Właściwości tlenków metali, nazewnictwo, zastosowania i przykłady

The tlenki metali są to związki nieorganiczne utworzone przez kationy metali i tlen. Na ogół zawierają ogromną liczbę ciał stałych jonowych, w których anion tlenkowy (O^2-) oddziałuje elektrostatycznie z gatunkami M.⁺.

M⁺ jest to każdy kation pochodzący z czystego metalu: od metali alkalicznych i przejściowych, z wyjątkiem niektórych metali szlachetnych (takich jak złoto, platyna i pallad), do cięższych elementów bloku p układu okresowego ( jak ołów i bizmut).

Górny obraz pokazuje żelazną powierzchnię pokrytą czerwonawymi skorupami. Te „skorupy” są znane jako rdza lub rdza, które z kolei stanowią wizualny test utleniania metalu ze względu na warunki otoczenia. Chemicznie rdza jest uwodnioną mieszaniną tlenków żelaza (III).

Dlaczego utlenianie metalu powoduje degradację jego powierzchni? Wynika to z włączenia tlenu do struktury krystalicznej metalu.

Gdy tak się dzieje, objętość metalu wzrasta, a oryginalne interakcje słabną, powodując pęknięcie ciała stałego. Ponadto pęknięcia te pozwalają większej ilości cząsteczek tlenu przenikać do wewnętrznych warstw metalicznych, pochłaniając cały kawałek od wewnątrz..

Proces ten zachodzi jednak z różnymi prędkościami i zależy od natury metalu (jego reaktywności) i otaczających go warunków fizycznych. Dlatego istnieją czynniki, które przyspieszają lub spowalniają utlenianie metalu; dwie z nich to obecność wilgoci i pH.

Dlaczego? Ponieważ utlenianie metalu w celu wytworzenia tlenku metalu pociąga za sobą przeniesienie elektronu. Te „przemieszczają się” z jednego gatunku chemicznego do drugiego, o ile medium to ułatwia, albo przez obecność jonów (H⁺, Na⁺, Mg²⁺, Cl^-, itp.), które modyfikują pH lub cząsteczki wody, które zapewniają środki transportu.

Analitycznie tendencja metalu do tworzenia odpowiedniego tlenku znajduje odzwierciedlenie w jego potencjałach redukcji, które ujawniają, który metal reaguje szybciej w porównaniu z innym.

Na przykład złoto ma znacznie większy potencjał redukcji niż żelazo, dlatego błyszczy charakterystycznym złotym blaskiem bez tlenku, który je zaciera..

Indeks

• 1 Właściwości tlenków niemetalicznych
  • 1.1 Podstawowość
  • 1.2 Amfoteryczność
• 2 Nazewnictwo
  • 2.1 Tradycyjna nomenklatura
  • 2.2 Nomenklatura systematyczna
  • 2.3 Nazewnictwo zapasów
  • 2.4 Obliczanie liczby wartościowości
• 3 Jak powstają?
  • 3.1 Bezpośrednia reakcja metalu z tlenem
  • 3.2 Reakcja soli metali z tlenem
• 4 zastosowania
• 5 Przykłady
  • 5.1 Tlenki żelaza
  • 5.2 Tlenki alkaliczne i ziem alkalicznych
  • 5.3 Tlenki grupy IIIA (13)
• 6 referencji

Właściwości tlenków niemetalicznych

Właściwości tlenków metali różnią się w zależności od metalu i jego interakcji z anionem O^2-. Oznacza to, że niektóre tlenki mają wyższe gęstości lub rozpuszczalności w wodzie niż inne. Jednak wszystkie mają wspólny charakter metaliczny, co nieuchronnie odzwierciedla się w jego zasadowości.

Innymi słowy: są one również znane jako zasadowe bezwodniki lub zasadowe tlenki.

Podstawowość

Zasadowość tlenków metali można sprawdzić doświadczalnie za pomocą wskaźnika kwasowo-zasadowego. Jak? Dodanie małego kawałka tlenku do roztworu wodnego z pewnym rozpuszczonym wskaźnikiem; może to być upłynniony sok z fioletowej kapusty.

