- Eigenschappen van niet-metaaloxiden
- Basiciteit
- Amfoterie
- Nomenclatuur
- Traditionele nomenclatuur
- Systematische nomenclatuur
- Voorraadnomenclatuur
- Berekening van het valentiegetal
- Hoe worden ze gevormd?
- Directe reactie van metaal met zuurstof
- Reactie van metaalzouten met zuurstof
- Toepassingen
- Voorbeelden
- Ijzeroxide
- Alkali- en aardalkalimetaaloxiden
- Oxiden van groep IIIA (13)
- Referenties
Metaal oxiden zijn anorganische verbindingen die bestaan uit metaalkationen en zuurstof. Ze bevatten over het algemeen een groot aantal ionische vaste stoffen, waarin het oxide-anion (O 2– ) elektrostatisch in wisselwerking staat met de M + -soort .
M + is als dit elk kation dat is afgeleid van het zuivere metaal: van de alkali- en overgangsmetalen, met uitzondering van enkele edelmetalen (zoals goud, platina en palladium), tot de zwaarste elementen van blok p van de tafel periodiek (zoals lood en bismut).
Bron: Pixabay.
De afbeelding hierboven toont een ijzeren oppervlak bedekt met roodachtige korsten. Deze "korstjes" zijn wat bekend staat als roest of roest, die op hun beurt een visueel bewijs vormen van de oxidatie van het metaal als gevolg van de omstandigheden in de omgeving. Chemisch gezien is roest een gehydrateerd mengsel van ijzer (III) oxiden.
Waarom leidt oxidatie van het metaal tot degradatie 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 oorspronkelijke interacties, waardoor de vaste stof scheurt. Evenzo laten deze scheuren toe dat meer zuurstofmoleculen de interne metaallagen binnendringen, waardoor het stuk van binnenuit volledig wordt weggevreten.
Dit proces vindt echter plaats met verschillende snelheden en is afhankelijk van de aard van het metaal (zijn reactiviteit) en de fysieke omstandigheden eromheen. Daarom zijn er factoren die de oxidatie van het metaal versnellen of vertragen; twee daarvan zijn de aanwezigheid van vochtigheid en pH.
Waarom? Omdat de oxidatie van metaal om een metaaloxide te produceren, een overdracht van elektronen inhoudt. Deze 'reizen' van de ene chemische soort naar de andere, zolang de omgeving dit mogelijk maakt, hetzij door de aanwezigheid van ionen (H + , Na + , Mg 2+ , Cl - , enz.), Die de pH wijzigen, of door de watermoleculen die het vervoermiddel vormen.
Analytisch gezien wordt de neiging van een metaal om het overeenkomstige oxide te vormen weerspiegeld in zijn reductiepotentieel, die onthullen welk metaal sneller reageert in vergelijking met een ander.
Goud heeft bijvoorbeeld een veel groter reductiepotentieel dan ijzer, daarom schijnt het met zijn karakteristieke gouden gloed zonder een oxide dat het dof maakt.
Eigenschappen van niet-metaaloxiden
Magnesiumoxide, een metaaloxide.
De eigenschappen van metaaloxiden variëren naargelang het metaal en hoe het interageert met het O 2 -anion . Dit betekent dat sommige oxiden hogere dichtheden of oplosbaarheden in water hebben dan andere. Ze hebben echter allemaal het metaalachtige karakter gemeen, dat onvermijdelijk tot uiting komt in hun basiciteit.
Met andere woorden: ze worden ook wel basische anhydriden of basische oxides genoemd.
Basiciteit
De basiciteit van metaaloxiden kan experimenteel worden geverifieerd door een zuur-base-indicator te gebruiken. Hoe? Een klein stukje van het oxide toevoegen aan een waterige oplossing met wat opgeloste indicator; Dit kan het vloeibaar gemaakte sap van de paarse kool zijn.
Nu het kleurbereik afhankelijk is van de pH, verandert het oxide het sap in blauwachtige kleuren, wat overeenkomt met de basische pH (met waarden tussen 8 en 10). Dit komt door het feit dat het opgeloste deel van het oxide OH - ionen afgeeft aan het medium, die verantwoordelijk zijn voor de pH-verandering in genoemd experiment.
