خصائص أكاسيد المعادن ، التسميات ، الاستخدامات والأمثلة

ال أكاسيد معدنية هي مركبات غير عضوية تتكون من الكاتيونات المعدنية والأكسجين. وهي تشمل عمومًا عددًا كبيرًا من المواد الصلبة الأيونية ، والتي فيها أنيون أكسيد (O^2-) يتفاعل كهربائيا مع الأنواع M⁺.

M⁺ هذا هو أي كاتيون مشتق من المعدن النقي: من الفلزات القلوية والانتقالية ، باستثناء بعض المعادن النبيلة (مثل الذهب والبلاتين والبلاديوم) ، إلى العناصر الأثقل في الكتلة p بالجدول الدوري ( مثل الرصاص والبزموت).

تُظهر الصورة العليا سطحًا من الحديد مغطى بقشور حمراء. هذه "القشور" هي ما يعرف بالصدأ أو الصدأ ، والذي بدوره يمثل اختبارًا بصريًا لأكسدة المعدن بسبب ظروف بيئته. كيميائيا ، الصدأ هو خليط رطب من أكاسيد الحديد (III).

لماذا أكسدة المعادن يؤدي إلى تدهور سطحه؟ هذا يرجع إلى دمج الأكسجين في التركيب البلوري للمعادن.

عندما يحدث هذا ، يزداد حجم المعدن وتضعف التفاعلات الأصلية ، مما يؤدي إلى كسر المادة الصلبة. أيضا ، تسمح هذه الشقوق لمزيد من جزيئات الأكسجين لاختراق الطبقات المعدنية الداخلية ، وأكل قطعة كاملة من الداخل..

ومع ذلك ، تحدث هذه العملية بسرعات مختلفة وتعتمد على طبيعة المعدن (تفاعليته) والظروف المادية المحيطة به. لذلك ، هناك عوامل تسرع أو تبطئ أكسدة المعدن ؛ اثنان منهم وجود الرطوبة ودرجة الحموضة.

لماذا؟ لأن أكسدة المعدن لإنتاج أكسيد المعادن يعني نقل الإلكترون. هذه "السفر" من نوع كيميائي إلى آخر طالما الوسيط يسهل ذلك ، إما عن طريق وجود أيونات (ح⁺, نا⁺, ملغ²⁺, الكلورين^-, إلخ) ، التي تعدل الرقم الهيدروجيني ، أو عن طريق جزيئات الماء التي توفر وسائل النقل.

من الناحية التحليلية ، ينعكس ميل المعدن لتشكيل أكسيد المطابق في إمكاناته الاختزالية ، والتي تكشف عن المعدن الذي يتفاعل بشكل أسرع بالمقارنة مع آخر.

الذهب ، على سبيل المثال ، لديه إمكانيات تخفيض أكبر بكثير من الحديد ، وهذا هو السبب في أنه يلمع بتوهجه الذهبي المميز دون أن ينكسره أكسيد..

مؤشر

• 1 خصائص الأكاسيد غير المعدنية
  • 1.1 الأساسية
  • 1.2 الأمفوترية
• 2 التسميات
  • 2.1 التسميات التقليدية
  • 2.2 تسميات منهجية
  • 2.3 التسميات المالية
  • 2.4 حساب عدد التكافؤ
• 3 كيف يتم تشكيلها?
  • 3.1 رد فعل مباشر من المعدن مع الأكسجين
  • 3.2 رد فعل الأملاح المعدنية مع الأكسجين
• 4 الاستخدامات
• 5 أمثلة
  • 5.1 أكاسيد الحديد
  • 5.2 أكاسيد الأرض القلوية والقلوية
  • 5.3 أكاسيد المجموعة IIIA (13)
• 6 المراجع

خواص الأكاسيد غير المعدنية

تختلف خصائص أكاسيد الفلز باختلاف المعدن وكيفية تفاعله مع الأنيون O^2-. يستلزم ذلك أن تكون بعض الأكاسيد عالية الكثافة أو ذوبان في الماء أكثر من غيرها. ومع ذلك ، تشترك جميعها في السمات المعدنية ، والتي تنعكس حتما في قاعدتها.

بمعنى آخر: تُعرف أيضًا باسم أنهيدريدات أساسية أو أكاسيد أساسية.

قاعدية

يمكن التحقق من أساسيات أكاسيد المعادن بشكل تجريبي من خلال استخدام مؤشر قاعدة الحمضية. كيف؟ إضافة قطعة صغيرة من أكسيد إلى محلول مائي مع بعض المؤشرات الذائبة ؛ هذا يمكن أن يكون عصير سائل من الملفوف الأرجواني.

