METALLOXIDE: EIGENSCHAFTEN, NOMENKLATUR, VERWENDUNGEN UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Metalloxide sind anorganische Verbindungen von Metallkationen und Sauerstoff besteht. Sie umfassen im Allgemeinen eine große Anzahl ionischer Feststoffe, in denen das Oxidanion (O ^2– ) elektrostatisch mit der M ^{+ -Spezies} wechselwirkt .

M ⁺ ist wie jedes Kation, das vom reinen Metall stammt: von den Alkali- und Übergangsmetallen mit Ausnahme einiger Edelmetalle (wie Gold, Platin und Palladium) bis zu den schwersten Elementen des p-Blocks der Tabelle periodisch (wie Blei und Wismut).

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Das Bild oben zeigt eine Eisenoberfläche, die von rötlichen Krusten bedeckt ist. Diese "Krusten" sind sogenannte Rost oder Rost, die wiederum einen visuellen Beweis für die Oxidation des Metalls infolge der Umgebungsbedingungen darstellen. Chemisch gesehen ist Rost eine hydratisierte Mischung von Eisen (III) -oxiden.

Warum führt die Oxidation des Metalls zum Abbau seiner Oberfläche? Dies ist auf den Einbau von Sauerstoff in die Kristallstruktur des Metalls zurückzuführen.

In diesem Fall nimmt das Volumen des Metalls zu und die ursprünglichen Wechselwirkungen werden schwächer, wodurch der Feststoff reißt. Ebenso lassen diese Risse mehr Sauerstoffmoleküle in die inneren Metallschichten eindringen und fressen das Stück von innen vollständig ab.

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 Umgebung dies erleichtert, entweder durch die Anwesenheit von Ionen (H ⁺ , Na ⁺ , Mg ²⁺ , Cl ^- usw.), die den pH-Wert verändern, oder durch die Wassermoleküle, die das Transportmittel darstellen.

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 größeres Reduktionspotential als Eisen, weshalb es mit seinem charakteristischen goldenen Schimmer ohne Oxid glänzt, um es zu trüben.

Eigenschaften von nichtmetallischen Oxiden

Magnesiumoxid, ein Metalloxid.

Die Eigenschaften von Metalloxiden variieren je nach Metall und Wechselwirkung mit dem O ² -Anion . 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 ihrer Basizität widerspiegelt.

Mit anderen Worten: Sie werden auch als basische Anhydride oder basische Oxide bezeichnet.

Basizität

Die Basizität von Metalloxiden kann experimentell unter Verwendung eines Säure-Base-Indikators überprüft werden. Wie? Zugabe eines kleinen Stücks Oxid zu einer wässrigen Lösung mit einem gelösten Indikator; Dies kann der verflüssigte Saft des Purpurkohls 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 ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der gelöste Teil des Oxids OH ^- Ionen in das Medium freisetzt , wobei diese für die Änderung des pH-Werts in diesem Experiment verantwortlich sind.

So wird ein MO-Oxid, das in Wasser gelöst ist, gemäß den folgenden chemischen Gleichungen in Metallhydroxid (ein "hydratisiertes Oxid") umgewandelt:

MO + H ₂ O => M (OH) ₂

M (OH) ₂ M ²⁺ + 2OH ^-

Die zweite Gleichung ist das Löslichkeitsgleichgewicht des Hydroxids M (OH) ₂ . 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 die Säure umso größer, je positiver die Wertigkeit ist. In dem Fall, dass M eine Wertigkeit von +7 hatte, wäre das Oxid M ₂ O ₇ sauer und nicht basisch.

Amphoterismus

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 ₂ ) ₆ ^{2+ bilden kann} .

Der wässrige Komplex ist nichts anderes als die Koordination von n Wassermolekülen mit dem Metallzentrum M. Für den M (OH ₂ ) ₆ ^{2+ -Komplex} ist das Metall M ²⁺ von sechs Wassermolekülen umgeben und kann als a betrachtet werden hydratisiertes Kation. Viele dieser Komplexe zeigen intensive Färbungen, wie sie für Kupfer und Kobalt beobachtet wurden.

Nomenklatur

Wie heißen Metalloxide? Es gibt drei Möglichkeiten: traditionell, systematisch und auf Lager.

Traditionelle Nomenklatur

Um das Metalloxid gemäß den von der IUPAC festgelegten 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, das Präfix –oso.

Beispiel: Angesichts der Valenzen +2 und +4 des Metalls M sind seine entsprechenden Oxide MO und MO ₂ . Wenn M aus der Blei, Pb, dann Oxid PbO Plumb würde tragen, und PbO ₂ -oxid PLUMB Ico . Wenn das Metall nur eine Valenz hat, wird sein Oxid mit dem Suffix –ico benannt. Somit ist Na ₂ O Natriumoxid.

Andererseits werden die Präfixe hypo- und per- hinzugefügt, wenn drei oder vier Valenzen für das Metall verfügbar sind. Somit ist der Mn ₂ O ₇ ist Oxid pro Mangan Ico , weil Mn +7 Valenz hat, am meisten.