Dus voor een oxide MO dat oplosbaar is gemaakt in water, wordt het omgezet in metaalhydroxide (een "gehydrateerd oxide") volgens de volgende chemische vergelijkingen:
MO + H 2 O => M (OH) 2
M (OH) 2 <=> M 2+ + 2OH -
De tweede vergelijking is het oplosbaarheidsevenwicht van het hydroxide M (OH) 2 . Merk op dat het metaal een lading van 2+ heeft, wat ook betekent dat de valentie +2 is. De valentie van het metaal houdt rechtstreeks verband met de neiging om elektronen op te nemen.
Op deze manier geldt: hoe positiever de valentie, hoe hoger de zuurgraad. In het geval dat M een valentie had van +7, dan zou het oxide M 2 O 7 zuur zijn en niet basisch.
Amfoterie
Metaaloxiden zijn basisch, maar ze hebben niet allemaal hetzelfde metaalachtige karakter. Hoe weet je dat? Zoek de metalen M op het periodiek systeem. Hoe verder je er links van bent, en in lage periodes, hoe meer metaalachtig het zal zijn en daarom hoe basischer je oxide zal zijn.
Op de grens tussen basische en zure oxiden (niet-metaaloxiden) bevinden zich amfotere oxiden. Hier betekent het woord 'amfoteer' dat het oxide zowel als base als als zuur werkt, wat hetzelfde is als in een waterige oplossing het hydroxide of het waterige complex M (OH 2 ) 6 2+ kan vormen .
Het waterige complex is niets meer dan de coördinatie van n watermoleculen met het metaalcentrum M.Voor het M (OH 2 ) 6 2+ -complex is het metaal M 2+ omgeven door zes watermoleculen en kan het worden beschouwd als een gehydrateerd kation. Veel van deze complexen vertonen intense kleuringen, zoals die worden waargenomen voor koper en kobalt.
Nomenclatuur
Hoe worden metaaloxiden genoemd? Er zijn drie manieren om dit te doen: traditioneel, systematisch en standaard.
Traditionele nomenclatuur
Om het metaaloxide correct te benoemen volgens de regels van de IUPAC, is het noodzakelijk om de mogelijke valenties van het metaal M te kennen. De grootste (de meest positieve) krijgt het achtervoegsel -ico toegewezen aan de naam van het metaal, terwijl de minor, het voorvoegsel –oso.
Voorbeeld: gegeven de +2 en +4 valenties van het metaal M, zijn de overeenkomstige oxiden MO en MO 2 . Als M van de leiding komt, Pb, dan zou oxide PbO Plumb dragen, en PbO 2 oxide PLUMB ico . Als het metaal maar één valentie heeft, wordt het oxide genoemd met het achtervoegsel –ico. Na 2 O is dus natriumoxide.
Aan de andere kant worden de voorvoegsels hypo- en per- toegevoegd wanneer er drie of vier valenties beschikbaar zijn voor het metaal. De Mn 2 O 7 is dus oxide per Mangan ico , omdat Mn vooral +7 valentie heeft.
Dit type nomenclatuur levert echter bepaalde problemen op en wordt meestal het minst gebruikt.
Systematische nomenclatuur
Hierin wordt rekening gehouden met het aantal M- en zuurstofatomen waaruit de chemische formule van het oxide bestaat. Van hen worden de overeenkomstige voorvoegsels mono-, di-, tri-, tetra-, etc. toegewezen.
Als we de drie recente metaaloxiden als voorbeeld nemen, is PbO loodmonoxide; PbO 2- looddioxide; en Na 2 O dinatriummonoxide. In het geval van roest, Fe 2 O 3 , is de respectievelijke naam di-ijzertrioxide.
Voorraadnomenclatuur
In tegenstelling tot de andere twee nomenclaturen is in deze de valentie van het metaal belangrijker. Valentie wordt gespecificeerd door Romeinse cijfers tussen haakjes: (I), (II), (III), (IV), etc. Het metaaloxide wordt dan metaal (n) oxide genoemd.