Mając wtedy zakres kolorów w zależności od pH, tlenek zamieni sok w niebieskawe kolory, odpowiadające podstawowemu pH (o wartościach między 8 a 10). Dzieje się tak, ponieważ rozpuszczona część tlenku uwalnia jony OH^- do środowiska, będąc tymi w eksperymencie odpowiedzialnym za zmianę pH.

Tak więc, dla tlenku MO, który jest rozpuszczony w wodzie, przekształca się go w wodorotlenek metalu („uwodniony tlenek”) zgodnie z następującymi równaniami chemicznymi:

MO + H₂O => M (OH)₂

M (OH)₂ <=> M²⁺ + 2OH^-

Drugim równaniem jest równowaga rozpuszczalności wodorotlenku M (OH)₂. Zauważ, że metal ma ładunek 2+, co oznacza również, że jego wartościowość wynosi +2. Walencja metalu jest bezpośrednio związana z jego tendencją do pozyskiwania elektronów.

W ten sposób, im bardziej pozytywna wartość, tym większa jej kwasowość. W przypadku, gdy M miał wartościowość +7, to tlenek M₂O₇ byłoby kwaśne i nie podstawowe.

Anfoterismo

Tlenki metali są podstawowe, jednak nie wszystkie mają ten sam metaliczny charakter. Jak wiedzieć? Lokalizowanie metalu M w układzie okresowym. Im bardziej jest na lewo od niego, a w niższych okresach, tym bardziej metaliczny i dlatego bardziej podstawowy będzie jego tlenek.

Na granicy pomiędzy tlenkami zasadowymi i kwasowymi (tlenki niemetaliczne) znajdują się tlenki amfoteryczne. Tutaj słowo „amfoteryczny” oznacza, że ​​tlenek działa zarówno jako zasada, jak i kwas, który jest taki sam jak w roztworze wodnym, może tworzyć wodorotlenek lub wodny kompleks M (OH₂)₆²⁺.

Kompleks wodny to nic innego jak koordynacja n cząsteczki wody z metalicznym środkiem M. Dla kompleksu M (OH₂)₆²⁺, metal M²⁺ Jest otoczony przez sześć cząsteczek wody i może być uważany za kation uwodniony. Wiele z tych kompleksów wykazuje intensywne zabarwienie, takie jak obserwowane dla miedzi i kobaltu.

Nomenklatura

Jak nazywa się tlenki metali? Można to zrobić na trzy sposoby: tradycyjny, systematyczny i magazynowy.

Tradycyjna nomenklatura

Aby poprawnie nazwać tlenek metalu zgodnie z regułami regulowanymi przez IUPAC, konieczne jest poznanie możliwych wartościowości metalu M. Największy (najbardziej pozytywny) jest przypisany do nazwy metalowej przyrostek -ico, podczas gdy minor, przedrostek -oso.

Przykład: biorąc pod uwagę wartościowość +2 i +4 metalu M, jego odpowiednimi tlenkami są MO i MO₂. Gdyby M było ołowiem, Pb, to PbO byłoby pionem tlenkuniedźwiedź, i PbO₂ śliwka tlenkowaico. Jeśli metal ma tylko jedną wartościowość, jest nazywany jego tlenkiem z przyrostkiem -ico. Więc, Na₂Czy jest to tlenek sodu.

Z drugiej strony, hipo- i per-prefiksy są dodawane, gdy dla metalu dostępne są trzy lub cztery wartościowości. W ten sposób Mn₂O₇ to tlenek zamanganico, ponieważ Mn ma wartość +7, najwyższą ze wszystkich.

Ten typ nomenklatury ma jednak pewne trudności i zwykle jest najmniej używany.

Nomenklatura systematyczna

Rozważa liczbę atomów M i tlenu, które tworzą wzór chemiczny tlenku. Z nich przypisane są odpowiednie prefiksy mono-, di-, tri-, tetra- itd..

Biorąc za przykład trzy ostatnie tlenki metali, PbO jest tlenkiem ołowiu; PbO₂ dwutlenek ołowiu; i Na₂Lub monotlenek disodu. W przypadku rdzy Fe₂O₃, jego odpowiednikiem jest trójtlenek dihierro.

