Eigenschappen van metaaloxiden, nomenclatuur, toepassingen en voorbeelden

de metaaloxiden het zijn anorganische verbindingen gevormd door metaalkationen en zuurstof. Ze omvatten in het algemeen een groot aantal ionische vaste stoffen, waarin het oxide-anion (O.^2-) elektrostatisch interageert met M-soorten⁺.

M⁺ Waardoor elke kation afgeleid van zuiver metaal: van de alkali- en overgangsmetalen behalve enkele edelmetalen (zoals goud, platina en palladium), de zwaarste p-blok van het periodieke systeem ( zoals lood en bismut).

De bovenste afbeelding toont een ijzeren oppervlak bedekt door roodachtige korsten. Deze "korsten" zijn wat bekend staat als roest of roest, die op hun beurt een visuele test vormen voor de oxidatie van het metaal als gevolg van de omstandigheden van zijn omgeving. Chemisch gezien is de roest een gehydrateerd mengsel van ijzeroxiden (III).

Waarom resulteert de oxidatie van metaal in de afbraak van het oppervlak? Dit komt door de opname van zuurstof in de kristalstructuur van het metaal.

Wanneer dit gebeurt, neemt het volume van het metaal toe en verzwakken de originele interacties, waardoor de vaste stof breekt. Door deze scheuren kunnen meer zuurstofmoleculen de interne metaallagen binnendringen en het hele stuk van binnenuit wegeten..

Dit proces vindt echter met verschillende snelheden plaats en hangt af van de aard van het metaal (de reactiviteit ervan) en de fysieke condities die het omringen. Daarom zijn er factoren die de oxidatie van het metaal versnellen of vertragen; twee daarvan zijn de aanwezigheid van vocht en pH.

Waarom? Omdat de oxidatie van het metaal om een ​​metaaloxide te produceren, een elektronenoverdracht impliceert. Deze "reizen" van de ene chemische soort naar de andere zolang het medium dit mogelijk maakt, hetzij door de aanwezigheid van ionen (H.⁺, na⁺, mg²⁺, cl^-, enz.), die de pH wijzigen, of door watermoleculen die het transportmiddel verschaffen.

Analytisch gezien wordt de neiging van een metaal om het overeenkomstige oxide te vormen weerspiegeld in zijn reductiepotentialen, die onthullen welk metaal sneller reageert in vergelijking met een ander.

Goud heeft bijvoorbeeld een veel groter reductiepotentieel dan ijzer, en daarom schittert het met zijn karakteristieke gouden gloed zonder een oxide dat het vervaagt..

index

• 1 Eigenschappen van niet-metaalachtige oxiden
  • 1.1 Basiciteit
  • 1.2 Amphotericisme
• 2 Nomenclatuur
  • 2.1 Traditionele nomenclatuur
  • 2.2 Systematische nomenclatuur
  • 2.3 Benaming van de voorraad
  • 2.4 Berekening van het aantal valenties
• 3 Hoe worden ze gevormd?
  • 3.1 Directe reactie van het metaal met zuurstof
  • 3.2 Reactie van metaalzouten met zuurstof
• 4 Gebruik
• 5 voorbeelden
  • 5.1 IJzeroxiden
  • 5.2 Alkalische en aardalkalimetaaloxiden
  • 5.3 Groep IIIA-oxiden (13)
• 6 Referenties

Eigenschappen van niet-metaalachtige oxiden

De eigenschappen van metaaloxiden variëren afhankelijk van het metaal en hoe het interageert met het anion O^2-. Dit houdt in dat sommige oxiden hogere dichtheden of oplosbaarheden in water hebben dan andere. Ze hebben echter allemaal het metalen karakter gemeen, wat onvermijdelijk wordt weerspiegeld in de basiciteit ervan.

Met andere woorden: ze zijn ook bekend als basische anhydriden of basische oxiden.

basiciteit

De basiciteit van de metaaloxiden kan experimenteel worden gecontroleerd door het gebruik van een zuur-base-indicator. Hoe? Toevoegen van een klein stukje van het oxide aan een waterige oplossing met een beetje opgeloste indicator; dit kan het vloeibaar gemaakte sap van paarse kool zijn.

