Lastnosti kovinskih oksidov, nomenklatura, uporabe in primeri

The kovinski oksidi so anorganske spojine, ki jih tvorijo kovinski kationi in kisik. Na splošno vsebujejo veliko število ionskih trdnih snovi, v katerih je oksidni anion (O^2-) elektrostatično sodeluje z vrstami M⁺.

M⁺ to je katerikoli kation, ki izhaja iz čiste kovine: iz alkalnih in prehodnih kovin, razen nekaterih plemenitih kovin (kot so zlato, platina in paladij), do težjih elementov bloka p periodne tabele ( kot svinec in bizmut).

Zgornja slika prikazuje železno površino, pokrito z rdečkasto skorjo. Te "skorje" so tako imenovane rje ali rje, ki predstavljajo vizualni preizkus oksidacije kovine zaradi pogojev v njenem okolju. Kemično je rja hidratizirana zmes železovih oksidov (III).

Zakaj oksidacija kovine povzroči degradacijo njene površine? To je posledica vključitve kisika v kristalno strukturo kovine.

Ko se to zgodi, se prostornina kovine poveča in prvotne interakcije oslabijo, kar povzroči, da se trdna snov zlomi. Prav tako te razpoke omogočajo več molekul kisika, da prodrejo v notranje kovinske plasti, in tako odgriznejo celoten kos..

Vendar pa se ta proces odvija pri različnih hitrostih in je odvisen od narave kovine (njene reaktivnosti) in fizikalnih pogojev, ki jo obdajajo. Zato obstajajo dejavniki, ki pospešujejo ali upočasnjujejo oksidacijo kovine; dva izmed njih sta prisotnost vlage in pH.

Zakaj? Ker oksidacija kovine za proizvodnjo kovinskega oksida pomeni prenos elektrona. Ti "potujejo" iz ene kemijske vrste v drugo, dokler jo medij pospešuje, bodisi s prisotnostjo ionov (H⁺, Na⁺, Mg²⁺, Cl^-, itd.), ki spreminjajo pH ali molekule vode, ki zagotavljajo prevozna sredstva.

Analitično je težnja kovine, da tvori ustrezen oksid, izražena v njenih redukcijskih potencialih, ki razkrivajo, katera kovina hitreje reagira v primerjavi z drugo..

Zlato ima na primer veliko večji potencial redukcije kot železo, zaradi česar zasije z značilnim zlatim sijajem brez oksida, ki ga zamegli..

Indeks

• 1 Lastnosti nekovinskih oksidov
  • 1.1 Osnovnost
  • 1.2 Amfoterika
• 2 Nomenklatura
  • 2.1 Tradicionalna nomenklatura
  • 2.2 Sistematična nomenklatura
  • 2.3 Nomenklatura zalog
  • 2.4 Izračun števila valenc
• 3 Kako se oblikujejo?
  • 3.1 Neposredna reakcija kovine s kisikom
  • 3.2 Reakcija kovinskih soli s kisikom
• 4 Uporabe
• 5 Primeri
  • 5.1 Železovi oksidi
  • 5.2 Alkalni in zemeljsko-alkalni oksidi
  • 5.3 Oksidi skupine IIIA (13)
• 6 Reference

Lastnosti nekovinskih oksidov

Lastnosti kovinskih oksidov se razlikujejo glede na kovino in na to, kako je v interakciji z anionom O^2-. To pomeni, da imajo nekateri oksidi večjo gostoto ali topnost v vodi kot drugi. Vendar imajo vsi skupni kovinski značaj, ki se neizogibno odraža v njegovi osnovnosti.

Z drugimi besedami: znani so tudi kot osnovni anhidridi ali bazični oksidi.

Osnovnost

Osnovnost kovinskih oksidov se lahko eksperimentalno preveri z uporabo kislinsko-baznega indikatorja. Kako? Dodajanje majhnega koščka oksida vodni raztopini z nekaj raztopljenim indikatorjem; to je lahko utekočinjen sok iz vijoličnega zelja.

