- خواص الأكاسيد غير المعدنية
- قاعدية
- أمفوتريكسم
- التسمية
- التسميات التقليدية
- التسمية المنهجية
- تسمية الأسهم
- حساب رقم التكافؤ
- كيف يتم تشكيلها؟
- التفاعل المباشر للمعدن مع الأكسجين
- تفاعل أملاح المعادن مع الأكسجين
- التطبيقات
- أمثلة
- أكاسيد الحديد
- أكاسيد الأرض القلوية والقلوية
- أكاسيد المجموعة IIIA (13)
- المراجع
أكاسيد المعادن هي مركبات غير عضوية تتكون من الكاتيونات المعدنية والأكسجين. وهي تتكون بشكل عام من عدد كبير من المواد الصلبة الأيونية ، حيث يتفاعل أنيون الأكسيد (O 2–) كهربائياً مع الأنواع M +.
M + مثل هذا أي كاتيون مشتق من المعدن النقي: من الفلزات القلوية والانتقالية ، باستثناء بعض المعادن النبيلة (مثل الذهب والبلاتين والبلاديوم) ، إلى أثقل عناصر الكتلة p من الجدول دورية (مثل الرصاص والبزموت).
المصدر: Pixabay.
تُظهر الصورة أعلاه سطحًا حديديًا مغطى بقشور حمراء. هذه "القشور" هي ما يعرف بالصدأ أو الصدأ والذي يمثل بدوره دليلاً مرئيًا على أكسدة المعدن بسبب ظروف بيئته. كيميائيا ، الصدأ هو خليط رطب من أكاسيد الحديد (III).
لماذا تؤدي أكسدة المعدن إلى تدهور سطحه؟ ويرجع ذلك إلى دمج الأكسجين في التركيب البلوري للمعدن.
عندما يحدث هذا ، يزداد حجم المعدن وتضعف التفاعلات الأصلية ، مما يؤدي إلى تمزق المادة الصلبة. وبالمثل ، تسمح هذه التشققات لمزيد من جزيئات الأكسجين باختراق الطبقات المعدنية الداخلية ، مما يؤدي إلى تآكل القطعة تمامًا من الداخل.
ومع ذلك ، تحدث هذه العملية بسرعات مختلفة وتعتمد على طبيعة المعدن (تفاعله) والظروف المادية المحيطة به. لذلك ، هناك عوامل تسرع أو تبطئ أكسدة المعدن ؛ اثنان منهم وجود الرطوبة ودرجة الحموضة.
لماذا ا؟ لأن أكسدة المعدن لإنتاج أكسيد فلز تتضمن نقل الإلكترونات. هذه "السفر" من نوع كيميائي إلى آخر طالما أن البيئة تسهل ذلك ، إما عن طريق وجود الأيونات (H + ، Na + ، Mg 2+ ، Cl - ، إلخ) ، والتي تعدل الرقم الهيدروجيني ، أو بواسطة جزيئات الماء التي توفر وسيلة النقل.
من الناحية التحليلية ، ينعكس ميل المعدن لتكوين الأكسيد المقابل في إمكانات الاختزال الخاصة به ، والتي تكشف عن المعدن الذي يتفاعل بشكل أسرع مقارنة بالآخر.
الذهب ، على سبيل المثال ، لديه إمكانات اختزال أكبر بكثير من الحديد ، وهذا هو السبب في أنه يلمع بتوهجه الذهبي المميز بدون أكسيد يخففه.
خواص الأكاسيد غير المعدنية
أكسيد المغنيسيوم ، أكسيد فلز.
تختلف خصائص أكاسيد المعادن وفقًا للمعدن وكيفية تفاعله مع الأنيون O 2. هذا يعني أن بعض الأكاسيد لديها كثافة أو قابلية ذوبان في الماء أعلى من غيرها. ومع ذلك ، فإنهم جميعًا يشتركون في الطابع المعدني ، والذي ينعكس حتماً في أساسياتهم.
بعبارة أخرى: تُعرف أيضًا باسم أنهيدريدات أساسية أو أكاسيد أساسية.
قاعدية
يمكن التحقق من قاعدة أكاسيد المعادن تجريبياً باستخدام مؤشر حمض القاعدة. كيف؟ إضافة قطعة صغيرة من الأكسيد إلى محلول مائي مع بعض المؤشرات الذائبة ؛ يمكن أن يكون هذا هو عصير الملفوف الأرجواني المسال.
بعد ذلك ، بعد مجموعة الألوان اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني ، سيحول الأكسيد العصير إلى ألوان مزرقة ، تتوافق مع الأس الهيدروجيني الأساسي (بقيم تتراوح بين 8 و 10). ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الجزء الذائب من الإصدارات أكسيد OH - الأيونات في المتوسط، وهذه هي المسؤولة عن التغير في الرقم الهيدروجيني في التجربة المذكورة.