وبعد أن يكون نطاق الألوان حسب درجة الحموضة ، يقوم الأكسيد بتحويل العصير إلى ألوان زرقاء ، تتوافق مع درجة الحموضة الأساسية (مع قيم تتراوح بين 8 و 10). وذلك لأن الجزء المذاب من أكسيد يطلق أيونات OH^- إلى البيئة ، كونها في التجربة المسؤولة عن التغيير في الرقم الهيدروجيني.

وبالتالي ، بالنسبة لأكسيد MO الذي يذوب في الماء ، فإنه يتحول إلى هيدروكسيد فلز ("أكسيد مائي") وفقًا للمعادلات الكيميائية التالية:

MO + H₂O => M (OH)₂

م (أوهايو)₂ <=> M²⁺ + 2OH^-

المعادلة الثانية هي توازن الذوبان لهيدروكسيد M (OH)₂. لاحظ أن المعدن له شحنة 2+ ، مما يعني أيضًا أن التكافؤ هو +2. يرتبط تكافؤ المعدن مباشرة بميله إلى اكتساب الإلكترونات.

وبهذه الطريقة ، كلما كان التكافؤ أكثر إيجابية ، زادت حموضة الجسم. في حالة أن M لديه تكافؤ +7 ، ثم أكسيد M₂O₇ سيكون الحمضية وليس الأساسية.

تذبذبية التفاعل

أكاسيد المعادن أساسية ، ولكن ليس جميعها لها نفس الشخصية المعدنية. كيف تعرف؟ تحديد موقع المعدن M في الجدول الدوري. وكلما زاد حجمها إلى يسارها ، وفي الفترات السفلية ، كانت المعادن أكثر ، وبالتالي سيكون أكسيدها أكثر أساسية.

عند الحدود بين الأكاسيد الأساسية والحمضية (الأكاسيد غير المعدنية) توجد الأكاسيد المبتورة. هنا تعني كلمة "مذبذب" أن الأكسيد يعمل كقاعدة وحمض ، وهو نفسه كما في المحلول المائي يمكن أن يشكل هيدروكسيد أو مركب مائي M (OH₂)₆²⁺.

المجمع المائي ليس أكثر من التنسيق ن جزيئات الماء مع مركز معدني M. لمجمع M (OH₂)₆²⁺, المعدن م²⁺ إنه محاط بستة جزيئات ماء ، ويمكن اعتباره كاتيون رطب. تظهر العديد من هذه المجمعات تلوينات مكثفة ، مثل تلك الملاحظة للنحاس والكوبالت.

تسمية

كيف يتم تسمية أكاسيد المعادن؟ هناك ثلاث طرق للقيام بذلك: التقليدية والمنهجية والأوراق المالية.

التسميات التقليدية

لتسمية أكسيد الفلز بشكل صحيح وفقًا للقواعد التي تحكم IUPAC ، من الضروري معرفة التكافؤ المحتمل للمعدن M. ويتم تعيين أكبر (الأكثر إيجابية) لاسم المعدن لاحقة -ico ، في حين أن قاصر ، البادئة -oso.

مثال: بالنظر إلى التكافؤ +2 و +4 من المعدن M ، فإن أكاسيدها المقابلة هي MO و MO₂. إذا كانت M هي الرصاص ، Pb ، فإن PbO سيكون ساقط أكسيدتحمل, و PbO₂ البرقوق أكسيدمنظمة البن الدولية. إذا كان المعدن يحتوي على تكافؤ واحد فقط ، فسيتم تسميته بأكسيده باللاحقة -ico. لذلك ، نا₂أم هو أكسيد الصوديوم.

من ناحية أخرى ، يتم إضافة البادئات hypo و لكل البادئة عندما يكون هناك ثلاثة أو أربعة التكافؤ المتاحة للمعادن. بهذه الطريقة ، المنغنيز₂O₇ إنه أكسيد لكلمانجانمنظمة البن الدولية, لأن Mn لديه التكافؤ +7 ، وهو أعلى من كل شيء.

ومع ذلك ، فإن هذا النوع من المصطلحات يطرح بعض الصعوبات وعادة ما يكون الأقل استخدامًا.

تسميات منهجية

إنه يأخذ في الاعتبار عدد ذرات M والأكسجين التي تشكل الصيغة الكيميائية للأكسيد. منهم ، يتم تعيين البادئات المقابلة أحادية ، دي ، ثلاثية ، رباعي ، وما إلى ذلك.

أخذ أكاسيد المعادن الثلاثة الأخيرة كمثال ، PbO هو أول أكسيد الرصاص ؛ PbO₂ ثاني أكسيد الرصاص و Na₂أو أول أكسيد الصوديوم. لحالة الصدأ ، الحديد₂O₃, اسم كل منها هو ثالث أكسيد ديهيرو.