Ob razponu barv glede na pH, bo oksid spremenil sok v modrikaste barve, kar ustreza osnovnemu pH (z vrednostmi med 8 in 10). To pa zato, ker raztopljeni del oksida sprosti OH ione^- v okolju, pri čemer je to v poskusu, ki je odgovoren za spremembo pH.

Tako se za oksid MO, ki je topen v vodi, pretvori v kovinski hidroksid ("hidrirani oksid") v skladu z naslednjimi kemijskimi enačbami:

MO + H₂O => M (OH)₂

M (OH)₂ <=> M²⁺ + 2OH^-

Druga enačba je bilanca topnosti hidroksida M (OH)₂. Upoštevajte, da ima kovina polnjenje 2+, kar pomeni tudi, da je njegova valenca +2. Valenca kovine je neposredno povezana z njeno nagnjenostjo k pridobivanju elektronov.

Na ta način, bolj pozitivna je valenca, večja je njena kislost. V primeru, da ima M valenco +7, potem M oksid₂O₇ bilo bi kislo in ne osnovno.

Anfoterismo

Kovinski oksidi so osnovni, vendar nimajo vsi isti kovinski značaj. Kako vedeti? Iskanje kovine M v periodnem sistemu. Bolj ko je levo od njega in v nižjih obdobjih, bolj bo kovinska in zato bo bolj bazičen njen oksid..

Na meji med osnovnimi in kislinskimi oksidi (nekovinski oksidi) so amfoterni oksidi. Tu beseda "amfoterni" pomeni, da oksid deluje kot baza in kislina, ki je enaka kot v vodni raztopini, ki lahko tvori hidroksid ali vodni kompleks M (OH).₂)₆²⁺.

Vodni kompleks ni nič drugega kot usklajevanje n molekule vode s kovinskim središčem M. Za kompleks M (OH₂)₆²⁺, kovinski M²⁺ Obdan je s šestimi vodnimi molekulami in se lahko šteje za hidriran kation. Mnogi od teh kompleksov kažejo intenzivne barve, kot so tisti, ki so jih opazili pri bakru in kobaltu.

Nomenklatura

Kako se imenujejo kovinski oksidi? Obstajajo trije načini: tradicionalni, sistematični in stalež.

Tradicionalna nomenklatura

Za pravilno imenovanje kovinskega oksida v skladu s pravili, ki jih ureja IUPAC, je treba poznati možne valence kovinskega M. Največji (najbolj pozitiven) je dodeljen kovinskemu imenu pripona -ico, medtem ko je minor, predpona -oso.

Primer: glede na valenco +2 in +4 kovine M so njeni ustrezni oksidi MO in MO₂. Če bi bil M svinec, Pb, bi bil PbO oksidni vodmedved, in PbO₂ oksid plumico. Če ima kovina samo eno valenco, se imenuje njen oksid s pripono -ico. Torej, Na₂Ali pa je to natrijev oksid.

Po drugi strani pa se hipo- in per-predpone dodajo, če so na voljo tri ali štiri valence za kovino. Tako je Mn₂O₇ to je oksid namanganico, ker Mn ima valenco +7, najvišjo od vseh.

Vendar pa ta vrsta nomenklature predstavlja določene težave in je običajno najmanj uporabljena.

Sistematična nomenklatura

Upošteva število atomov M in kisika, ki tvorita kemijsko formulo oksida. Od njih je dodeljena ustrezna predpona mono-, di-, tri-, tetra-, itd..

Če vzamemo tri nove kovinske okside kot primer, je PbO svinčev monoksid; PbO₂ svinčev dioksid; in Na₂Ali dinatrijev monoksid. V primeru rje Fe₂O₃, svoje ime je trioksid dihierro.