وهكذا ، بالنسبة لأكسيد MO الذي يذوب في الماء ، فإنه يتحول إلى هيدروكسيد معدني ("أكسيد مائي") وفقًا للمعادلات الكيميائية التالية:
MO + H 2 O => M (OH) 2
م (أوه) 2 <=> م 2+ + 2 أوه -
المعادلة الثانية هي توازن الذوبان لهيدروكسيد M (OH) 2. لاحظ أن المعدن به شحنة 2+ ، مما يعني أيضًا أن تكافؤه هو +2. يرتبط تكافؤ المعدن ارتباطًا مباشرًا بميله إلى اكتساب الإلكترونات.
وبهذه الطريقة ، كلما كان التكافؤ أكثر إيجابية ، زادت حموضته. في حالة وجود تكافؤ M +7 ، فإن أكسيد M 2 O 7 سيكون حامضيًا وليس قاعديًا.
أمفوتريكسم
أكاسيد المعادن أساسية ، لكنها لا تمتلك جميعها نفس الخصائص المعدنية. كيف علمت بذلك؟ تحديد مكان المعدن M في الجدول الدوري. كلما كنت على يسارها ، وفي الفترات المنخفضة ، كلما كانت معدنية أكثر ، وبالتالي كلما كان أكسيدك أساسيًا.
توجد أكاسيد مذبذبة على الحدود بين الأكاسيد القاعدية والحمضية (أكاسيد غير معدنية). هنا تعني كلمة "مذبذب" أن الأكسيد يعمل كقاعدة وكحمض ، وهو نفس الشيء الموجود في المحلول المائي ، حيث يمكن أن يشكل الهيدروكسيد أو المركب المائي M (OH 2) 6 2+.
المركب المائي ليس أكثر من تنسيق n جزيئات الماء مع المركز المعدني M. بالنسبة للمركب M (OH 2) 6 2+ ، فإن المعدن M 2+ محاط بستة جزيئات ماء ، ويمكن اعتباره كاتيون رطب. تظهر العديد من هذه المجمعات ألوانًا شديدة ، مثل تلك التي لوحظت للنحاس والكوبالت.
التسمية
كيف يتم تسمية أكاسيد المعادن؟ هناك ثلاث طرق للقيام بذلك: تقليدي ، منهجي ، ومخزون.
التسميات التقليدية
لتسمية أكسيد المعدن بشكل صحيح وفقًا للقواعد التي تحكمها IUPAC ، من الضروري معرفة التكافؤ المحتمل للمعدن M. أكبر (الأكثر إيجابية) يتم تعيين اللاحقة -ico لاسم المعدن ، بينما طفيفة ، البادئة –oso.
مثال: بالنظر إلى تكافؤ +2 و +4 للمعدن M ، فإن أكاسيده المقابلة هي MO و MO 2. إذا M قبالة الرصاص، الرصاص، ثم أكسيد منع الرشوة الشاقول أن تتحمل، ومنع الرشوة 2 أكسيد PLUMB منظمة البن الدولية. إذا كان المعدن يحتوي على تكافؤ واحد فقط ، تتم تسمية أكسيده باللاحقة –ico. وهكذا ، Na 2 O هو أكسيد الصوديوم.
من ناحية أخرى ، يتم إضافة البادئات hypo- و per- عندما يكون هناك ثلاثة أو أربعة تكافؤات متاحة للمعدن. وبالتالي ، فإن Mn 2 O 7 هو أكسيد لكل Mangan ico ، لأن Mn يحتوي على +7 تكافؤ ، والأهم من ذلك كله.
ومع ذلك ، فإن هذا النوع من التسميات يمثل بعض الصعوبات وعادة ما يكون الأقل استخدامًا.
التسمية المنهجية
في ذلك ، يتم النظر في عدد ذرات M والأكسجين التي تشكل الصيغة الكيميائية للأكسيد. من بينها ، يتم تعيين البادئات المقابلة mono- ، di- ، tri- ، tetra- ، إلخ.
إذا أخذنا أكاسيد المعادن الثلاثة الحديثة كمثال ، فإن PbO هو أول أكسيد الرصاص ؛ ثاني أكسيد الرصاص PbO 2 ؛ و Na 2 O هو أول أكسيد ثنائي الصوديوم. في حالة الصدأ ، Fe 2 O 3 ، اسمها هو ثنائي أكسيد الحديد.