الأسهم التسميات

على عكس التسميات الأخرى ، في هذا تكافؤ المعدن له أهمية أكبر. يتم تحديد التكافؤ بالأرقام الرومانية بين قوسين: (I) ، (II) ، (III) ، (IV) ، إلخ. ثم يتم تسمية أكسيد الفلز باسم أكسيد المعادن (ن).

تطبيق التسميات الأسهم للحصول على الأمثلة السابقة لدينا:

-PbO: أكسيد الرصاص (II).

-منع الرشوة₂: أكسيد الرصاص (IV).

-نا₂O: أكسيد الصوديوم. نظرًا لأنه يحتوي على تكافؤ فريد لـ +1 ، لم يتم تحديده.

-إيمان₂O₃: أكسيد الحديد (III).

-مليون₂O₇: أكسيد المنغنيز (السابع).

حساب عدد التكافؤ

ولكن ، إذا لم يكن لديك جدول دوري مع التكافؤ ، كيف يمكنك تحديدها؟ لهذا يجب أن نتذكر أن أنيون يا^2- أنه يسهم شحنتين سالبين إلى أكسيد معدني. باتباع مبدأ الحياد ، يجب تحييد هذه الشحنات السلبية مع الشحنات الإيجابية للمعدن.

لذلك ، إذا كان عدد الأكسجين معروفًا بالصيغة الكيميائية ، فيمكن تحديد تكافؤ المعدن جبريًا بحيث يعطي مجموع الشحنات صفرًا.

المنغنيز₂O₇ له سبعة أوكسجين ، ثم الشحنات السالبة تساوي 7x (-2) = -14. لتحييد الشحنة سالبة من -14 ، يجب على المنغنيز تقديم +14 (14-14 = 0). وضع المعادلة الرياضية هو:

2X - 14 = 0

2 يأتي من حقيقة أن هناك ذرتان منغنيز. حل وتطهير X ، التكافؤ من المعدن:

س = 14/2 = 7

وهذا يعني أن كل رجل لديه تكافؤ +7.

كيف يتم تشكيلها?

تؤثر الرطوبة ودرجة الحموضة بشكل مباشر على أكسدة المعادن في أكاسيدها المقابلة. وجود CO₂, يمكن إذابة أكسيد الحمض بما فيه الكفاية في الماء الذي يغطي الجزء المعدني لتسريع عملية دمج الأكسجين في شكل أنيوني في التركيب البلوري للمعادن.

يمكن أيضًا تسريع هذا التفاعل بزيادة في درجة الحرارة ، خاصةً عند الرغبة في الحصول على أكسيد في وقت قصير.

التفاعل المباشر للمعادن مع الأكسجين

تتشكل أكاسيد الفلز كمنتج للتفاعل بين المعدن والأكسجين المحيط به. يمكن تمثيل ذلك بالمعادلة الكيميائية أدناه:

2M (ق) + O₂(g) => 2MO (s)

يكون هذا التفاعل بطيئًا ، حيث أن الأكسجين له رابطة قوية مزدوجة O = O وأن النقل الإلكتروني بينها وبين المعدن غير فعال.

ومع ذلك ، فإنه يتسارع بشكل كبير مع زيادة في درجة الحرارة ومساحة السطح. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الطاقة اللازمة لكسر الرابطة المزدوجة O = يتم توفيرها ، وحيث أن هناك مساحة أكبر ، يتحرك الأكسجين بشكل موحد في جميع أنحاء المعدن ، ويتصادم في نفس الوقت مع ذرات المعدن.

كلما زادت كمية مادة الأكسجين المتفاعلة ، زاد عدد التكافؤ أو الأكسدة الناتجة عن المعدن. لماذا؟ لأن الأكسجين يخطف المزيد والمزيد من الإلكترونات من المعدن ، حتى يصل إلى أعلى رقم أكسدة.

يمكن ملاحظة ذلك بالنسبة للنحاس ، على سبيل المثال. عندما تتفاعل قطعة من النحاس المعدني مع كمية محدودة من الأكسجين يتم تشكيل النحاس₂O (أكسيد النحاس (I) ، وأكسيد النحاس أو أول أكسيد ثنائي أكسيد):

4Cu (ق) + O₂(g) + Q (heat) => 2Cu₂(ق) (الأحمر الصلبة)

ولكن عندما يتفاعل بكميات مكافئة ، يتم الحصول على CuO (أكسيد النحاس (II) أو أكسيد الكأس أو أول أكسيد النحاس):

2Cu (ق) + O₂(g) + Q (heat) => 2CuO (s) (أسود صلب)

تفاعل الأملاح المعدنية مع الأكسجين

يمكن تشكيل أكاسيد معدنية من خلال التحلل الحراري. ليكون ذلك ممكنًا ، يجب إطلاق جزيء واحد أو اثنين من الجزيئات الصغيرة من المركب الأولي (ملح أو هيدروكسيد):

م (أوهايو)₂ + س => MO + H₂O

MCO₃ + Q => MO + CO₂

2M (لا₃)₂ + س => MO + 4NO₂ + O₂

لاحظ أن ح₂يا شركة₂, NO₂ و يا₂ هي الجزيئات المنبعثة.

