, че металът има заряд 2+, което също означава, че неговата валентност е +2. Валентността на метала е пряко свързана с тенденцията му да натрупва електрони.

По този начин, колкото по-положителна е валентността, толкова по-голяма е нейната киселинност. В случай, че М има валентност на седем, тогава оксид М ₂ O ₇ ще бъде кисела и не основен.

Amphotericism

Металните оксиди са основни, но не всички имат същия метален характер. Откъде знаеш? Намиране на метала M на периодичната таблица. Колкото по-далече сте вляво от него и в ниски периоди, толкова по-метален е той и следователно, толкова по-основен ще бъде вашият оксид.

На границата между основни и кисели оксиди (неметални оксиди) са амфотерни оксиди. Тук думата "амфотерна" означава, че оксидът действа и като основа, и като киселина, която е същата като във воден разтвор, може да образува хидроксида или водния комплекс М (OH ₂) ₆ ²⁺.

Водният комплекс не е нищо повече от координацията на n водни молекули с металния център M. За комплекса M (OH ₂) ₆ ²⁺ металът M2 ⁺ е заобиколен от шест водни молекули и може да се разглежда като хидратиран катион. Много от тези комплекси показват интензивно оцветяване, като тези, които се наблюдават за мед и кобалт.

номенклатура

Как се наричат ​​металните оксиди? Има три начина да го направите: традиционен, систематичен и запасен.

Традиционна номенклатура

За правилното наименование на металния оксид съгласно правилата, управлявани от IUPAC, е необходимо да се знаят възможните валентности на метала M. Най-голямата (най-положителната) е присвоена наставка -ico към името на метала, докато второстепенно, префиксът - също.

Пример: предвид +2 и +4 валенциите на метала М, съответстващи си оксиди са MO и MO ₂. Ако M изключи оловото, Pb, тогава би понесъл оксид PbO Plumb и PbO ₂ оксид PLUMB ico. Ако металът има само една валентност, неговият оксид е кръстен със суфикса –ico. Така, Na ₂ O е натриев оксид.

От друга страна, префиксите хипо- и пер- се добавят, когато има три или четири валентности за метала. По този начин, Mn ₂ O ₇ е окис на Манган ICO, защото има Мп 7 валентността, най-вече.

Този тип номенклатура обаче създава определени трудности и обикновено се използва най-малко.

Систематична номенклатура

В него се разглежда броят на М и кислородните атоми, съставляващи химическата формула на оксида. От тях се присвояват съответните префикси моно-, ди-, три-, тетра- и т.н.

Вземайки за пример трите скорошни метални оксида, PbO е оловен моноксид; PbO ₂ оловен диоксид; и Na ₂ O е динатриев оксид. В случай на ръжда, Fe ₂ O ₃, нейното съответно наименование е ди железен триоксид.

Фондова номенклатура

За разлика от другите две номенклатури, в тази е валентността на метала по-важна. Валентността се определя от римски цифри в скоби: (I), (II), (III), (IV) и т.н. След това металният оксид се нарича метален (n) оксид.

Прилагайки номенклатурата на акциите за предишните примери, имаме:

-PbO: оловен (II) оксид.

-PbO ₂: оловен (IV) оксид.

-Na ₂ O: натриев оксид. Тъй като има уникална валентност +1, тя не е уточнена.

-Fe ₂ O ₃: желязо (III) оксид.

-Mn ₂ O ₇: манган (VII) оксид.

Изчисляване на валентното число

Но ако нямате периодична таблица с валентностите, как можете да ги определите? За това ние трябва да помним, че на аниони О ^2- допринася две отрицателни заряди на метален оксид. Следвайки принципа на неутралност, тези отрицателни заряди трябва да бъдат неутрализирани с положителните на метала.

Следователно, ако броят на кислородите е известен от химическата формула, валентността на метала може да бъде определена алгебрично, така че сумата от зарядите да е нула.

Mn ₂ O ₇ има седем кислорода, така че отрицателните му заряди са равни на 7x (-2) = -14. За да неутрализира отрицателния заряд от -14, манганът трябва да допринесе +14 (14-14 = 0). Поставяйки математическото уравнение имаме след това:

2X - 14 = 0

Двата произлизат от факта, че има два манганови атома. Разрешаване и решаване на X, валентността на метала:

X = 14/2 = 7

С други думи, всеки Mn има валентност от +7.

Как се формират?

Влагата и pH пряко влияят върху окисляването на металите в съответните им оксиди. Наличието на СО ₂, киселинен оксид, може да се разтвори достатъчно във водата, която обхваща металната част да ускори включването на кислород в анионна форма в кристалната структура на метала.

Тази реакция може да се ускори и с повишаване на температурата, особено когато е желателно да се получи оксидът за кратко време.

