- Propietats dels òxids no metàl·lics
- basicitat
- Anfoterismo
- Nomenclatura
- Nomenclatura tradicional
- Nomenclatura sistemàtica
- Nomenclatura estoc
- Càlcul de l'nombre de valència
- Com es formen?
- Reacció directa de l'metall amb l'oxigen
- Reacció de sals metàl·liques amb l'oxigen
- usos
- exemples
- Òxids de ferro
- Òxids alcalins i alcalinoterris
- Òxids de el grup IIIA (13)
- referències
Els òxids metàl·lics són compostos inorgànics formats per cations metàl·lics i oxigen. Generalment comprenen un vast nombre de sòlids iònics, en els quals l'anió òxid (O 2-) interacciona electrostàticament amb les espècies M +.
M + és així qualsevol catió que deriva de l'metall pur: des dels alcalins i els metalls de transició, a excepció d'alguns metalls nobles (com l'or, el platí i el pal·ladi), fins als elements més pesats de l'bloc p de la taula periòdica (com el plom i el bismut).
Font: Pixabay.
A la imatge superior es mostra una superfície de ferro coberta per crostes vermelloses. Aquestes "crostes" són el que es coneix com rovell o orina, que al seu torn representen una prova visual de l'oxidació de l'metall arran de les condicions del seu entorn. Químicament, la rovell és una barreja hidratada d'òxids de ferros (III).
Per què l'oxidació de l'metall porta com a conseqüència la degradació de la seva superfície? Això es deu a la incorporació de l'oxigen dins de l'estructura cristal·lina de l'metall.
Quan això succeeix, el volum de l'metall augmenta i es debiliten les interaccions originals, provocant la ruptura de l'sòlid. Així mateix, aquestes esquerdes permeten que més molècules d'oxigen penetrin les capes metàl·liques internes, corcant del tot la peça des dins seu.
No obstant això, aquest procés ocorre a diferents velocitats i depèn de la naturalesa de l'metall (la seva reactivitat) i de les condicions físiques que l'envolten. Per tant, hi ha factors que acceleren o alenteixen l'oxidació de l'metall; dos d'ells són la presència d'humitat i el pH.
Per què? Perquè l'oxidació de l'metall per produir un òxid metàl·lic implica una transferència d'electrons. Aquests "viatgen" d'una espècie química a una altra sempre que el mitjà ho faciliti, ja sigui per la presència d'ions (H +, Na +, Mg 2+, Cl -, etc.), que modifiquen el pH, o per les molècules d'aigua que aporten el mitjà de transport.
Analíticament, la tendència d'un metall per formar l'òxid corresponent es reflecteix en les seves potencials de reducció, els quals revelen quin metall reacciona més ràpid en comparació a un altre.
L'or, per exemple, té un potencial de reducció molt més gran que el ferro, raó per la qual brilla amb el seu característic fulgor daurat sense un òxid que el opaque.
Propietats dels òxids no metàl·lics
Òxid de magnesi, un òxid metàl·lic.
Les propietats dels òxids metàl·lics varien d'acord a l'metall i com aquest interacciona amb l'anió O 2-. Això comporta aque alguns òxids posseeixin majors densitats o solubilitats en aigua que altres. No obstant això, tots tenen en comú el caràcter metàl·lic, el qual es reflecteix inevitablement en la seva basicitat.
En altres paraules: es coneixen també com anhídrids bàsics o òxids bàsics.
basicitat
La basicitat dels òxids metàl·lics es pot comprovar experimentalment mitjançant l'ús d'un indicador àcid-base. Com? Si afegim un tros petit de l'òxid a una solució aquosa amb una mica d'indicador dissolt; aquest pot ser el suc liquat de la col morada.
Tenint llavors el ventall de colors en funció de l'pH, l'òxid tornarà el suc a colors blavosos, corresponents a pH bàsics (amb valors entre 8 i 10). Això es deu al fet que la porció dissolta de l'òxid allibera ions OH - a l'mig, sent aquests en aquest experiment els responsables de l'canvi de pH.
Així, per a un òxid MO que es solubilitza en aigua, aquest es transforma en l'hidròxid metàl·lic (un "òxid hidratat") d'acord a les següents equacions químiques:
MO + H 2 O => M (OH) 2
M (OH) 2 <=> M 2+ + 2OH -
La segona equació és l'equilibri de solubilitat de l'hidròxid M (OH) 2. Cal notar que el metall té càrrega 2+, el que també vol dir que la seva valència és de +2. La valència d'el metall es relaciona directament amb la seva tendència a guanyar electrons.
D'aquesta manera, com més positiva sigui la valència, major serà la seva acidesa. En el cas que M tingués valència de +7, llavors l'òxid M 2 O 7 seria àcid i no bàsic.
Anfoterismo
Els òxids metàl·lics són bàsics, però, no tots tenen el mateix caràcter metàl·lic. Com saber-ho? Situant el metall M a la taula periòdica. Mentre més estigui a l'esquerra de la mateixa, i en els períodes baixos, més metàl·lic serà i per tant més bàsic serà el seu òxid.