Als we de voorraadnomenclatuur toepassen op de vorige voorbeelden, hebben we:
-PbO: lood (II) oxide.
-PbO 2 : lood (IV) oxide.
-Na 2 O: natriumoxide. Omdat het een unieke valentie heeft van +1, is het niet gespecificeerd.
-Fe 2 O 3 : ijzer (III) oxide.
-Mn 2 O 7 : mangaan (VII) oxide.
Berekening van het valentiegetal
Maar als u geen periodiek systeem met de valenties heeft, hoe kunt u ze dan bepalen? Hiervoor moeten we niet vergeten dat het anion O 2– twee negatieve ladingen aan het metaaloxide bijdraagt. Volgens het neutraliteitsprincipe moeten deze negatieve ladingen worden geneutraliseerd met de positieve van het metaal.
Daarom, als het aantal zuurstofatomen bekend is uit de chemische formule, kan de valentie van het metaal algebraïsch worden bepaald, zodat de som van de ladingen nul is.
Mn 2 O 7 heeft zeven zuurstofatomen, dus de negatieve ladingen zijn gelijk aan 7x (-2) = -14. Om de negatieve lading van -14 te neutraliseren, moet mangaan +14 (14-14 = 0) bijdragen. Als we de wiskundige vergelijking stellen, hebben we dan:
2X - 14 = 0
De 2 komt van het feit dat er twee mangaanatomen zijn. Oplossen en oplossen voor X, de valentie van het metaal:
X = 14/2 = 7
Met andere woorden, elke Mn heeft een valentie van +7.
Hoe worden ze gevormd?
Vocht en pH hebben een directe invloed op de oxidatie van metalen tot hun overeenkomstige oxiden. De aanwezigheid van CO 2 , zuuroxide, kan voldoende oplossen in het water dat het metaaldeel bedekt om de opname van zuurstof in anionische vorm in de kristalstructuur van het metaal te versnellen.
Deze reactie kan ook worden versneld met een temperatuurstijging, vooral wanneer het gewenst is om het oxide in korte tijd te verkrijgen.
Directe reactie van metaal met zuurstof
Metaaloxiden worden gevormd als een product van de reactie tussen het metaal en de omringende zuurstof. Dit kan worden weergegeven door de onderstaande chemische vergelijking:
2 M (s) + O 2 (g) => 2 MO (s)
Deze reactie is traag, aangezien zuurstof een sterke O = O dubbele 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 door het feit dat de nodige energie wordt geleverd om de dubbele O = O-binding te verbreken, en omdat er een groter gebied is, beweegt de zuurstof gelijkmatig door het metaal en botst tegelijkertijd met de metaalatomen.
Hoe groter de hoeveelheid reagerende zuurstof, hoe groter het resulterende valentie- of oxidatiegetal voor het metaal. Waarom? Omdat zuurstof steeds meer elektronen uit het metaal haalt, totdat het het hoogste oxidatiegetal bereikt.
Dit is bijvoorbeeld te zien bij koper. Wanneer een stuk metallisch koper reageert met een beperkte hoeveelheid zuurstof, wordt Cu 2 O gevormd (koper (I) oxide, cupro oxide of dicobre monoxide):
4Cu (s) + O 2 (g) + Q (warmte) => 2Cu 2 O (s) (rode vaste stof)
Maar als het in equivalente hoeveelheden reageert, wordt CuO (koper (II) oxide, koperoxide of kopermonoxide) verkregen:
2Cu (s) + O 2 (g) + Q (warmte) => 2CuO (s) (zwarte vaste stof)
Reactie van metaalzouten met zuurstof
Metaaloxiden kunnen worden gevormd door thermische ontleding. Om dit mogelijk te maken, moeten een of twee kleine moleculen worden vrijgemaakt uit de uitgangsverbinding (een zout of een hydroxide):
M (OH) 2 + Q => MO + H 2 O
OLS 3 + Q => MO + CO 2
2M (NO 3 ) 2 + Q => MO + 4NO 2 + O 2
Merk op dat H 2 O, CO 2 , NO 2 en O 2 de vrijgekomen moleculen zijn.
