- Właściwości tlenków niemetalicznych
- Zasadowość
- Amfoterycyzm
- Nomenklatura
- Tradycyjna nomenklatura
- Nomenklatura systematyczna
- Nazewnictwo zapasów
- Obliczanie liczby walencyjnej
- Jak powstają?
- Bezpośrednia reakcja metalu z tlenem
- Reakcja soli metali z tlenem
- Aplikacje
- Przykłady
- Tlenki żelaza
- Tlenki metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych
- Tlenki grupy IIIA (13)
- Bibliografia
Metal tlenki są związki nieorganiczne, składające się z kationów metali i tlenu. Generalnie zawierają one ogromną liczbę jonowych ciał stałych, w których anion tlenkowy (O 2– ) oddziałuje elektrostatycznie z formami M + .
M + jest taki jak ten każdy kation, który pochodzi z czystego metalu: od alkaliów i metali przejściowych, z wyjątkiem niektórych metali szlachetnych (takich jak złoto, platyna i pallad), do najcięższych elementów bloku p stołu okresowe (np. ołów i bizmut).
Źródło: Pixabay.
Zdjęcie powyżej pokazuje żelazną powierzchnię pokrytą czerwonawą skórką. Te „strupy” to tak zwana rdza lub rdza, które z kolei stanowią wizualny dowód utleniania metalu w wyniku warunków panujących w jego otoczeniu. Chemicznie rdza jest uwodnioną mieszaniną tlenków żelaza (III).
Dlaczego utlenianie metalu prowadzi do degradacji jego powierzchni? Jest to spowodowane włączeniem tlenu do struktury krystalicznej metalu.
Kiedy tak się dzieje, objętość metalu wzrasta, a pierwotne interakcje słabną, powodując pęknięcie ciała stałego. Podobnie pęknięcia te pozwalają większej liczbie cząsteczek tlenu na penetrację wewnętrznych warstw metalu, całkowicie zjadając element od wewnątrz.
Jednak proces ten zachodzi z różną szybkością i zależy od natury metalu (jego reaktywności) oraz warunków fizycznych, które go otaczają. Dlatego istnieją czynniki, które przyspieszają lub spowalniają utlenianie metalu; dwa z nich to obecność wilgoci i pH.
Czemu? Ponieważ utlenianie metalu do tlenku metalu obejmuje przenoszenie elektronów. Te „przemieszczają się” z jednego gatunku chemicznego do drugiego, o ile środowisko to ułatwia, albo przez obecność jonów (H + , Na + , Mg 2+ , Cl - , itd.), Które modyfikują pH, albo przez cząsteczki wody, które zapewniają środek transportu.
Z analitycznego punktu widzenia skłonność metalu do tworzenia odpowiedniego tlenku znajduje odzwierciedlenie w jego potencjałach redukcyjnych, które pokazują, który metal reaguje szybciej w porównaniu z innym.
Na przykład złoto ma znacznie większy potencjał redukcyjny niż żelazo, dlatego świeci charakterystycznym złocistym blaskiem bez tlenku, który je matuje.
Właściwości tlenków niemetalicznych
Tlenek magnezu, tlenek metalu.
Właściwości tlenków metali różnią się w zależności od metalu i jego interakcji z anionem O 2– . Oznacza to, że niektóre tlenki mają wyższą gęstość lub rozpuszczalność w wodzie niż inne. Jednak wszystkie mają wspólny metaliczny charakter, który nieuchronnie znajduje odzwierciedlenie w ich zasadowości.
Innymi słowy: znane są również jako zasadowe bezwodniki lub zasadowe tlenki.
Zasadowość
Zasadowość tlenków metali można zweryfikować eksperymentalnie za pomocą wskaźnika kwasowo-zasadowego. W jaki sposób? Dodanie małego kawałka tlenku do wodnego roztworu z pewnym rozpuszczonym wskaźnikiem; Może to być upłynniony sok z fioletowej kapusty.