A la frontera entre els òxids bàsics i àcids (els òxids no metàl·lics) es troben els òxids amfòters. Aquí la paraula 'amfòter' vol dir que l'òxid actua tant com a base com àcid, el que és igual al fet que en dissolució aquosa pot formar l'hidròxid o el complex aquós M (OH 2) 6 2+.
El complex aquós no és més que la coordinació de n molècules d'aigua amb el centre metàl·lic M. Pel complex M (OH 2) 6 2+, el metall M 2+ està envoltat de sis molècules d'aigua, i pot considerar com un catió hidratat. Molts d'aquests complexos manifesten intenses coloracions, com les que s'observen per al coure i el cobalt.
Nomenclatura
Com es nomenen els òxids metàl·lics? Hi ha tres maneres de fer-ho: la tradicional, la sistemàtica i l'estoc.
Nomenclatura tradicional
Per anomenar correctament l'òxid metàl·lic d'acord a les normes regides per la IUPAC, cal conèixer les possibles valències de l'metall M. A la major (la més positiva) se li assigna a el nom de l'metall el sufix -ic, mentre que a la menor, el prefix -ós.
Exemple: donades les valències +2 i +4 d'el metall M, els seus òxids corresponents són MO i MO 2. Si M fos el plom, Pb, llavors PbO seria òxid plumb ós, i PbO 2 l'òxid Plumb ic. Si el metall té una sola valència, se li nomena el seu òxid amb el sufix -ic. Així, Na 2 O és l'òxid sòdic.
D'altra banda, els prefixos hipo- i per- s'agreguen quan hi ha tres o quatre valències disponibles per al metall. D'aquesta manera, el Mn 2 O 7 és l'òxid per Mangan ico, pel fet que el Mn té valència +7, la més gran de totes.
No obstant això, aquest tipus de nomenclatura presenta certes dificultats i sol ser la menys utilitzada.
Nomenclatura sistemàtica
S'hi consideren el nombre d'àtoms de M i oxigen que conformen la fórmula química de l'òxid. A partir d'ells, se li assigna els corresponents prefixos mono-, di-, tri-, tetra-, etc.
Prenent com a exemple els tres òxids metàl·lics recents, el PbO és el monòxid de plom; el PbO 2 el diòxid de plom; i el Na 2 O el monòxid de disodi. Per al cas del rovell, Fe 2 O 3, el seu nom respectiu és el triòxid de diferro.
Nomenclatura estoc
A diferència de les altres dues nomenclatures, en aquesta té més importància la valència de l'metall. La valència s'especifica mitjançant nombres romans entre parèntesis: (I), (II), (III), (IV), etc. L'òxid metàl·lic es nomena llavors com òxid de metall (n).
Aplicant la nomenclatura estoc per als exemples anteriors es té:
-PbO: òxid de plom (II).
-PbO 2: òxid de plom (IV).
-Na 2 O: òxid de sodi. Com té valència única de +1, no s'especifica.
-Fe 2 O 3: òxid de ferro (III).
-Mn 2 O 7: òxid de manganès (VII).
Càlcul de l'nombre de valència
Però, si no es compta amb una taula periòdica amb les valències, com es poden determinar? Per això cal recordar que l'anió O 2- aporta dues càrregues negatives a l'òxid metàl·lic. Arran de el principi de la neutralitat, aquestes càrregues negatives han de neutralitzar amb les positives de l'metall.
Per tant, si es coneix per la fórmula química el nombre d'oxígens, podrà determinar-se algebraicament la valència de l'metall perquè la suma de les càrregues doni zero.
El Mn 2 O 7 té set oxígens, llavors les seves càrregues negatives són iguals a 7x (-2) = -14. Per neutralitzar la càrrega negativa de -14, els manganesos han d'aportar +14 (14-14 = 0). Plantejant l'equació matemàtica es té llavors:
2X - 14 = 0
El 2 prové de el fet que hi ha dos àtoms de manganès. Resolent i buidant X, la valència de l'metall:
X = 14/2 = 7
És a dir que cada Mn té valència de +7.
Com es formen?
La humitat i el pH influeixen directament en l'oxidació dels metalls en els seus òxids corresponents. La presència de l'CO 2, òxid àcid, pot dissoldre prou en l'aigua que cobreix la peça metàl·lica per accelerar la incorporació de l'oxigen en forma aniònica a l'estructura cristal·lina de l'metall.
Aquesta reacció també es poden accelerar amb un increment de la temperatura, especialment quan es vol obtenir l'òxid en poc temps.
Reacció directa de l'metall amb l'oxigen
Els òxids metàl·lics es formen com a producte de la reacció entre el metall i l'oxigen circumdant. Aquesta pot representar-se amb l'equació química a continuació:
2M (s) + O 2 (g) => 2MO (s)
Aquesta reacció és lenta, ja que l'oxigen presenta un fort enllaç doble O = O i la transferència electrònica entre ell i el metall és ineficient.