تسمية الأسهم
على عكس التسميتين الأخريين ، في هذه التسمية ، يكون تكافؤ المعدن أكثر أهمية. يتم تحديد التكافؤ بالأرقام الرومانية بين قوسين: (I) ، (II) ، (III) ، (IV) ، إلخ. ثم يسمى أكسيد الفلز معدن (ن) أكسيد.
عند تطبيق تسمية الأسهم للأمثلة السابقة ، لدينا:
-PbO: أكسيد الرصاص (II).
-PbO 2: أكسيد الرصاص (IV).
-Na 2 O: أكسيد الصوديوم. نظرًا لأنه يحتوي على تكافؤ فريد +1 ، لم يتم تحديده.
- Fe 2 O 3: أكسيد الحديد (III).
- Mn 2 O 7: أكسيد المنغنيز (VII).
حساب رقم التكافؤ
لكن ، إذا لم يكن لديك جدول دوري به التكافؤ ، فكيف يمكنك تحديدها؟ لهذا يجب أن نتذكر أن الأنيون O 2 يساهم بشحنتين سالبتين في أكسيد الفلز. وفقًا لمبدأ الحياد ، يجب تحييد هذه الشحنات السالبة بالشحن الموجب للمعدن.
لذلك ، إذا كان عدد الأكسجين معروفًا من الصيغة الكيميائية ، فيمكن تحديد تكافؤ المعدن جبريًا بحيث يكون مجموع الشحنات صفرًا.
يحتوي Mn 2 O 7 على سبعة أكسجين ، لذا فإن شحناته السالبة تساوي 7x (-2) = -14. لتحييد الشحنة السالبة -14 ، يجب أن يساهم المنجنيز +14 (14-14 = 0). طرح المعادلة الرياضية التي لدينا بعد ذلك:
2 س - 14 = 0
2 يأتي من حقيقة وجود ذرتين من المنغنيز. حل وحل لـ X ، تكافؤ المعدن:
س = 14/2 = 7
بمعنى آخر ، كل Mn له تكافؤ +7.
كيف يتم تشكيلها؟
تؤثر الرطوبة ودرجة الحموضة بشكل مباشر على أكسدة المعادن في أكاسيدها المقابلة. وجود CO 2 ، وأكسيد الحمضية، يمكن أن يحل بما فيه الكفاية في المياه التي تغطي الجزء المعدني لتسريع إدماج الأكسجين في شكل أنيوني إلى التركيب البلوري للمعدن.
يمكن أيضًا تسريع هذا التفاعل مع زيادة درجة الحرارة ، خاصةً عندما يكون مطلوبًا الحصول على الأكسيد في وقت قصير.
التفاعل المباشر للمعدن مع الأكسجين
تتشكل أكاسيد المعادن كنتيجة للتفاعل بين المعدن والأكسجين المحيط به. يمكن تمثيل ذلك بالمعادلة الكيميائية أدناه:
2M (s) + O 2 (g) => 2MO (s)
يكون هذا التفاعل بطيئًا ، نظرًا لأن الأكسجين له رابطة قوية مزدوجة O = O كما أن النقل الإلكتروني بينه وبين المعدن غير فعال.
ومع ذلك ، فإنه يتسارع بشكل كبير مع زيادة درجة الحرارة ومساحة السطح. هذا يرجع إلى حقيقة أنه يتم توفير الطاقة اللازمة لكسر الرابطة المزدوجة O = O ، وبما أن هناك مساحة أكبر ، فإن الأكسجين يتحرك بشكل موحد في جميع أنحاء المعدن ، ويصطدم في نفس الوقت بذرات المعدن.
كلما زادت كمية الأكسجين المتفاعل ، زاد رقم التكافؤ أو الأكسدة الناتج للمعدن. لماذا ا؟ لأن الأكسجين يأخذ 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 ، يتشكل Cu 2 O (أكسيد النحاس (I) ، أكسيد النحاس أو أحادي أكسيد ثنائي الديكوبر):
4Cu (s) + O 2 (g) + Q (حرارة) => 2Cu 2 O (s) (أحمر صلب)
ولكن عندما يتفاعل بكميات معادلة ، يتم الحصول على أكسيد النحاس (II) ، أكسيد النحاس أو أول أكسيد النحاس:
2Cu (s) + O 2 (g) + Q (حرارة) => 2CuO (s) (أسود صلب)
تفاعل أملاح المعادن مع الأكسجين
يمكن تشكيل أكاسيد المعادن من خلال التحلل الحراري. لكي يكون هذا ممكنًا ، يجب إطلاق جزيء أو جزيئين صغيرين من مركب البداية (ملح أو هيدروكسيد):
M (OH) 2 + Q => MO + H 2 O
OLS 3 + Q => MO + CO 2
2M (NO 3) 2 + Q => MO + 4NO 2 + O 2
لاحظ أن H 2 O و CO 2 و NO 2 و O 2 هي الجزيئات المحررة.
