Proprietà, nomenclatura, usi ed esempi degli ossidi metallici

il ossidi metallici sono composti inorganici formati da cationi metallici e ossigeno. Essi comprendono generalmente un vasto numero di solidi ionici, in cui l'anione di ossido (O^2-) interagisce elettrostaticamente con la specie M.⁺.

M⁺ questo è qualsiasi catione che deriva dal metallo puro: dai metalli alcalini e di transizione, con l'eccezione di alcuni metalli nobili (come oro, platino e palladio), agli elementi più pesanti del blocco p della tavola periodica ( come il piombo e il bismuto).

L'immagine in alto mostra una superficie di ferro coperta da croste rossastre. Queste "croste" sono ciò che è noto come ruggine o ruggine, che a loro volta rappresentano un test visivo dell'ossidazione del metallo a causa delle condizioni del suo ambiente. Chimicamente, la ruggine è una miscela idratata di ossidi di ferro (III).

Perché l'ossidazione del metallo provoca il degrado della sua superficie? Ciò è dovuto all'incorporazione di ossigeno all'interno della struttura cristallina del metallo.

Quando ciò accade, il volume del metallo aumenta e le interazioni originali si indeboliscono, causando la rottura del solido. Inoltre, queste crepe permettono a più molecole di ossigeno di penetrare negli strati metallici interni, eliminando l'intero pezzo dall'interno.

Tuttavia, questo processo avviene a velocità diverse e dipende dalla natura del metallo (la sua reattività) e dalle condizioni fisiche che lo circondano. Pertanto, ci sono fattori che accelerano o rallentano l'ossidazione del metallo; due di questi sono la presenza di umidità e pH.

Perché? Perché l'ossidazione del metallo per produrre un ossido di metallo comporta un trasferimento di elettroni. Questi "viaggiano" da una specie chimica a un'altra fintanto che il mezzo lo facilita, sia per la presenza di ioni (H⁺, Na⁺, Mg²⁺, Cl^-, ecc.), che modifica il pH o le molecole d'acqua che forniscono i mezzi di trasporto.

Analiticamente, la tendenza di un metallo a formare l'ossido corrispondente si riflette nei suoi potenziali di riduzione, che rivelano quale metallo reagisce più velocemente rispetto ad un altro.

L'oro, ad esempio, ha un potenziale di riduzione molto maggiore rispetto al ferro, motivo per cui brilla con la sua caratteristica luce dorata senza un ossido che lo offusca.

indice

• 1 Proprietà degli ossidi non metallici
  • 1.1 Base
  • 1.2 Anfibio
• 2 Nomenclatura
  • 2.1 Nomenclatura tradizionale
  • 2.2 Nomenclatura sistematica
  • 2.3 Nomenclatura dello stock
  • 2.4 Calcolo del numero di valenza
• 3 Come si formano?
  • 3.1 Reazione diretta del metallo con ossigeno
  • 3.2 Reazione di sali metallici con ossigeno
• 4 usi
• 5 esempi
  • 5.1 Ossidi di ferro
  • 5.2 Ossidi alcalini e alcalino-terrosi
  • 5.3 Ossidi di gruppo IIIA (13)
• 6 riferimenti

Proprietà degli ossidi non metallici

Le proprietà degli ossidi metallici variano a seconda del metallo e del modo in cui interagisce con l'anione O^2-. Ciò porta ad alcuni ossidi con densità o solubilità più elevate in acqua rispetto ad altri. Tuttavia, tutti hanno in comune il carattere metallico, che si riflette inevitabilmente nella sua basicità.

In altre parole: sono anche note come anidridi basiche o ossidi di base.

basicità

La basicità degli ossidi metallici può essere verificata sperimentalmente mediante l'uso di un indicatore acido-base. Come? Aggiunta di un piccolo pezzo di ossido ad una soluzione acquosa con un indicatore disciolto; Questo può essere il succo liquefatto di cavolo viola.

