Das Metalloxide Sie sind anorganische Verbindungen aus Metallkationen und Sauerstoff. Sie umfassen im Allgemeinen eine große Anzahl ionischer Feststoffe, in denen das Oxidanion (O.zwei-) interagiert elektrostatisch mit Spezies M.+.
M.+ Jedes Kation, das aus dem reinen Metall stammt, ist wie folgt: von den Alkali- und Übergangsmetallen mit Ausnahme einiger Edelmetalle (wie Gold, Platin und Palladium) bis zu den schwersten Elementen des p-Blocks des Periodensystems (wie z Blei und Wismut).
Das Bild oben zeigt eine Eisenoberfläche, die von rötlichen Krusten bedeckt ist. Diese "Krusten" sind sogenannte Roste oder Roste, die wiederum einen visuellen Beweis für die Oxidation des Metalls infolge der Umgebungsbedingungen darstellen. Chemisch gesehen ist Rost eine hydratisierte Mischung von Eisenoxiden (III).
Warum führt die Oxidation des Metalls zum Abbau seiner Oberfläche? Dies ist auf den Einbau von Sauerstoff in die Kristallstruktur des Metalls zurückzuführen..
Wenn dies geschieht, nimmt das Volumen des Metalls zu und die ursprünglichen Wechselwirkungen werden schwächer, wodurch der Feststoff reißt. Ebenso ermöglichen diese Risse, dass mehr Sauerstoffmoleküle in die inneren Metallschichten eindringen und das Stück von innen vollständig abfressen..
Dieser Prozess findet jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten statt und hängt von der Art des Metalls (seiner Reaktivität) und den physikalischen Bedingungen ab, die es umgeben. Daher gibt es Faktoren, die die Oxidation des Metalls beschleunigen oder verlangsamen; Zwei davon sind Feuchtigkeit und pH-Wert.
Warum? Denn die Oxidation von Metall zur Erzeugung eines Metalloxids beinhaltet einen Elektronentransfer. Diese "wandern" von einer chemischen Spezies zur anderen, solange die Umwelt dies erleichtert, entweder durch die Anwesenheit von Ionen (H.+, N / A+, Mgzwei+, Cl-, usw.), die den pH-Wert modifizieren, oder durch die Wassermoleküle, die das Transportmedium bereitstellen.
Analytisch spiegelt sich die Tendenz eines Metalls zur Bildung des entsprechenden Oxids in seinen Reduktionspotentialen wider, die zeigen, welches Metall im Vergleich zu einem anderen schneller reagiert..
Gold hat zum Beispiel ein viel höheres Reduktionspotential als Eisen, weshalb es mit seinem charakteristischen goldenen Schimmer ohne Oxid glänzt, um es zu trüben..
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Die Eigenschaften von Metalloxiden variieren je nach Metall und Wechselwirkung mit dem Anion O.zwei-. Dies bedeutet, dass einige Oxide eine höhere Dichte oder Löslichkeit in Wasser aufweisen als andere. Allen gemeinsam ist jedoch der metallische Charakter, der sich unweigerlich in seiner Basizität widerspiegelt..
Mit anderen Worten: Sie werden auch als basische Anhydride oder basische Oxide bezeichnet.
Die Basizität von Metalloxiden kann experimentell unter Verwendung eines Säure-Base-Indikators getestet werden. Wie? Zugabe eines kleinen Stücks Oxid zu einer wässrigen Lösung mit einem gelösten Indikator; Dies kann der verflüssigte Saft von Purpurkohl sein.
Wenn dann der Farbbereich vom pH-Wert abhängt, verwandelt das Oxid den Saft in bläuliche Farben, die dem basischen pH-Wert entsprechen (mit Werten zwischen 8 und 10). Dies liegt daran, dass der gelöste Teil des Oxids OH-Ionen freisetzt.- auf das Medium, wobei diese in dem Experiment für die Änderung des pH verantwortlich sind.
Für ein in Wasser gelöstes Oxid MO wird es daher gemäß den folgenden chemischen Gleichungen in Metallhydroxid (ein "hydratisiertes Oxid") umgewandelt:
MO + H.zweiO => M (OH)zwei
M (OH)zwei <=> M.zwei+ + 2OH-
Die zweite Gleichung ist das Löslichkeitsgleichgewicht des Hydroxids M (OH)zwei. Beachten Sie, dass das Metall eine Ladung von 2+ hat, was auch bedeutet, dass seine Wertigkeit +2 beträgt. Die Wertigkeit des Metalls hängt direkt mit seiner Tendenz zusammen, Elektronen zu gewinnen.
Auf diese Weise ist der Säuregehalt umso höher, je positiver die Wertigkeit ist. In dem Fall, dass M eine Wertigkeit von +7 hatte, dann war das Oxid M.zweiODER7 es wäre sauer und nicht basisch.
Metalloxide sind basisch, haben jedoch nicht alle den gleichen metallischen Charakter. Woher weißt du das? Lokalisieren Sie das Metall M im Periodensystem. Je weiter Sie links davon sind und in niedrigen Perioden, desto metallischer wird es und desto basischer wird Ihr Oxid..