Toepassingen
Door de rijke samenstelling van metalen in de aardkorst, en de zuurstof in de atmosfeer, worden in veel mineralogische bronnen metaaloxiden aangetroffen, waaruit een solide basis kan worden verkregen voor de vervaardiging van nieuwe materialen.
Elk metaaloxide vindt heel specifieke toepassingen, van nutritioneel (ZnO en MgO) tot cementadditieven (CaO), of gewoon als anorganische pigmenten (Cr 2 O 3 ).
Sommige oxiden zijn zo dicht dat gecontroleerde laaggroei een legering of metaal kan beschermen tegen verdere oxidatie. Studies hebben zelfs aangetoond dat de oxidatie van de beschermende laag doorgaat alsof het een vloeistof is die alle scheuren of oppervlakkige defecten van het metaal bedekt.
Metaaloxiden kunnen fascinerende structuren aannemen, hetzij als nanodeeltjes, hetzij als grote polymeeraggregaten.
Dit feit maakt ze het onderwerp van studies voor de synthese van intelligente materialen, vanwege hun grote oppervlak, dat wordt gebruikt om apparaten te ontwerpen die reageren op de minste fysieke prikkels.
Daarnaast zijn metaaloxiden de grondstof voor veel technologische toepassingen, van spiegels en keramiek met unieke eigenschappen voor elektronische apparatuur tot zonnepanelen.
Voorbeelden
Ijzeroxide
2Fe (s) + O 2 (g) => 2FeO (s) ijzer (II) oxide.
6FeO (s) + O 2 (g) => 2Fe 3 O 4 (s) magnetisch ijzeroxide.
Fe 3 O 4 , ook wel magnetiet genoemd, is een gemengd oxide; Dit betekent dat het bestaat uit een vast mengsel van FeO en Fe 2 O 3 .
4Fe 3 O 4 (s) + O 2 (g) => 6Fe 2 O 3 (s) ijzer (III) oxide.
Alkali- en aardalkalimetaaloxiden
Zowel alkalimetalen als aardalkalimetalen hebben slechts één oxidatiegetal, dus hun oxiden zijn 'eenvoudiger':
-Na 2 O: natriumoxide.
-Li 2 O: lithiumoxide.
-K 2 O: kaliumoxide.
-CaO: calciumoxide.
-MgO: magnesiumoxide.
-BeO: berylliumoxide (wat een amfoteer oxide is)
Oxiden van groep IIIA (13)
Elementen van groep IIIA (13) kunnen alleen oxiden vormen met een oxidatiegetal van +3. Ze hebben dus de chemische formule M 2 O 3 en hun oxiden zijn de volgende:
-Al 2 O 3 : aluminiumoxide.
-Ga 2 O 3 : galliumoxide.
-In 2 O 3 : indiumoxide.
En tenslotte
-Tl 2 O 3 : thalliumoxide.
Referenties
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren, p 237.
- AlonsoFormula. Metaaloxiden. Genomen van: alonsoformula.com
- Regenten van de Universiteit van Minnesota. (2018). Zuur-gebaseerde kenmerken van metaal en niet-metaaloxiden. Genomen uit: chem.umn.edu
- David L. Chandler. (3 april 2018). Zelfherstellende metaaloxiden kunnen beschermen tegen corrosie. Genomen uit: news.mit.edu
- De fysische toestanden en structuren van oxiden. Genomen uit: wou.edu
- Quimitube. (2012). IJzeroxidatie. Genomen van: quimitube.com
- Chemie LibreTexts. Oxiden. Genomen uit: chem.libretexts.org
- Kumar M. (2016) Metaaloxide-nanostructuren: groei en toepassingen. In: Husain M., Khan Z. (eds) Advances in Nanomaterials. Advanced Structured Materials, deel 79. Springer, New Delhi