Avendo quindi la gamma di colori a seconda del pH, l'ossido trasformerà il succo in colori bluastri, corrispondenti al pH di base (con valori compresi tra 8 e 10). Questo perché la porzione disciolta dell'ossido rilascia ioni OH^- per l'ambiente, essendo questi nell'esperimento responsabile del cambiamento del pH.

Pertanto, per un ossido di MO che viene solubilizzato in acqua, esso viene trasformato nell'idrossido di metallo (un "ossido idratato") in base alle seguenti equazioni chimiche:

MO + H₂O => M (OH)₂

M (OH)₂ <=> M²⁺ + 2OH^-

La seconda equazione è il bilancio di solubilità dell'idrossido M (OH)₂. Nota che il metallo ha una carica di 2+, il che significa anche che la sua valenza è +2. La valenza del metallo è direttamente correlata alla sua tendenza a guadagnare elettroni.

In questo modo, più la valenza è positiva, maggiore è la sua acidità. Nel caso in cui M avesse una valenza di +7, quindi l'ossido M₂O₇ Sarebbe acido e non di base.

Anfotero

Gli ossidi metallici sono fondamentali, tuttavia, non tutti hanno lo stesso carattere metallico. Come sapere? Individuazione del metallo M nella tavola periodica. Quanto più è a sinistra di esso, e nei periodi inferiori, tanto più metallico sarà e quindi più basico sarà il suo ossido.

Al confine tra gli ossidi di base e quelli acidi (gli ossidi non metallici) sono gli ossidi anfoteri. Qui la parola "anfotero" significa che l'ossido agisce sia come base che come acido, che è lo stesso della soluzione acquosa in quanto può formare l'idrossido o il complesso acquoso M (OH₂)₆²⁺.

Il complesso acquoso non è altro che la coordinazione di n molecole d'acqua con il centro metallico M. Per il complesso M (OH₂)₆²⁺, il metallo M²⁺ È circondato da sei molecole d'acqua e può essere considerato un catione idratato. Molti di questi complessi mostrano intense colorazioni, come quelle osservate per rame e cobalto.

nomenclatura

Come vengono denominati gli ossidi di metallo? Ci sono tre modi per farlo: il tradizionale, il sistematico e lo stock.

Nomenclatura tradizionale

Per denominare correttamente l'ossido di metallo secondo le regole governate dalla IUPAC, è necessario conoscere le possibili valenze del metallo M. Il più grande (il più positivo) è assegnato al nome del metallo il suffisso -ico, mentre il minore, il prefisso -oso.

Esempio: date le valenze +2 e +4 del metallo M, i suoi ossidi corrispondenti sono MO e MO₂. Se M fosse il piombo, Pb, allora PbO sarebbe il piombo dell'ossidoorso, e PbO₂ la prugna di ossidoico. Se il metallo ha una sola valenza, è chiamato il suo ossido con il suffisso -ico. Quindi, Na₂O è l'ossido di sodio.

D'altra parte, gli ipo e i prefissi vengono aggiunti quando ci sono tre o quattro valenze disponibili per il metallo. In questo modo, il Mn₂O₇ è l'ossido perMANGANico, perché il Mn ha valenza +7, il più alto di tutti.

Tuttavia, questo tipo di nomenclatura presenta alcune difficoltà ed è solitamente il meno utilizzato.

Nomenclatura sistematica

Considera il numero di atomi di M e di ossigeno che costituiscono la formula chimica dell'ossido. Da loro, vengono assegnati i corrispondenti prefissi mono-, di-, tri-, tetra-, ecc.

Prendendo come esempio i tre recenti ossidi metallici, PbO è monossido di piombo; il PbO₂ piombo diossido; e il Na₂O il monossido di disodio. Per il caso di ruggine, Fe₂O₃, il suo nome è dihierro triossido.