An der Grenze zwischen basischen und sauren Oxiden (nichtmetallischen Oxiden) befinden sich amphotere Oxide. Hier bedeutet das Wort "amphoter", dass das Oxid sowohl als Base als auch als Säure wirkt, was dasselbe ist, wie es in wässriger Lösung das Hydroxid oder den wässrigen Komplex M (OH) bilden kannzwei)6zwei+.
Der wässrige Komplex ist nichts anderes als die Koordination von n Wassermoleküle mit dem Metallzentrum M. Für den Komplex M (OHzwei)6zwei+, Metall M.zwei+ Es ist von sechs Wassermolekülen umgeben und kann als hydratisiertes Kation betrachtet werden. Viele dieser Komplexe zeigen intensive Färbungen, wie sie beispielsweise für Kupfer und Kobalt beobachtet werden.
Wie heißen Metalloxide? Es gibt drei Möglichkeiten: traditionell, systematisch und auf Lager.
Um das Metalloxid gemäß den von der IUPAC geregelten Regeln korrekt zu benennen, müssen die möglichen Valenzen des Metalls M bekannt sein. Dem größten (dem positivsten) wird dem Metallnamen das Suffix -ico zugewiesen, während dem Moll Präfix -oso.
Beispiel: Angesichts der +2 und +4 Valenzen des Metalls M sind seine entsprechenden Oxide MO und MOzwei. Wenn M Blei, Pb, wäre, wäre PbO LotBär, und PbOzwei Bleioxidico. Wenn das Metall nur eine Valenz hat, wird sein Oxid mit dem Suffix -ico bezeichnet. Also, NazweiOder ist es Natriumoxid?.
Andererseits werden die Präfixe hypo- und per- hinzugefügt, wenn drei oder vier Valenzen für das Metall verfügbar sind. Auf diese Weise kann das MnzweiODER7 Es ist Rost proManganico, weil Mn eine Wertigkeit von +7 hat, die höchste von allen.
Diese Art der Nomenklatur weist jedoch gewisse Schwierigkeiten auf und wird normalerweise am wenigsten verwendet.
Es berücksichtigt die Anzahl der M- und Sauerstoffatome, aus denen die chemische Formel des Oxids besteht. Von ihnen werden die entsprechenden Präfixe mono-, di-, tri-, tetra- usw. vergeben..
Am Beispiel der drei neueren Metalloxide ist PbO Bleimonoxid; das PbOzwei Bleidioxid; und das NazweiOder Dinatriummonoxid. Für den Fall von Rost wird FezweiODER3, sein jeweiliger Name ist Dihierro-Trioxid.
Im Gegensatz zu den beiden anderen Nomenklaturen ist bei dieser die Wertigkeit des Metalls wichtiger. Die Wertigkeit wird durch römische Ziffern in Klammern angegeben: (I), (II), (III), (IV) usw. Das Metalloxid wird dann als Metalloxid (n) bezeichnet..
Unter Anwendung der Bestandsnomenklatur für die vorherigen Beispiele haben wir:
-PbO: Blei (II) oxid.
-PbOzwei: Blei (IV) oxid.
-N / AzweiO: Natriumoxid. Da es eine eindeutige Wertigkeit von +1 hat, wird es nicht angegeben.
-VertrauenzweiODER3: Eisen (III) oxid.
-MnzweiODER7: Mangan (VII) oxid.
Aber wenn Sie kein Periodensystem mit den Valenzen haben, wie können Sie sie bestimmen? Dazu muss daran erinnert werden, dass das Anion O.zwei- trägt zwei negative Ladungen zum Metalloxid bei. Nach dem Neutralitätsprinzip müssen diese negativen Ladungen mit den positiven des Metalls neutralisiert werden.
Wenn daher die Anzahl der Sauerstoffatome aus der chemischen Formel bekannt ist, kann die Wertigkeit des Metalls algebraisch bestimmt werden, so dass die Summe der Ladungen Null ergibt.
Das MnzweiODER7 es hat sieben Sauerstoffatome, daher sind seine negativen Ladungen gleich 7x (-2) = -14. Um die negative Ladung von -14 zu neutralisieren, muss Mangan +14 beitragen (14-14 = 0). Wir haben dann die mathematische Gleichung:
2X - 14 = 0
Die 2 kommt von der Tatsache, dass es zwei Manganatome gibt. Lösen und Lösen nach X, der Wertigkeit des Metalls:
X = 14/2 = 7
Mit anderen Worten hat jedes Mn eine Wertigkeit von +7.
Feuchtigkeit und pH-Wert beeinflussen direkt die Oxidation von Metallen zu ihren entsprechenden Oxiden. Das Vorhandensein von COzwei, saures Oxid kann es ausreichend in dem Wasser gelöst werden, das das Metallteil bedeckt, um den Einbau von Sauerstoff in anionischer Form in die Kristallstruktur des Metalls zu beschleunigen.
Diese Reaktion kann auch mit steigender Temperatur beschleunigt werden, insbesondere wenn Sie das Oxid in kurzer Zeit erhalten möchten..