Diese Art der Nomenklatur weist jedoch gewisse Schwierigkeiten auf und wird normalerweise am wenigsten verwendet.

Systematische Nomenklatur

Darin wird die Anzahl der M- und Sauerstoffatome berücksichtigt, 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; PbO ₂ Bleidioxid; und Na ₂ O ist Dinatriummonoxid. Im Falle von Rost, Fe ₂ O ₃ , lautet sein jeweiliger Name Di-Eisen-Trioxid.

Aktiennomenklatur

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 Metall (n) oxid bezeichnet.

Unter Anwendung der Bestandsnomenklatur für die vorherigen Beispiele haben wir:

-PbO: Blei (II) oxid.

-PbO ₂ : Blei (IV) -oxid.

-Na ₂ O: Natriumoxid. Da es eine eindeutige Wertigkeit von +1 hat, wird es nicht angegeben.

-Fe ₂ O ₃ : Eisen (III) oxid.

-Mn ₂ O ₇ : Mangan (VII) oxid.

Berechnung der Valenzzahl

Aber wenn Sie kein Periodensystem mit den Valenzen haben, wie können Sie sie bestimmen? Dazu müssen wir uns daran erinnern, dass das Anion O ^2– zwei negative Ladungen zum Metalloxid beiträgt. 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 ist.

Mn ₂ O ₇ 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). Stellen wir dann die mathematische Gleichung auf:

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.

Wie entstehen sie?

Feuchtigkeit und pH-Wert beeinflussen direkt die Oxidation von Metallen zu ihren entsprechenden Oxiden. Die Anwesenheit von CO ₂ , einem sauren Oxid, kann sich in dem Wasser, das den Metallteil bedeckt, ausreichend lösen, 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 das Oxid in kurzer Zeit erhalten werden soll.

Direkte Reaktion von Metall mit Sauerstoff

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 ₂ (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, bewegt sich 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 Cu ₂ O (Kupfer (I) -oxid, Kupferoxid oder Dicobre-Monoxid):

4Cu (s) + O ₂ (g) + Q (Wärme) => 2Cu ₂ O (s) (roter Feststoff)

Wenn es jedoch in äquivalenten Mengen reagiert, wird CuO (Kupfer (II) -oxid, Kupferoxid oder Kupfermonoxid) erhalten:

2Cu (s) + O ₂ (g) + Q (Wärme) => 2CuO (s) (schwarzer Feststoff)

Reaktion von Metallsalzen mit Sauerstoff

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) ₂ + Q => MO + H ₂ O.

OLS ₃ + Q => MO + CO ₂

2 M (NO ₃ ) ₂ + Q => MO + 4NO ₂ + O ₂

Es ist zu beachten, dass H ₂ O, CO ₂ , NO ₂ und O ₂ die freigesetzten Moleküle sind.

Anwendungen

Aufgrund der reichen Metallzusammensetzung in der Erdkruste und des Sauerstoffs in der Atmosphäre finden sich Metalloxide in vielen mineralogischen Quellen, 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 (Cr ₂ O ₃ ).

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 entwickelt werden, die auf den geringsten physischen Reiz reagieren.

Darüber hinaus sind Metalloxide der Rohstoff für viele technologische Anwendungen, von Spiegeln und Keramiken mit einzigartigen Eigenschaften für elektronische Geräte bis hin zu Sonnenkollektoren.

Beispiele

Eisenoxide

2Fe (s) + O ₂ (g) => 2FeO (s) Eisen (II) oxid.

6FeO (s) + O ₂ (g) => 2Fe ₃ O ₄ (s) magnetisches Eisenoxid.

Fe ₃ O ₄ , auch als Magnetit bekannt, ist ein Mischoxid; Dies bedeutet, dass es aus einer festen Mischung von FeO und Fe ₂ O _{3 besteht} .

4Fe ₃ O ₄ (s) + O ₂ (g) => 6Fe ₂ O ₃ (s) Eisen (III) oxid.

Alkali- und Erdalkalioxide

Sowohl Alkali- als auch Erdalkalimetalle haben nur eine Oxidationszahl, daher sind ihre Oxide „einfacher“:

-Na ₂ O: Natriumoxid.

-Li ₂ O: Lithiumoxid.

-K ₂ O: Kaliumoxid.

-CaO: Calciumoxid.

-MgO: Magnesiumoxid.

-BeO: Berylliumoxid (das ein amphoteres Oxid ist)

Oxide der Gruppe IIIA (13)

Elemente der Gruppe IIIA (13) können nur mit einer Oxidationszahl von +3 Oxide bilden. Somit haben sie die chemische Formel M ₂ O ₃ und ihre Oxide sind die folgenden:

-Al ₂ O ₃ : Aluminiumoxid.

-Ga ₂ O ₃ : Galliumoxid.

-In ₂ O ₃ : Indiumoxid.

Und schlussendlich

-Tl ₂ O ₃ : Thalliumoxid.

Verweise

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