Nomenklatura zapasów

W przeciwieństwie do pozostałych dwóch nomenklatur, w tym przypadku ważność ma walencyjność metalu. Wartościowość jest określona cyframi rzymskimi w nawiasach: (I), (II), (III), (IV) itd. Tlenek metalu jest następnie nazywany tlenkiem metalu (n).

Stosując nazewnictwo zapasów dla poprzednich przykładów, mamy:

-PbO: tlenek ołowiu (II).

-PbO₂: tlenek ołowiu (IV).

-Na₂O: tlenek sodu. Ponieważ ma unikalną wartość +1, nie jest określony.

-Wiara₂O₃: tlenek żelaza (III).

-Mn₂O₇: tlenek manganu (VII).

Obliczanie liczby wartościowości

Ale jeśli nie masz układu okresowego z wartościowością, jak możesz je określić? W tym celu musimy pamiętać, że anion O^2- wnosi dwa ujemne ładunki do tlenku metalu. Zgodnie z zasadą neutralności ładunki ujemne muszą być neutralizowane dodatnimi ładunkami metalu.

Zatem, jeśli liczba atomów tlenu jest znana za pomocą wzoru chemicznego, wartościowość metalu można określić algebraicznie, tak aby suma ładunków dawała zero.

Mn₂O₇ ma siedem atomów tlenu, a jego ładunki ujemne są równe 7x (-2) = -14. Aby zneutralizować ładunek ujemny -14, mangan musi zapewnić +14 (14-14 = 0). Umieszczenie równania matematycznego to:

2X - 14 = 0

2 pochodzi z faktu, że istnieją dwa atomy manganu. Rozwiązywanie i wyczyszczenie X, wartościowość metalu:

X = 14/2 = 7

Oznacza to, że każdy Mn ma wartość +7.

Jak powstają?

Wilgotność i pH bezpośrednio wpływają na utlenianie metali w odpowiadających im tlenkach. Obecność CO₂, Kwasowy tlenek może być wystarczająco rozpuszczony w wodzie, która pokrywa metalową część, aby przyspieszyć wprowadzenie tlenu w formie anionowej do struktury krystalicznej metalu.

Reakcja ta może być również przyspieszona wraz ze wzrostem temperatury, zwłaszcza gdy pożądane jest uzyskanie tlenku w krótkim czasie.

Bezpośrednia reakcja metalu z tlenem

Tlenki metali powstają jako produkt reakcji między metalem a otaczającym tlenem. Można to przedstawić za pomocą poniższego równania chemicznego:

2M (s) + O₂(g) => 2MO (s)

Ta reakcja jest powolna, ponieważ tlen ma silne podwójne wiązanie O = O, a przenoszenie elektroniczne między nim a metalem jest nieefektywne.

Przyspiesza to jednak znacznie wraz ze wzrostem temperatury i powierzchni. Wynika to z faktu, że dostarczana jest energia potrzebna do przerwania podwójnego wiązania O = O, a ponieważ jest większy obszar, tlen przemieszcza się równomiernie w całym metalu, zderzając się jednocześnie z atomami metalu.

Im większa ilość reagenta tlenowego, tym większa wartość walencyjna lub liczba oksydacyjna dla metalu. Dlaczego? Ponieważ tlen wyrywa coraz więcej elektronów z metalu, aż osiągnie najwyższy numer utlenienia.

Widać to na przykład w przypadku miedzi. Gdy kawałek metalicznej miedzi reaguje z ograniczoną ilością tlenu, tworzy się Cu₂O (tlenek miedzi (I), tlenek miedziawy lub tlenek dikobry):

4Cu (s) + O₂(g) + Q (ciepło) => 2Cu₂O (s) (czerwona bryła)

Ale gdy reaguje w równoważnych ilościach, otrzymuje się CuO (tlenek miedzi (II), tlenek miedziowy lub tlenek miedzi):

2Cu (s) + O₂(g) + Q (ciepło) => 2CuO (s) (czarny kolor)

Reakcja soli metali z tlenem

Tlenki metali mogą powstawać w wyniku rozkładu termicznego. Aby była możliwa, jedna lub dwie małe cząsteczki muszą zostać uwolnione z początkowego związku (soli lub wodorotlenku):

M (OH)₂ + Q => MO + H₂O

MCO₃ + Q => MO + CO₂

2M (NIE₃)₂ + Q => MO + 4NO₂ + O₂

Zauważ, że H₂O, CO₂, NIE₂ i O₂ czy uwolnione cząsteczki.