تطبيقات

بسبب التركيب الغني للمعادن في قشرة الأرض ، والأكسجين في الغلاف الجوي ، توجد أكاسيد المعادن في العديد من المصادر المعدنية ، والتي يمكن الحصول منها على قاعدة صلبة لتصنيع مواد جديدة.

كل أكسيد معدن يجد استخدامات محددة للغاية ، من التغذية (ZnO و MgO) إلى إضافات الأسمنت (CaO) ، أو ببساطة كأصباغ غير عضوية (Cr).₂O₃).

تتسم بعض الأكاسيد بكثافة كبيرة بحيث يمكن للنمو المتحكم فيه لطبقاتها حماية سبيكة أو معدن من المزيد من الأكسدة. كشفت حتى الدراسات أن أكسدة الطبقة الواقية تستمر كما لو كانت سائلة تغطي جميع الشقوق أو العيوب السطحية للمعادن.

يمكن أن تتبنى أكاسيد المعادن هياكل رائعة ، إما كجسيمات نانوية أو كركام بوليمري كبير.

هذه الحقيقة تجعلهم موضوع دراسات لتوليف المواد الذكية ، بسبب مساحتها الكبيرة ، والتي تستخدم لتصميم الأجهزة التي تستجيب لأقل الحوافز المادية.

وبالمثل ، فإن الأكاسيد المعدنية هي المادة الخام للعديد من التطبيقات التكنولوجية ، من المرايا والسيراميك مع خصائص فريدة للمعدات الإلكترونية ، إلى الألواح الشمسية.

أمثلة

أكاسيد الحديد

2Fe (ق) + O₂(g) => 2FeO (s) أكسيد الحديد (II).

6FeO (ق) + O₂(ز) => 2Fe₃O₄(ق) أكسيد الحديد المغناطيسي.

الإيمان₃O₄, المعروف أيضا باسم المغنتيت ، وهو أكسيد مختلط. هذا يعني أنه يتكون من خليط صلب من FeO و Fe₂O₃.

4Fe₃O₄(ق) + O₂(ز) => 6Fe₂O₃(ق) أكسيد الحديد (ثالثا).

أكاسيد الأرض القلوية والقلوية

كل من المعادن الأرضية القلوية والقلوية لها رقم أكسدة واحد ، لذلك أكاسيدها أكثر "بسيطة":

-نا₂O: أكسيد الصوديوم.

-لي₂يا: أكسيد الليثيوم.

-K₂O: أكسيد البوتاسيوم.

-كا: أكسيد الكالسيوم.

-أهداب الشوق: أكسيد المغنيسيوم.

-BeO: أكسيد البريليوم (وهو أكسيد مذبذب)

أكاسيد المجموعة IIIA (13)

يمكن لعناصر المجموعة IIIA (13) تكوين أكاسيد فقط برقم أكسدة +3. وبالتالي ، لديهم صيغة كيميائية M₂O₃ وأكاسيدها هي:

-ل₂O₃: أكسيد الألومنيوم.

-الجا₂O₃: أكسيد الغاليوم.

-في₂O₃: أكسيد الإنديوم.

وأخيرا

-ليرة تركية₂O₃: أكسيد الثاليوم.

مراجع

1. بياض ، ديفيس ، بيك وستانلي. الكيمياء. (الطبعة الثامنة). CENGAGE Learning ، ص 237.
2. AlonsoFormula. أكاسيد المعادن. مأخوذة من: alonsoformula.com
3. حكام جامعة مينيسوتا (2018). خصائص القاعدة الحمضية للأكاسيد المعدنية وغير المعدنية. مأخوذة من: chem.umn.edu
4. ديفيد ل. تشاندلر. (3 أبريل 2018). أكاسيد المعادن الشفاء الذاتي يمكن أن تحمي من التآكل. مأخوذة من: news.mit.edu
5. الولايات الفيزيائية وهياكل الأكاسيد. مأخوذة من: wou.edu
6. Quimitube. (2012). أكسدة الحديد. مأخوذة من: quimitube.com
7. كيمياء LibreTexts. أكاسيد. مأخوذة من: chem.libretexts.org
8. كومار م. (2016) الهياكل النانوية لأكسيد المعادن: النمو والتطبيقات. في: حسين M. ، خان Z. (محرران) التقدم في المواد النانوية. المواد الهيكلية المتقدمة ، المجلد 79. سبرينغر ، نيودلهي