Nomenclatura di borsa

A differenza delle altre due nomenclature, in questo la valenza del metallo ha una maggiore importanza. La valenza è specificata da numeri romani tra parentesi: (I), (II), (III), (IV), ecc. L'ossido di metallo viene quindi chiamato come ossido di metallo (n).

Applicando la nomenclatura azionaria per gli esempi precedenti abbiamo:

-PbO: ossido di piombo (II).

-pbo₂: ossido di piombo (IV).

-NA₂O: ossido di sodio. Poiché ha una valenza unica di +1, non è specificato.

-Fe₂O₃: ossido di ferro (III).

-mn₂O₇: ossido di manganese (VII).

Calcolo del numero di valenza

Ma se non hai una tavola periodica con le valenze, come possono essere determinate? Per questo dobbiamo ricordare che l'anione O^2- contribuisce con due cariche negative all'ossido metallico. Seguendo il principio di neutralità, queste cariche negative devono essere neutralizzate con quelle positive del metallo.

Pertanto, se il numero di ossigeni è noto con la formula chimica, la valenza del metallo può essere determinata algebricamente in modo che la somma delle cariche sia pari a zero.

Il Mn₂O₇ ha sette ossigeni, quindi le sue cariche negative sono pari a 7x (-2) = -14. Per neutralizzare la carica negativa di -14, il manganese deve fornire +14 (14-14 = 0). Mettere l'equazione matematica è quindi:

2X - 14 = 0

Il 2 deriva dal fatto che ci sono due atomi di manganese. Risolvendo e schiarendo X, la valenza del metallo:

X = 14/2 = 7

Cioè, ogni Mn ha una valenza di +7.

Come si formano?

Umidità e pH influenzano direttamente l'ossidazione dei metalli nei loro corrispondenti ossidi. La presenza di CO₂, l'ossido di acido, può essere sciolto abbastanza nell'acqua che copre il pezzo di metallo per accelerare l'incorporazione di ossigeno in forma anionica alla struttura cristallina del metallo.

Questa reazione può anche essere accelerata con un aumento della temperatura, specialmente quando si desidera ottenere l'ossido in breve tempo.

Reazione diretta del metallo con ossigeno

Gli ossidi metallici sono formati come prodotto della reazione tra il metallo e l'ossigeno circostante. Questo può essere rappresentato con l'equazione chimica qui sotto:

2M (s) + O₂(g) => 2MO (s)

Questa reazione è lenta, poiché l'ossigeno ha un forte doppio legame O = O e il trasferimento elettronico tra esso e il metallo è inefficiente.

Tuttavia, accelera notevolmente con un aumento della temperatura e della superficie. Ciò è dovuto al fatto che l'energia necessaria per spezzare il doppio legame O = O è fornita, e poiché vi è più area, l'ossigeno si muove uniformemente attraverso il metallo, collidendo contemporaneamente con gli atomi di metallo.

Maggiore è la quantità di reagente di ossigeno, maggiore è il numero di valenza o di ossidazione risultante per il metallo. Perché? Perché l'ossigeno sta strappando sempre più elettroni dal metallo, fino a raggiungere il più alto numero di ossidazione.

Questo può essere visto per il rame, per esempio. Quando un pezzo di rame metallico reagisce con una quantità limitata di ossigeno, viene formato Cu₂O (ossido di rame (I), ossido rameoso o monossido di dicobre):

4Cu (s) + O₂(g) + Q (calore) => 2Cu₂O (s) (rosso solido)

Ma quando reagisce in quantità equivalenti, si ottengono CuO (ossido di rame (II), ossido rameico o ossido di rame):

2Cu (s) + O₂(g) + Q (calore) => 2CuO (s) (nero pieno)

Reazione di sali metallici con ossigeno

Gli ossidi metallici possono essere formati attraverso la decomposizione termica. Per essere possibile, una o due piccole molecole devono essere rilasciate dal composto iniziale (un sale o un idrossido):

M (OH)₂ + Q => MO + H₂O

MCO₃ + Q => MO + CO₂

2M (NO₃)₂ + Q => MO + 4NO₂ + O₂

Si noti che H₂O, CO₂, NO₂ e O₂ sono le molecole rilasciate.

applicazioni

Dovuto alla ricca composizione metallica della crosta terrestre, e l'ossigeno atmosferico, gli ossidi metallici sono presenti in molte fonti mineralogiche, che possono essere ottenute una solida base per la produzione di nuovi materiali.