Używa

Ze względu na bogaty skład metali w skorupie ziemskiej i na tlen w atmosferze tlenki metali można znaleźć w wielu źródłach mineralogicznych, z których można uzyskać solidną podstawę do produkcji nowych materiałów.

Każdy tlenek metalu znajduje bardzo specyficzne zastosowania, od odżywczych (ZnO i MgO) po dodatki cementowe (CaO), lub po prostu jako pigmenty nieorganiczne (Cr).₂O₃).

Niektóre tlenki są tak gęste, że kontrolowany wzrost ich warstw może chronić stop lub metal przed dalszym utlenianiem. Nawet badania wykazały, że utlenianie warstwy ochronnej przebiega tak, jakby była cieczą pokrywającą wszystkie pęknięcia lub powierzchowne defekty metalu.

Tlenki metali mogą przyjmować fascynujące struktury, zarówno w postaci nanocząstek, jak i dużych agregatów polimerowych.

Fakt ten czyni z nich przedmiot badań nad syntezą inteligentnych materiałów, ze względu na dużą powierzchnię, która jest wykorzystywana do projektowania urządzeń, które reagują na najmniejszy bodziec fizyczny.

Podobnie tlenki metali są surowcem wielu zastosowań technologicznych, od luster i ceramiki o unikalnych właściwościach dla sprzętu elektronicznego, po panele słoneczne.

Przykłady

Tlenki żelaza

2Fe (s) + O₂(g) => 2FeO (s) tlenek żelaza (II).

6FeO (s) + O₂(g) => 2Fe₃O₄(s) Magnetyczny tlenek żelaza.

Wiara₃O₄, znany również jako magnetyt, jest tlenkiem mieszanym; Oznacza to, że składa się ze stałej mieszaniny FeO i Fe₂O₃.

4Fe₃O₄(s) + O₂(g) => 6Fe₂O₃(s) tlenek żelaza (III).

Tlenki alkaliczne i ziem alkalicznych

Zarówno metale alkaliczne, jak i metale ziem alkalicznych mają jedną liczbę utleniania, więc ich tlenki są bardziej „proste”:

-Na₂O: tlenek sodu.

-Li₂O: tlenek litu.

-K₂O: tlenek potasu.

-CaO: tlenek wapnia.

-MgO: tlenek magnezu.

-BeO: tlenek berylu (który jest tlenkiem amfoterycznym)

Tlenki grupy IIIA (13)

Elementy grupy IIIA (13) mogą tworzyć tlenki tylko z liczbą utleniania +3. Mają więc wzór chemiczny M₂O₃ a jego tlenki są następujące:

-Al₂O₃: tlenek glinu.

-Ga₂O₃: tlenek galu.

-W₂O₃: tlenek indu.

I wreszcie

-Tl₂O₃: tlenek talu.

Referencje

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia (8 wyd.). CENGAGE Learning, str. 237.
2. AlonsoFormula. Tlenki metali. Zrobiono z: alonsoformula.com
3. Regents of University of Minnesota. (2018). Charakterystyka kwasowo-zasadowa metali i tlenków niemetalowych. Zaczerpnięte z: chem.umn.edu
4. David L. Chandler. (3 kwietnia 2018 r.). Samonaprawiające się tlenki metali mogą chronić przed korozją. Zrobione z: news.mit.edu
5. Stany fizyczne i struktury tlenków. Zrobiono z: wou.edu
6. Quimitube (2012). Utlenianie żelaza. Zrobiono z: quimitube.com
7. Chemia LibreTexts. Tlenki Zrobiono z: chem.libretexts.org
8. Kumar M. (2016) Nanostruktury tlenków metali: wzrost i zastosowania. W: Husain M., Khan Z. (reds) Postępy w nanomateriałach. Advanced Structured Materials, tom 79. Springer, New Delhi