No obstant això, s'accelera considerablement amb un increment de la temperatura i l'àrea superficial. Això es deu al fet que s'aporta l'energia necessària per trencar el doble enllaç O = O, i a l'haver major àrea, l'oxigen es desplaça uniformement per tot el metall, col·lidint a el mateix temps amb els àtoms metàl·lics.
Mentre més gran sigui la quantitat d'oxigen reaccionant, més gran serà la valència o nombre d'oxidació resultant per al metall. Per què? Perquè l'oxigen va arrabassant més i més electrons a el metall, fins que arriba al nombre d'oxidació més alt.
Això pot apreciar-se per al coure, per exemple. Quan una peça de coure metàl·lic reacciona amb una quantitat limitada d'oxigen es forma Cu 2 O (òxid de coure (I), òxid cuprós o monòxid de dicobre):
4Cu (s) + O 2 (g) + Q (calor) => 2Cu 2 O (s) (sòlid vermell)
Però quan reacciona en quantitats equivalents, s'obté CuO (òxid de coure (II), òxid cúpric o monòxid de coure):
2Cu (s) + O 2 (g) + Q (calor) => 2CuO (s) (sòlid negre)
Reacció de sals metàl·liques amb l'oxigen
Els òxids metàl·lics poden formar-se a través de la descomposició tèrmica. Perquè sigui possible, una o dues molècules petites han de alliberar-se de l'compost inicial (una sal o un hidròxid):
M (OH) 2 + Q => MO + H 2 O
MCO 3 + Q => MO + CO 2
2M (NO 3) 2 + Q => MO + 4NO 2 + O 2
Cal notar que H 2 O, CO 2, NO 2 i O 2 són les molècules alliberades.
usos
A causa de la rica composició de metalls de l'escorça terrestre, i a l'oxigen de l'atmosfera, els òxids metàl·lics es troben en moltes fonts mineralògiques, de les quals poden obtenir una base sòlida per a la fabricació de nous materials.
Cada òxid metàl·lic troba usos molt específics, des nutricionals (ZnO i MgO) fins com a additius de ciments (CaO), o simplement com pigments inorgànics (Cr 2 O 3).
Alguns òxids són tan denses, que el creixement controlat de les seves capes pot protegir un aliatge o metall de posteriors oxidacions. Fins i tot, estudis han revelat que l'oxidació de la capa protectora prossegueix com si fos un líquid que cobreix totes les escletxes o defectes superficials de l'metall.
Els òxids metàl·lics poden adoptar estructures fascinants, ja sigui com a nanopartícules o com a grans agregats polimèrics.
Aquest fet els fa objecte d'estudis per a la síntesi de materials intel·ligents, per la seva gran àrea superficial, la qual s'aprofita per dissenyar dispositius que responen a el menor estímul físic.
Així mateix, els òxids metàl·lics són la matèria primera de moltes aplicacions tecnològiques, des miralls i ceràmiques amb propietats úniques per als equips electrònics, fins panells solars.
exemples
Òxids de ferro
2Fe (s) + O 2 (g) => 2FeO (s) òxid de ferro (II).
6FeO (s) + O 2 (g) => 2Fe 3 O 4 (s) òxid de ferro magnètic.
El Fe 3 O 4, també conegut com magnetita, és un òxid mixt; això vol dir, que consisteix d'una barreja sòlida de LLEIG i Fe 2 O 3.
4Fe 3 O 4 (s) + O 2 (g) => 6Fe 2 O 3 (s) òxid de ferro (III).
Òxids alcalins i alcalinoterris
Tant els metalls alcalins com els alcalinoterris tenen un sol nombre d'oxidació, pel que els seus òxids són més "simples":
-Na 2 O: òxid de sodi.
-Li 2 O: òxid de liti.
-K 2 O: òxid de potassi.
-CaO: òxid de calci.
-MgO: òxid de magnesi.
-BeO: òxid de beril·li (el qual és un òxid anfotérico)
Òxids de el grup IIIA (13)
Els elements de el grup IIIA (13) poden formar òxids només amb un nombre d'oxidació de +3. Així, tenen per fórmula química M 2 O 3 i els seus òxids són els següents:
-Al febrer O 3: òxid d'alumini.
-Ga 2 O 3: òxid de gal·li.
-In 2 O 3: òxid d'indi.
I finalment
-Tl 2 O 3: òxid de tal·li.
referències
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8va ed.). Cengage Learning, pàg 237.
- AlonsoFormula. Metall Oxides. Pres de: alonsoformula.com
- Regents of the University of Minnesota. (2018). Acid-base Characteristics of Metall and Nonmetal Oxides. Pres de: chem.umn.edu
- David L. Chandler. (03 de abril del 2018). Self-healing metall oxides could protect against corrosion. Pres de: news.mit.edu
- The Physical States and Structures of Oxides. Pres de: wou.edu
- Quimitube. (2012). L'oxidació de l'ferro. Pres de: quimitube.com
- Chemistry LibreTexts. Oxides. Pres de: chem.libretexts.org
- Kumar M. (2016) Metall Oxide nanostructures: Growth and Applications. In: Husain M., Khan Z. (eds) Advances in Nanomaterials. Advanced Structured Materials, vol 79. Springer, New Delhi