Nomenklatura zalog

Za razliko od drugih dveh nomenklatur je pri tem pomembnejša valenca kovine. Valenca je določena z rimskimi številkami v oklepajih: (I), (II), (III), (IV) itd. Kovinski oksid se potem imenuje kovinski oksid (n).

Z uporabo nomenklature delnic za prejšnje primere imamo:

-PbO: svinčev oksid (II).

-PbO₂: svinčev oksid (IV) \ t.

-Na₂O: natrijev oksid. Ker ima edinstveno valenco +1, ni določena.

-Vera₂O₃: železov oksid (III).

-Mn₂O₇: manganov oksid (VII) \ t.

Izračun števila valenc

Toda, če nimate periodne tabele z valencami, kako jih lahko določite? Za to se moramo zavedati, da je anion O^2- prispeva dva negativna naboja k kovinskemu oksidu. V skladu z načelom nevtralnosti je treba te negativne naboje nevtralizirati s pozitivnimi naboji kovine.

Torej, če je število kisikovih kislin znano po kemijski formuli, se lahko valenca kovine določi algebraično, tako da vsota nabojev daje ničlo..

Mn₂O₇ ima sedem kisikov, nato so njegovi negativni naboji enaki 7x (-2) = -14. Za nevtralizacijo negativnega naboja -14 mora mangan zagotoviti +14 (14-14 = 0). Postavitev matematične enačbe je potem:

2X - 14 = 0

2 izhaja iz dejstva, da obstajata dva manganska atoma. Reševanje in čiščenje X, valenca kovine:

X = 14/2 = 7

To pomeni, da ima vsaka Mn valenco +7.

Kako se oblikujejo?

Vlažnost in pH neposredno vplivata na oksidacijo kovin v njihovih ustreznih oksidih. Prisotnost CO₂, Kislinski oksid se lahko raztopi dovolj v vodi, ki pokriva kovinski del, da pospeši vključitev kisika v anionski obliki v kristalno strukturo kovine..

To reakcijo lahko pospešimo tudi s povišanjem temperature, še posebej, če želimo dobiti oksid v kratkem času.

Neposredna reakcija kovine s kisikom

Kovinski oksidi nastanejo kot produkt reakcije med kovino in okoliškim kisikom. To lahko predstavimo s spodnjo kemijsko enačbo:

2M (s) + O₂(g) => 2MO

Ta reakcija je počasna, saj ima kisik močno dvojno vez O = O in elektronski prenos med njim in kovino je neučinkovit.

Vendar pa se znatno poveča s povečanjem temperature in površine. To je posledica dejstva, da je zagotovljena energija, ki je potrebna za prekinitev dvojne vezi O = O, in ker je večja površina, se kisik enakomerno premika po vsej kovini, pri tem pa trči ob kovinskih atomih..

Večja kot je količina kisikovega reaktanta, večja je valenčna ali oksidacijska številka za kovino. Zakaj? Ker kisik sname vedno več elektronov iz kovine, dokler ne doseže najvišjega oksidacijskega števila.

To je mogoče videti na primer za baker. Ko kos kovinskega bakra reagira z omejeno količino kisika, se tvori Cu₂O (bakrov oksid (I), bakrov oksid ali dikobre monoksid):

4Cu (s) + O₂(g) + Q (toplota) => 2Cu₂O (s) (rdeča trdna)

Ko pa reagira v ekvivalentnih količinah, dobimo CuO (bakrov oksid (II), bakrov oksid ali bakrov monoksid):

2Cu (s) + O₂(g) + Q (toplota) => 2CuO (s) (polna črna)

Reakcija kovinskih soli s kisikom

Kovinski oksidi se lahko tvorijo s toplotno razgradnjo. Da bi bilo mogoče, je treba iz prve spojine (sol ali hidroksid) sprostiti eno ali dve majhni molekuli:

M (OH)₂ + Q => MO + H₂O

MCO₃ + Q => MO + CO₂

2M (št₃)₂ + Q => MO + 4NO₂ + O₂

Upoštevajte, da H₂O, CO₂, Št₂ in O₂ so molekule sproščene.