Директна реакция на метал с кислород

Металните оксиди се образуват като продукт на реакцията между метала и околния кислород. Това може да бъде представено с химичното уравнение по-долу:

2M (s) + O ₂ (g) => 2MO (s)

Тази реакция е бавна, тъй като кислородът има силна O = O двойна връзка и електронният трансфер между него и метала е неефективен.

Той обаче се ускорява значително с повишаване на температурата и повърхността. Това се дължи на факта, че се осигурява необходимата енергия за разрушаване на двойната връзка O = O и тъй като има по-голяма площ, кислородът пътува равномерно по целия метал, като се сблъсква едновременно с металните атоми.

Колкото по-голямо е количеството реагиращ кислород, толкова по-голямо е полученото число на валентност или окисление за метала. Защо? Тъй като кислородът взима от метала все повече и повече електрони, докато достигне най-голямото число на окисляване.

Това може да се види например за мед. Когато парче метална мед реагира с ограничено количество кислород, се образува Cu ₂ O (меден (I) оксид, меден оксид или дикобен моноксид):

4Cu (s) + O ₂ (g) + Q (топлина) => 2Cu ₂ O (s) (червено твърдо вещество)

Но когато реагира в еквивалентни количества, се получава CuO (меден (II) оксид, меден оксид или меден моноксид):

2Cu (s) + O ₂ (g) + Q (топлина) => 2CuO (s) (черно твърдо вещество)

Реакция на метални соли с кислород

Металните оксиди могат да се образуват чрез термично разлагане. За да е възможно това, трябва да се отделят една или две малки молекули от изходното съединение (сол или хидроксид):

М (ОН) ₂ + Q => MO + H ₂ O

OLS ₃ + Q => MO + CO ₂

2М (NO ₃) ₂ + Q => Mo + 4NO ₂ + O ₂

Забележете, че H ₂ O, CO ₂, NO ₂ и О ₂ са освободени молекули.

Приложения

Поради богатия състав на метали в земната кора и кислорода в атмосферата, метални оксиди се намират в много минералогични източници, от които може да се получи солидна основа за производството на нови материали.

Всеки метален оксид намира много специфични приложения - от хранителни (ZnO и MgO) до добавки към цимент (CaO) или просто като неорганични пигменти (Cr ₂ O ₃).

Някои оксиди са толкова плътни, че контролираният растеж на слоя може да предпази сплав или метал от по-нататъшно окисляване. Проучванията дори разкриват, че окисляването на защитния слой продължава така, сякаш е течност, която покрива всички пукнатини или повърхностни дефекти на метала.

Металните оксиди могат да поемат очарователни структури, като наночастици или като големи полимерни агрегати.

Този факт ги прави обект на проучвания за синтеза на интелигентни материали, поради голямата им повърхност, която се използва за проектиране на устройства, които реагират на най-малко физически стимули.

В допълнение, металните оксиди са суровината за много технологични приложения - от огледала и керамика с уникални свойства за електронно оборудване, до слънчеви панели.

Примери

Железни оксиди

2Fe (и) + O ₂ (г) => 2FeO (и) желязо (II) оксид.

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

Fe ₃ О ₄, известен също като магнетит, е смесен оксид; Това означава, че тя се състои от твърда смес на FeO и Fe ₂ O ₃.

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

Алкални и алкалоземни оксиди

Както алкалните, така и алкалоземните метали имат само едно окислително число, така че техните оксиди са по-„прости“:

-Na ₂ O: натриев оксид.

-Li ₂ О: литиев оксид.

-K ₂ O: калиев оксид.

-CaO: калциев оксид.

-MgO: магнезиев оксид.

-BeO: берилиев оксид (който е амфотерен оксид)

III-оксиди от група III (13)

Елементите от група IIIA (13) могат да образуват оксиди само с окислително число +3. Така те имат химическата формула M ₂ O ₃ и техните оксиди са следните:

-Al ₂ O ₃: алуминиев оксид.

-Ga ₂ O ₃: галий оксид.

-В ₂ O ₃: индиев оксид.

И накрая

-Tl ₂ O ₃: талий оксид.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, стр. 237.
2. AlonsoFormula. Метални оксиди. Взета от: alonsoformula.com
3. Регенти на университета в Минесота. (2018). Характеристики на киселинно-основата на метални и неметални оксиди. Взето от: chem.umn.edu
4. Дейвид Л. Чандлър. (3 април 2018 г.). Самолекуващите се метални оксиди могат да предпазят от корозия. Взето от: news.mit.edu
5. Физичните състояния и структури на оксидите. Взето от: wou.edu
6. Quimitube. (2012 г.). Окисление на желязо. Взета от: quimitube.com
7. Химия LibreTexts. Оксиди. Взета от: chem.libretexts.org
8. Kumar M. (2016) Метаноксидни наноструктури: растеж и приложения. В: Husain M., Khan Z. (eds) Аванси в наноматериалите. Модерни структурирани материали, том 79. Спрингер, Ню Делхи