Ogni ossido di metallo è di uso molto specifici, da nutrizionale (ZnO e MgO) come additivi per cemento (CaO), o semplicemente come pigmenti inorganici (Cr₂O₃).

Alcuni ossidi sono così densi che la crescita controllata dei loro strati può proteggere una lega o un metallo da un'ulteriore ossidazione. Persino studi hanno rivelato che l'ossidazione dello strato protettivo procede come se fosse un liquido che copre tutte le fessure o difetti superficiali del metallo.

Gli ossidi metallici possono adottare strutture affascinanti, sia come nanoparticelle sia come grandi aggregati polimerici.

Questo fatto rende oggetto di studi per la sintesi di materiali intelligenti, a causa della loro grande superficie, che viene utilizzato per progettare dispositivi che rispondono ad abbassare stimolo fisico.

Allo stesso modo, gli ossidi metallici sono la materia prima per molte applicazioni tecnologiche, da specchi e ceramiche con proprietà uniche per apparecchiature elettroniche, a pannelli solari.

Esempi

Ossidi di ferro

2Fe (s) + O₂(g) => 2FeO (s) ossido di ferro (II).

6FeO (s) + O₂(g) => 2Fe₃O₄(s) Ossido di ferro magnetico.

La fede₃O₄, noto anche come magnetite, è un ossido misto; questo significa che consiste in una solida miscela di FeO e Fe₂O₃.

4Fe₃O₄(s) + O₂(g) => 6 Fe₂O₃(s) ossido di ferro (III).

Ossidi alcalini e alcalino-terrosi

Entrambi i metalli alcalini e alcalino-terrosi hanno un unico numero di ossidazione, quindi i loro ossidi sono più "semplici":

-NA₂O: ossido di sodio.

-li₂O: ossido di litio.

-K₂O: ossido di potassio.

-CaO: ossido di calcio.

-MgO: ossido di magnesio.

-BeO: ossido di berillio (che è un ossido anfotero)

Ossidi di gruppo IIIA (13)

Gli elementi del gruppo IIIA (13) possono formare ossidi solo con un numero di ossidazione di +3. Quindi, hanno una formula chimica M₂O₃ e i suoi ossidi sono i seguenti:

-a₂O₃: ossido di alluminio.

-ga₂O₃: ossido di gallio.

-in₂O₃: ossido di indio.

E infine

TL₂O₃: ossido di tallio

riferimenti

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chimica. (8 ° ed.). CENGAGE Learning, p 237.
2. AlonsoFormula. Ossidi metallici. Tratto da: alonsoformula.com
3. Reggenti dell'Università del Minnesota. (2018). Caratteristiche acido-base di ossidi metallici e non metallici. Tratto da: chem.umn.edu
4. David L. Chandler. (3 aprile 2018). Gli ossidi metallici autoriparanti potrebbero proteggere dalla corrosione. Tratto da: news.mit.edu
5. Gli stati fisici e le strutture degli ossidi. Tratto da: wou.edu
6. Quimitube. (2012). L'ossidazione del ferro. Tratto da: quimitube.com
7. Chimica LibreTexts. Ossidi. Tratto da: chem.libretexts.org
8. Kumar M. (2016) Nanostrutture di ossido di metallo: crescita e applicazioni. In: Husain M., Khan Z. (eds) Progressi nei nanomateriali. Advanced Structured Materials, vol. 79. Springer, New Delhi