Na het kleurenbereik afhankelijk van de pH, zal het oxide het sap in blauwachtige kleuren veranderen, wat overeenkomt met de basische pH (met waarden tussen 8 en 10). Dit komt omdat het opgeloste deel van het oxide OH-ionen afgeeft^- voor het milieu, zijnde deze in het experiment dat verantwoordelijk is voor de verandering in pH.

Zo wordt het voor een MO-oxide dat oplosbaar is in water, omgezet in het metaalhydroxide (een "gehydrateerd oxide") volgens de volgende chemische vergelijkingen:

MO + H₂O => M (OH)₂

M (OH)₂ <=> M²⁺ + 2OH^-

De tweede vergelijking is de oplosbaarheidsbalans van hydroxide M (OH)₂. Merk op dat het metaal een 2+ lading heeft, wat ook betekent dat de valentie +2 is. De valentie van metaal houdt rechtstreeks verband met de neiging om elektronen te verkrijgen.

Op deze manier, hoe positiever de valentie, hoe groter de zuurgraad. In het geval dat M een valentie van +7 had, dan was het M-oxide₂O₇ het zou zuur zijn en niet basaal.

Amfoteer

Metaaloxiden zijn basisch, maar niet alle hebben hetzelfde metaalachtige karakter. Hoe te weten? Lokaliseren van het metaal M in het periodiek systeem. Hoe meer het er links van staat, en hoe lager het metaal is, des te meer metaalachtig zal het zijn en daarom zal het oxide ervan basaal zijn..

Aan de grens tussen de basische en zure oxiden (de niet-metaaloxiden) bevinden zich de amfotere oxiden. Hier wordt het woord 'Amfotere betekent dat het oxide fungeert als base en zuur, die gelijk is aan die in waterige oplossing kan het hydroxide of waterige M complex te vormen (OH₂)₆²⁺.

Het watercomplex is niets meer dan de coördinatie van n watermoleculen met het metaalcentrum M. Voor het M-complex (OH₂)₆²⁺, het metaal M²⁺ Het is omgeven door zes watermoleculen en kan worden beschouwd als een gehydrateerd kation. Veel van deze complexen vertonen intense kleuringen, zoals die waargenomen voor koper en kobalt.

nomenclatuur

Hoe worden metaaloxiden genoemd? Er zijn drie manieren om dit te doen: het traditionele, het systematische en het aandeel.

Traditionele nomenclatuur

Correct identificeren van het metaaloxide volgens de door IUPAC regels, is het noodzakelijk om de mogelijke valenties van metaal M A most (meest positief) is toegewezen aan de naam van de metalen -Ic achtervoegsel kennen, terwijl de minor, het voorvoegsel -oso.

Voorbeeld: gezien de valenties +2 en +4 van het metaal M, zijn de overeenkomstige oxiden MO en MO₂. Als M de lead was, Pb, dan zou PbO oxide-lood zijndragen, en PbO₂ de oxide-pruimico. Als het metaal slechts één valentie heeft, wordt het oxide genoemd met het achtervoegsel -ico. Dus, Na₂Of is het natriumoxide.

Aan de andere kant worden de hypo- en per-prefixen toegevoegd als er drie of vier valenties beschikbaar zijn voor het metaal. Op deze manier, de Mn₂O₇ het is het oxide perMANGANico, omdat de Mn valentie +7 heeft, het hoogste van allemaal.

Dit type nomenclatuur levert echter bepaalde problemen op en wordt meestal het minst gebruikt.

Systematische nomenclatuur

Het beschouwt het aantal M-atomen en zuurstof dat de chemische formule van het oxide vormt. Van hen krijgt het de overeenkomstige prefixen mono-, di-, tri-, tetra-, etc..

Met de drie recente metaaloxiden als voorbeeld, is PbO loodmonoxide; de PbO₂ lood dioxide; en de Na₂Of het dinatriummonoxide. Voor het geval van roest, Fe₂O₃, de respectieve naam is de trioxide van dihierro.