Mając wtedy gamę kolorów zależną od pH, tlenek zmieni kolor soku na niebieskawy, odpowiadający zasadowemu pH (o wartościach od 8 do 10). Wynika to z faktu, że rozpuszczona część tlenku uwalnia jony OH - do pożywki, które są odpowiedzialne za zmianę pH we wspomnianym eksperymencie.
W związku z tym tlenek MO, który jest rozpuszczany w wodzie, przekształca się w wodorotlenek metalu („uwodniony tlenek”) zgodnie z następującymi równaniami chemicznymi:
MO + H 2 O => M (OH) 2
M (OH) 2 <=> M 2+ + 2OH -
Drugie równanie to równowaga rozpuszczalności wodorotlenku M (OH) 2 . Zauważ, że metal ma ładunek 2+, co oznacza również, że jego wartościowość wynosi +2. Wartościowość metalu jest bezpośrednio związana z jego skłonnością do pozyskiwania elektronów.
W ten sposób im bardziej dodatnia wartościowość, tym większa jego kwasowość. W przypadku, gdy M miałby wartościowość +7, wówczas tlenek M 2 O 7 byłby kwaśny, a nie zasadowy.
Amfoterycyzm
Tlenki metali są podstawowymi, jednak nie wszystkie mają ten sam metaliczny charakter. Skąd wiesz? Lokalizowanie metalowego M w układzie okresowym pierwiastków. Im dalej jesteś na lewo od niego iw niskich okresach, tym bardziej będzie metaliczny, a zatem tym bardziej podstawowy będzie twój tlenek.
Na granicy tlenków zasadowych i kwaśnych (niemetalicznych) znajdują się tlenki amfoteryczne. Tutaj słowo „amfoteryczny” oznacza, że tlenek działa zarówno jako zasada, jak i jako kwas, czyli tak samo jak w roztworze wodnym może tworzyć wodorotlenek lub wodny kompleks M (OH 2 ) 6 2+ .
Wodny kompleks to nic innego jak koordynacja n cząsteczek wody z centrum metalu M. W przypadku kompleksu M (OH 2 ) 6 2+ metal M 2+ jest otoczony przez sześć cząsteczek wody i można go uważać za uwodniony kation. Wiele z tych kompleksów wykazuje intensywne zabarwienia, takie jak te obserwowane w przypadku miedzi i kobaltu.
Nomenklatura
Jak nazywa się tlenki metali? Można to zrobić na trzy sposoby: tradycyjny, systematyczny i standardowy.
Tradycyjna nomenklatura
Aby poprawnie nazwać tlenek metalu zgodnie z regułami regulowanymi przez IUPAC, konieczne jest poznanie możliwych wartościowości metalu M.Największy (najbardziej pozytywny) ma przyrostek -ico do nazwy metalu, podczas gdy minor, przedrostek –oso.
Przykład: biorąc pod uwagę wartościowości +2 i +4 metalu M, odpowiadające mu tlenki to MO i MO 2 . Gdyby M z ołowiu, Pb, to tlenek PbO Plumb by wytrzymał, a tlenek PbO 2 PLUMB ico . Jeśli metal ma tylko jedną wartościowość, jego tlenek jest nazywany przyrostkiem –ico. Zatem Na 2 O jest tlenkiem sodu.
Z drugiej strony, przedrostki hypo- i per- są dodawane, gdy istnieją trzy lub cztery wartościowości dostępne dla metalu. Zatem Mn 2 O 7 jest tlenkiem per Mangan ico , ponieważ Mn ma przede wszystkim wartościowość +7.
Jednak ten rodzaj nazewnictwa stwarza pewne trudności i jest zwykle najmniej stosowany.
Nomenklatura systematyczna
Uwzględniono w nim liczbę atomów M i tlenu, które składają się na wzór chemiczny tlenku. Od nich przypisuje się odpowiednie przedrostki mono-, di-, tri-, tetra- itp.
Biorąc za przykład trzy najnowsze tlenki metali, PbO to tlenek ołowiu; PbO 2 dwutlenek ołowiu; i Na 2 O jest dwusodowy tlenek. W przypadku rdzy, Fe 2 O 3 , jej odpowiednia nazwa to trójtlenek żelaza.