Metalloxide entstehen als Produkt der Reaktion zwischen dem Metall und dem umgebenden Sauerstoff. Dies kann durch die folgende chemische Gleichung dargestellt werden:
2 M (s) + O.zwei(g) => 2 MO (s)
Diese Reaktion ist langsam, da Sauerstoff eine starke O = O-Doppelbindung aufweist und der elektronische Transfer zwischen ihm und dem Metall ineffizient ist..
Es beschleunigt sich jedoch erheblich mit zunehmender Temperatur und Oberfläche. Dies liegt an der Tatsache, dass die notwendige Energie bereitgestellt wird, um die O = O-Doppelbindung aufzubrechen, und da es eine größere Fläche gibt, wandert der Sauerstoff gleichmäßig durch das Metall und kollidiert gleichzeitig mit den Metallatomen..
Je größer die Menge an reagierendem Sauerstoff ist, desto größer ist die resultierende Valenz- oder Oxidationszahl für das Metall. Warum? Weil Sauerstoff dem Metall immer mehr Elektronen entnimmt, bis es die höchste Oxidationszahl erreicht.
Dies ist beispielsweise für Kupfer zu sehen. Wenn ein Stück metallisches Kupfer mit einer begrenzten Menge Sauerstoff reagiert, entsteht CuzweiO (Kupfer (I) -oxid, Kupfer (I) oxid oder Dicobre-Monoxid):
4Cu (s) + O.zwei(g) + Q (Wärme) => 2 CuzweiO (s) (roter Feststoff)
Wenn es jedoch in äquivalenten Mengen reagiert, wird CuO (Kupfer (II) -oxid, Kupferoxid oder Kupfermonoxid) erhalten:
2Cu (s) + O.zwei(g) + Q (Wärme) => 2 CuO (s) (schwarzer Feststoff)
Metalloxide können durch thermische Zersetzung gebildet werden. Damit dies möglich ist, müssen ein oder zwei kleine Moleküle aus der Ausgangsverbindung (ein Salz oder ein Hydroxid) freigesetzt werden:
M (OH)zwei + Q => MO + H.zweiODER
MCO3 + Q => MO + COzwei
2M (NR3)zwei + Q => MO + 4NOzwei + ODERzwei
Beachten Sie, dass H.zweiO, COzwei, NICHTzwei michzwei sind die freigesetzten Moleküle.
Aufgrund der reichen Metallzusammensetzung in der Erdkruste und des Sauerstoffs in der Atmosphäre kommen Metalloxide in vielen mineralogischen Quellen vor, aus denen eine solide Grundlage für die Herstellung neuer Materialien gewonnen werden kann..
Jedes Metalloxid findet sehr spezifische Verwendungen, von Nährstoffen (ZnO und MgO) bis zu Zementadditiven (CaO) oder einfach als anorganische Pigmente (CrzweiODER3).
Einige Oxide sind so dicht, dass ein kontrolliertes Schichtwachstum eine Legierung oder ein Metall vor weiterer Oxidation schützen kann. Studien haben sogar gezeigt, dass die Oxidation der Schutzschicht fortgesetzt wird, als wäre es eine Flüssigkeit, die alle Risse oder oberflächlichen Defekte des Metalls bedeckt..
Metalloxide können faszinierende Strukturen annehmen, entweder als Nanopartikel oder als große Polymeraggregate..
Diese Tatsache macht sie aufgrund ihrer großen Oberfläche zum Gegenstand von Studien zur Synthese intelligenter Materialien, mit denen Geräte entworfen werden, die auf den geringsten physikalischen Reiz reagieren..
Ebenso sind Metalloxide der Rohstoff für viele technologische Anwendungen, von Spiegeln und Keramiken mit einzigartigen Eigenschaften für elektronische Geräte bis hin zu Sonnenkollektoren..
2Fe (s) + O.zwei(g) => 2FeO (s) Eisen (II) oxid.
6FeO (s) + O.zwei(g) => 2Fe3ODER4magnetisches Eisenoxid (e).
Vertrauen3ODER4, auch als Magnetit bekannt, ist es ein Mischoxid; Dies bedeutet, dass es aus einer festen Mischung von FeO und Fe bestehtzweiODER3.
4Fe3ODER4(s) + O.zwei(g) => 6FezweiODER3Eisen (III) oxid (e).
Sowohl Alkali- als auch Erdalkalimetalle haben nur eine Oxidationszahl, daher sind ihre Oxide „einfacher“:
-N / AzweiO: Natriumoxid.
-LizweiO: Lithiumoxid.
-K.zweiO: Kaliumoxid.
-CaO: Calciumoxid.
-MgO: Magnesiumoxid.
-BeO: Berylliumoxid (welches ein amphoteres Oxid ist)
Elemente der Gruppe IIIA (13) können nur mit einer Oxidationszahl von +3 Oxide bilden. Sie haben also die chemische Formel M.zweiODER3 und seine Oxide sind die folgenden:
-ZumzweiODER3: Aluminiumoxid.
-GazweiODER3: Galliumoxid.
-ImzweiODER3: Indiumoxid.
Und schlussendlich
-TlzweiODER3: Thalliumoxid.
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