Nomenclatuur van de voorraad

In tegenstelling tot de andere twee nomenclaturen, is hierin de valentie van het metaal van groter belang. De valentie wordt aangegeven door Romeinse cijfers tussen haakjes: (I), (II), (III), (IV), etc. Het metaaloxide wordt dan genoemd als metaaloxide (n).

Als we de voorraadnomenclatuur toepassen voor de vorige voorbeelden, hebben we:

-PbO: loodoxide (II).

-PbO₂: loodoxide (IV).

-na₂O: natriumoxide. Omdat het een unieke valentie heeft van +1, is dit niet gespecificeerd.

-geloof₂O₃: ijzeroxide (III).

-Mn₂O₇: mangaanoxide (VII).

Berekening van het aantal valenties

Maar als u geen periodiek systeem met valenties heeft, hoe kunt u ze dan bepalen? Hiervoor moeten we onthouden dat de anion O^2- het draagt ​​twee negatieve ladingen bij aan het metaaloxide. Volgens het principe van neutraliteit moeten deze negatieve ladingen worden geneutraliseerd met de positieve van het metaal.

Daarom, als het aantal zuurstofatomen bekend is met de chemische formule, kan de valentie van het metaal algebraïsch worden bepaald, zodat de som van de ladingen nul geeft..

De Mn₂O₇ heeft zeven zuurstofatomen, dan zijn de negatieve ladingen gelijk aan 7x (-2) = -14. Om de negatieve lading van -14 te neutraliseren, moet mangaan +14 (14-14 = 0) leveren. De wiskundige vergelijking is dan:

2X - 14 = 0

De 2 komt van het feit dat er twee mangaanatomen zijn. X oplossen en opruimen, de valentie van het metaal:

X = 14/2 = 7

Dat wil zeggen dat elke Mn een valentie heeft van +7.

Hoe worden ze gevormd?

Vochtigheid en pH beïnvloeden direct de oxidatie van metalen in hun overeenkomstige oxiden. De aanwezigheid van CO₂, Zuuroxide, kan voldoende worden opgelost in het water dat het metaaldeel bedekt om de opname van zuurstof in een anionische vorm in de kristalstructuur van het metaal te versnellen.

Deze reactie kan ook worden versneld met een toename in temperatuur, in het bijzonder wanneer het gewenst is om het oxide in een korte tijd te verkrijgen.

Directe reactie van het metaal met zuurstof

De metaaloxiden worden gevormd als een product van de reactie tussen het metaal en de omringende zuurstof. Dit kan worden weergegeven met de onderstaande chemische vergelijking:

2M (s) + O₂(g) => 2MO (s)

Deze reactie is traag, omdat zuurstof een sterke dubbele O = O-binding heeft en de elektronische overdracht tussen het en het metaal inefficiënt is.

Het versnelt echter aanzienlijk met een toename van temperatuur en oppervlakte. Dit komt doordat de energie voor een dubbele binding breken O = O is, en met grotere gebied wordt zuurstof gelijkmatig verplaatst het metaal terwijl botsing met metaalatomen.

Hoe groter de hoeveelheid zuurstofreactant, hoe groter de valentie of het oxidatiegetal dat resulteert voor het metaal. Waarom? Omdat zuurstof steeds meer elektronen uit het metaal grijpt, tot het het hoogste oxidatie-aantal bereikt.

Dit is bijvoorbeeld te zien voor koper. Wanneer een stuk metaalkoper reageert met een beperkte hoeveelheid zuurstof, wordt Cu gevormd₂O (koperoxide (I), cupro-oxide of dicobre-monoxide):

4 Cu (s) + O₂(g) + Q (warmte) => 2Cu₂O (s) (rode vaste stof)

Maar wanneer het in equivalente hoeveelheden reageert, wordt CuO (koperoxide (II), koper (II) oxide of kopermonoxide) verkregen:

2 Cu (s) + O₂(g) + Q (warmte) => 2CuO (s) (effen zwart)

Reactie van metaalzouten met zuurstof

Metaaloxiden kunnen worden gevormd door thermische ontleding. Om mogelijk te zijn, moeten een of twee kleine moleculen worden vrijgemaakt van de oorspronkelijke verbinding (een zout of een hydroxide):

M (OH)₂ + Q => MO + H₂O

MCO₃ + Q => MO + CO₂

2M (NR₃)₂ + Q => MO + 4NO₂ + O₂

Merk op dat H₂O, CO₂, NO₂ en O₂ zijn de moleculen vrijgegeven.

toepassingen

Vanwege de rijke samenstelling van metalen in de aardkorst en zuurstof in de atmosfeer, worden metaaloxiden aangetroffen in vele mineralogische bronnen, waaruit een solide basis kan worden verkregen voor de vervaardiging van nieuwe materialen.

Elk metaaloxide vindt zeer specifieke toepassingen, van voeding (ZnO en MgO) tot cementadditieven (CaO), of eenvoudigweg als anorganische pigmenten (Cr).₂O₃).

Sommige oxiden zijn zo dicht dat de gecontroleerde groei van hun lagen een legering of metaal kan beschermen tegen verdere oxidatie. Zelfs studies hebben aangetoond dat de oxidatie van de beschermende laag verloopt alsof het een vloeistof is die alle scheuren of oppervlakkige defecten van het metaal bedekt.

Metaaloxiden kunnen fascinerende structuren aannemen, hetzij als nanodeeltjes of als grote polymere aggregaten.

Dit feit maakt hen het onderwerp van studies voor de synthese van intelligente materialen, vanwege het grote oppervlak, dat wordt gebruikt om apparaten te ontwerpen die reageren op de minst fysieke stimulus.

Evenzo zijn metaaloxiden de grondstof voor veel technologische toepassingen, van spiegels en keramiek met unieke eigenschappen voor elektronische apparatuur tot zonnepanelen.

Voorbeelden

IJzeroxiden

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

6FeO (s) + O₂(g) => 2Fe₃O₄(s) Magnetisch ijzeroxide.

Het geloof₃O₄, ook bekend als magnetiet, het is een gemengd oxide; Dit betekent dat het uit een vast mengsel van FeO en Fe bestaat₂O₃.

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

Alkalische en aardalkalimetaaloxiden

Zowel de alkalische als de aardalkalimetalen hebben een enkel oxidatiegetal, dus hun oxiden zijn "eenvoudiger":

-na₂O: natriumoxide.

-Li₂O: lithiumoxide.

-K₂O: kaliumoxide.

-CaO: calciumoxide.

-MgO: magnesiumoxide.

-BeO: berylliumoxide (een amfoteer oxide)

Groep IIIA oxiden (13)

De elementen van groep IIIA (13) kunnen alleen oxiden vormen met een oxidatie-aantal van +3. Ze hebben dus een chemische formule M₂O₃ en de oxiden ervan zijn de volgende:

-de₂O₃: aluminiumoxide.

-ga₂O₃: galliumoxide.

-in₂O₃: indiumoxide.

En tot slot

-tl₂O₃: thalliumoxide.

referenties

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemie. (8e druk). CENGAGE Leren, p 237.
2. AlonsoFormula. Metaaloxiden. Genomen uit: alonsoformula.com
3. Regenten van de Universiteit van Minnesota. (2018). Kenmerken op zuurbasis van metalen en niet-metaaloxiden. Genomen uit: chem.umn.edu
4. David L. Chandler. (3 april 2018). Zelfherstellende metaaloxiden kunnen beschermen tegen corrosie. Overgenomen uit: news.mit.edu
5. De fysieke toestanden en structuren van oxiden. Genomen uit: wou.edu
6. Quimitube. (2012). De oxidatie van ijzer. Genomen uit: quimitube.com
7. Chemie LibreTexts. Oxiden. Genomen uit: chem.libretexts.org
8. Kumar M. (2016) Nanostructuren voor metaaloxiden: groei en toepassingen. In: Husain M., Khan Z. (eds) Vooruitgang in nanomaterialen. Advanced Structured Materials, vol 79. Springer, New Delhi