Nazewnictwo zapasów
W przeciwieństwie do dwóch pozostałych nomenklatur, w tym przypadku ważniejsza jest wartościowość metalu. Walencję określają cyfry rzymskie w nawiasach: (I), (II), (III), (IV) itd. Tlenek metalu jest wtedy nazywany tlenkiem metalu (n).
Stosując nazewnictwo zapasów w poprzednich przykładach, mamy:
-PbO: tlenek ołowiu (II).
-PbO 2 : tlenek ołowiu (IV).
-Na 2 O: tlenek sodu. Ponieważ ma unikalną wartość +1, nie jest określona.
-Fe 2 O 3 : tlenek żelaza (III).
-Mn 2 O 7 : tlenek manganu (VII).
Obliczanie liczby walencyjnej
Ale jeśli nie masz układu okresowego z wartościowościami, jak możesz je określić? W tym celu musimy pamiętać, że anion O 2– wnosi do tlenku metalu dwa ładunki ujemne. Zgodnie z zasadą neutralności te ujemne ładunki należy zneutralizować dodatnimi ładunkami metalu.
Dlatego, jeśli liczba atomów tlenu jest znana ze wzoru chemicznego, wartościowość metalu można określić algebraicznie, tak że suma ładunków wynosi zero.
Mn 2 O 7 ma siedem atomów tlenu, więc jego ładunki ujemne są równe 7x (-2) = -14. Aby zneutralizować ujemny ładunek -14, mangan musi dać +14 (14-14 = 0). Stawiając równanie matematyczne mamy zatem:
2X - 14 = 0
2 pochodzi z faktu, że istnieją dwa atomy manganu. Rozwiązywanie i rozwiązywanie dla X, wartościowości metalu:
X = 14/2 = 7
Innymi słowy, każda Mn ma wartościowość +7.
Jak powstają?
Wilgoć i pH bezpośrednio wpływają na utlenianie metali do odpowiadających im tlenków. Obecność CO 2 , kwaśnego tlenku, może wystarczająco rozpuszczać się w wodzie pokrywającej część metalową, aby przyspieszyć włączanie tlenu w postaci anionowej do struktury krystalicznej metalu.
Reakcję tę można również przyspieszyć wraz ze wzrostem temperatury, zwłaszcza gdy pożądane jest otrzymanie 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) + O 2 (g) => 2MO (s)
Ta reakcja jest powolna, ponieważ tlen ma silne wiązanie podwójne O = O, a transfer elektroniczny między nim a metalem jest nieefektywny.
Jednak znacznie przyspiesza wraz ze wzrostem temperatury i pola powierzchni. Wynika to z faktu, że dostarczana jest energia niezbędna do zerwania podwójnego wiązania O = O, a ponieważ jest większy obszar, tlen porusza się równomiernie w całym metalu, zderzając się w tym samym czasie z atomami metalu.
Im większa ilość reagującego tlenu, tym większa wynikająca wartość wartościowości lub stopnia utlenienia metalu. Czemu? Ponieważ tlen pobiera z metalu coraz więcej elektronów, aż osiągnie najwyższy stopień utlenienia.
Widać to na przykład w przypadku miedzi. Kiedy kawałek metalicznej miedzi reaguje z ograniczoną ilością tlenu, powstaje Cu 2 O (tlenek miedzi (I), tlenek miedziawy lub tlenek dikobru):
4Cu (s) + O 2 (g) + Q (ciepło) => 2Cu 2 O (s) (czerwone ciało stałe)
Ale gdy reaguje w równoważnych ilościach, otrzymuje się CuO (tlenek miedzi (II), tlenek miedziowy lub tlenek miedzi):
2Cu (s) + O 2 (g) + Q (ciepło) => 2CuO (s) (czarne ciało stałe)
Reakcja soli metali z tlenem
Tlenki metali mogą powstawać w wyniku rozkładu termicznego. Aby było to możliwe, ze związku wyjściowego (soli lub wodorotlenku) należy uwolnić jedną lub dwie małe cząsteczki:
M (OH) 2 + Q => MO + H 2 O
OLS 3 + Q => MO + CO 2
2M (NO 3 ) 2 + Q => MO + 4NO 2 + O 2
Zauważ, że H 2 O, CO 2 , NO 2 i O 2 to uwolnione cząsteczki.