التطبيقات
بسبب التركيب الغني للمعادن في قشرة الأرض ، والأكسجين في الغلاف الجوي ، توجد أكاسيد المعادن في العديد من المصادر المعدنية ، والتي يمكن من خلالها الحصول على أساس متين لتصنيع مواد جديدة.
يجد كل أكسيد فلز استخدامات محددة للغاية ، من العناصر الغذائية (ZnO و MgO) إلى إضافات الأسمنت (CaO) ، أو ببساطة كأصباغ غير عضوية (Cr 2 O 3).
تكون بعض الأكاسيد كثيفة جدًا لدرجة أن نمو الطبقة المتحكم فيه يمكن أن يحمي سبيكة أو معدن من مزيد من الأكسدة. حتى أن الدراسات كشفت أن أكسدة الطبقة الواقية تستمر وكأنها سائل يغطي جميع الشقوق أو العيوب السطحية للمعدن.
يمكن أن تتخذ أكاسيد المعادن هياكل رائعة ، إما على شكل جزيئات نانوية أو تجمعات بوليمر كبيرة.
هذه الحقيقة تجعلها موضوع دراسات لتخليق المواد الذكية ، بسبب مساحة سطحها الكبيرة ، والتي تستخدم لتصميم الأجهزة التي تستجيب لأقل التحفيز المادي.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن أكاسيد المعادن هي المادة الخام للعديد من التطبيقات التكنولوجية ، من المرايا والسيراميك بخصائص فريدة للمعدات الإلكترونية إلى الألواح الشمسية.
أمثلة
أكاسيد الحديد
2Fe (s) + O 2 (g) => 2 FeO (s) أكسيد الحديد (II).
6 FeO (s) + O 2 (g) => 2Fe 3 O 4 (s) أكسيد الحديد المغناطيسي.
Fe 3 O 4 ، المعروف أيضًا باسم Magnetite ، هو أكسيد مختلط ؛ هذا يعني أنه يتكون من خليط صلب من الحديد O و Fe 2 O 3.
4Fe 3 O 4 (s) + O 2 (g) => 6Fe 2 O 3 (s) أكسيد الحديد (III).
أكاسيد الأرض القلوية والقلوية
يحتوي كل من الفلزات الأرضية القلوية والقلوية على رقم أكسدة واحد فقط ، لذلك تكون أكاسيدها أكثر "بساطة":
-Na 2 O: أكسيد الصوديوم.
-Li 2 O: أكسيد الليثيوم.
-K 2 O: أكسيد البوتاسيوم.
-CaO: أكسيد الكالسيوم.
-MgO: أكسيد المغنيسيوم.
-BeO: أكسيد البريليوم (وهو أكسيد مذبذب)
أكاسيد المجموعة IIIA (13)
يمكن أن تشكل عناصر المجموعة IIIA (13) أكاسيدًا فقط بعدد أكسدة +3. وبالتالي ، لديهم الصيغة الكيميائية M 2 O 3 وأكاسيدهم هي كما يلي:
- Al 2 O 3: أكسيد الألومنيوم.
-Ga 2 O 3: أكسيد الغاليوم.
- في 2 O 3: أكسيد الإنديوم.
وأخيرا
- TL 2 O 3: أكسيد الثاليوم.
المراجع
- ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. كيمياء. (الطبعة الثامنة). تعلم CENGAGE ، ص 237.
- ألونسو فورمولا. أكاسيد المعادن. مأخوذة من: alonsoformula.com
- حكام جامعة مينيسوتا (2018). الخصائص الحمضية القاعدية لأكاسيد المعادن وغير المعدنية. مأخوذة من: chem.umn.edu
- ديفيد إل تشاندلر. (3 أبريل 2018). يمكن للأكاسيد المعدنية ذاتية الشفاء أن تحمي من التآكل. مأخوذة من: news.mit.edu
- الحالات الفيزيائية وتركيبات الأكاسيد. مأخوذة من: wou.edu
- Quimitube. (2012). أكسدة الحديد. مأخوذة من: quimitube.com
- الكيمياء LibreTexts. أكاسيد. مأخوذة من: chem.libretexts.org
- كومار م. (2016) الهياكل النانوية لأكسيد المعادن: النمو والتطبيقات. في: حسين م ، خان ز. (محرران) التقدم في المواد النانوية. المواد الهيكلية المتقدمة ، المجلد 79. سبرينغر ، نيودلهي