Uporabe

Zaradi bogate sestave kovin v zemeljski skorji in kisika v atmosferi najdemo kovinske okside v mnogih mineraloških virih, iz katerih lahko pridobimo trdno podlago za proizvodnjo novih materialov..

Vsak kovinski oksid ima zelo specifične uporabe, od prehranskih (ZnO in MgO) do cementnih dodatkov (CaO) ali preprosto kot anorganski pigmenti (Cr).₂O₃).

Nekateri oksidi so tako gosto, da lahko nadzorovana rast njihovih plasti zaščiti zlitino ali kovino pred nadaljnjo oksidacijo. Tudi študije so pokazale, da se oksidacija zaščitnega sloja nadaljuje, kot da bi bila tekočina, ki pokriva vse razpoke ali površinske pomanjkljivosti kovine..

Kovinski oksidi lahko sprejmejo fascinantne strukture, bodisi kot nanodelci ali kot velike polimerne agregate.

Zaradi tega so predmet študij za sintezo inteligentnih materialov zaradi velike površine, ki se uporablja za načrtovanje naprav, ki se odzivajo na najmanj fizikalne spodbude..

Prav tako so kovinski oksidi surovina številnih tehnoloških aplikacij, od ogledal in keramike z edinstvenimi lastnostmi za elektronsko opremo do sončnih kolektorjev..

Primeri

Železni oksidi

2Fe (s) + O₂(g) => 2FeO (s) železov oksid (II).

6FeO (s) + O₂(g) => 2Fe₃O₄(s) Magnetni železov oksid.

Vera₃O₄, znan tudi kot magnetit, je mešan oksid; To pomeni, da je sestavljen iz trdne zmesi FeO in Fe₂O₃.

4Fe₃O₄(s) + O₂(g) => 6Fe₂O₃(s) železov oksid (III).

Alkalni in zemeljsko alkalni oksidi

Tako alkalne kot zemeljskoalkalijske kovine imajo eno samo oksidacijsko število, zato so njihovi oksidi bolj "preprosti":

-Na₂O: natrijev oksid.

-Li₂O: litijev oksid.

-K₂O: kalijev oksid.

-CaO: kalcijev oksid.

-MgO: magnezijev oksid.

-BeO: berilijev oksid (ki je amfoterni oksid)

Oksidi skupine IIIA (13)

Elementi skupine IIIA (13) lahko tvorijo okside samo z oksidacijskim številom +3. Tako imajo kemijsko formulo M₂O₃ in njegovi oksidi so: \ t

-Al₂O₃aluminijev oksid.

-Ga₂O₃: galijev oksid.

-V₂O₃indijev oksid.

In končno

-Tl₂O₃talijev oksid.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemija (8. izd.). CENGAGE Learning, str. 237.
2. AlonsoFormula. Kovinski oksidi. Vzeto iz: alonsoformula.com
3. Regenti Univerze v Minnesoti (2018). Značilnosti kislinsko-baznih kovin in nekovinskih oksidov. Vzeto iz: chem.umn.edu
4. David L. Chandler. (3. april 2018). Samolepilni kovinski oksidi lahko ščitijo pred korozijo. Vzeto iz: news.mit.edu
5. Fizikalne države in strukture oksidov. Vzeto iz: wou.edu
6. Quimitube (2012). Oksidacija železa. Vzeto iz: quimitube.com
7. Kemija LibreTexts. Oksidi Vzeto iz: chem.libretexts.org
8. Kumar M. (2016) Nanostrukture kovinskega oksida: rast in aplikacije. V: Husain M., Khan Z. (eds) Napredek v nanomaterialih. Advanced Structured Materials, vol. 79. Springer, New Delhi