Aplikacje
Ze względu na bogaty skład metali w skorupie ziemskiej oraz tlenu w atmosferze, tlenki metali znajdują się w wielu źródłach mineralogicznych, z których można uzyskać solidną podstawę do produkcji nowych materiałów.
Każdy tlenek metalu ma bardzo specyficzne zastosowania, od odżywczych (ZnO i MgO) po dodatki do cementu (CaO) lub po prostu jako pigmenty nieorganiczne (Cr 2 O 3 ).
Niektóre tlenki są tak gęste, że kontrolowany wzrost warstwy może chronić stop lub metal przed dalszym utlenianiem. Badania wykazały nawet, że utlenianie warstwy ochronnej trwa tak, jakby była to ciecz, która pokrywa wszystkie pęknięcia lub powierzchowne wady metalu.
Tlenki metali mogą przybierać fascynujące struktury w postaci nanocząstek lub dużych agregatów polimerowych.
Fakt ten sprawia, że są one przedmiotem badań nad syntezą materiałów inteligentnych ze względu na ich dużą powierzchnię, na której projektuje się urządzenia reagujące na najmniejszy bodziec fizyczny.
Ponadto tlenki metali są surowcem do wielu zastosowań technologicznych, od luster i ceramiki o wyjątkowych właściwościach do sprzętu elektronicznego po panele słoneczne.
Przykłady
Tlenki żelaza
2Fe (s) + O 2 (g) => 2FeO (s) tlenek żelaza (II).
6FeO (s) + O 2 (g) => 2Fe 3 O 4 (s) magnetyczny tlenek żelaza.
Fe 3 O 4 , znany również jako magnetyt, jest tlenkiem mieszanym; Oznacza to, że składa się ze stałej mieszaniny FeO i Fe 2 O 3 .
4Fe 3 O 4 (s) + O 2 (g) => 6Fe 2 O 3 (s) tlenek żelaza (III).
Tlenki metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych
Zarówno metale alkaliczne, jak i metale ziem alkalicznych mają tylko jeden stopień utlenienia, więc ich tlenki są bardziej „proste”:
-Na 2 O: tlenek sodu.
-Li 2 O: tlenek litu.
-K 2 O: tlenek potasu.
-CaO: tlenek wapnia.
-MgO: tlenek magnezu.
-BeO: tlenek berylu (który jest tlenkiem amfoterycznym)
Tlenki grupy IIIA (13)
Pierwiastki z grupy IIIA (13) mogą tworzyć tlenki tylko ze stopniem utlenienia +3. Zatem mają wzór chemiczny M 2 O 3, a ich tlenki są następujące:
-Al 2 O 3 : tlenek glinu.
-Ga 2 O 3 : tlenek galu.
-In 2 O 3 : tlenek indu.
I w końcu
-Tl 2 O 3 : tlenek talu.
Bibliografia
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning, s. 237.
- AlonsoFormula. Tlenki metali. Zaczerpnięte z: alonsoformula.com
- Regents of the University of Minnesota. (2018). Charakterystyka kwasowo-zasadowa tlenków metali i niemetali. Zaczerpnięte z: chem.umn.edu
- David L. Chandler. (3 kwietnia 2018). Samoregenerujące się tlenki metali mogą chronić przed korozją. Zaczerpnięte z: news.mit.edu
- Stany fizyczne i struktury tlenków. Zaczerpnięte z: wou.edu
- Quimitube. (2012). Utlenianie żelaza. Zaczerpnięte z: quimitube.com
- Chemistry LibreTexts. Tlenki. Zaczerpnięte z: chem.libretexts.org
- Kumar M. (2016) Metal Oxide Nanostructures: Growth and Applications. W: Husain M., Khan Z. (red.) Advances in Nanomaterials. Advanced Structured Materials, vol 79. Springer, New Delhi