- Propriétés des oxydes non métalliques
- Basicité
- Amphotéricisme
- Nomenclature
- Nomenclature traditionnelle
- Nomenclature systématique
- Nomenclature des stocks
- Calcul du nombre de valence
- Comment se forment-ils?
- Réaction directe du métal avec l'oxygène
- Réaction des sels métalliques avec l'oxygène
- Applications
- Exemples
- Oxydes de fer
- Oxydes alcalins et alcalino-terreux
- Oxydes du groupe IIIA (13)
- Références
Les oxydes métalliques sont des composés inorganiques composés de cations métalliques et d'oxygène. Ils comprennent généralement un grand nombre de solides ioniques, dans lesquels l'anion oxyde (O 2–) interagit électrostatiquement avec l'espèce M +.
M + est comme ça tout cation qui dérive du métal pur: des métaux alcalins et de transition, à l'exception de certains métaux nobles (comme l'or, le platine et le palladium), jusqu'aux éléments les plus lourds du bloc p du tableau périodique (comme le plomb et le bismuth).
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L'image ci-dessus montre une surface de fer recouverte de croûtes rougeâtres. Ces «croûtes» sont ce que l'on appelle la rouille ou la rouille, qui à leur tour représentent une preuve visuelle de l'oxydation du métal en raison des conditions de son environnement. Chimiquement, la rouille est un mélange hydraté d'oxydes de fer (III).
Pourquoi l'oxydation du métal conduit-elle à la dégradation de sa surface? Cela est dû à l'incorporation d'oxygène dans la structure cristalline du métal.
Lorsque cela se produit, le volume du métal augmente et les interactions d'origine s'affaiblissent, provoquant la rupture du solide. De même, ces fissures permettent à plus de molécules d'oxygène de pénétrer dans les couches métalliques internes, rongeant complètement la pièce de l'intérieur.
Cependant, ce processus se produit à des vitesses différentes et dépend de la nature du métal (sa réactivité) et des conditions physiques qui l'entourent. Par conséquent, il existe des facteurs qui accélèrent ou ralentissent l'oxydation du métal; deux d'entre eux sont la présence d'humidité et de pH.
Parce que? Parce que l'oxydation du métal pour produire un oxyde métallique implique un transfert d'électrons. Celles-ci «voyagent» d'une espèce chimique à une autre tant que l'environnement le facilite, soit par la présence d'ions (H +, Na +, Mg 2+, Cl -, etc.), qui modifient le pH, soit par les molécules d'eau qui fournissent les moyens de transport.
Analytiquement, la tendance d'un métal à former l'oxyde correspondant se reflète dans ses potentiels de réduction, qui révèlent quel métal réagit le plus rapidement par rapport à un autre.
L'or, par exemple, a un potentiel de réduction beaucoup plus important que le fer, c'est pourquoi il brille avec sa lueur dorée caractéristique sans oxyde pour l'atténuer.
Propriétés des oxydes non métalliques
Oxyde de magnésium, un oxyde métallique.
Les propriétés des oxydes métalliques varient en fonction du métal et de la manière dont il interagit avec l'anion O 2–. Cela signifie que certains oxydes ont des densités ou des solubilités dans l'eau plus élevées que d'autres. Cependant, ils ont tous en commun le caractère métallique, qui se reflète inévitablement dans leur basicité.
En d'autres termes: ils sont également appelés anhydrides basiques ou oxydes basiques.
Basicité
La basicité des oxydes métalliques peut être vérifiée expérimentalement en utilisant un indicateur acide-base. Comment? Ajouter un petit morceau de l'oxyde à une solution aqueuse avec un indicateur dissous; Cela peut être le jus liquéfié du chou violet.
Ayant alors la gamme de couleurs en fonction du pH, l'oxyde transformera le jus en couleurs bleutées, correspondant au pH basique (avec des valeurs comprises entre 8 et 10). Ceci est dû au fait que la partie dissoute de l'oxyde libère des ions OH - dans le milieu, ceux-ci étant responsables du changement de pH dans ladite expérience.
Ainsi, pour un oxyde MO solubilisé dans l'eau, il se transforme en hydroxyde métallique (un «oxyde hydraté») selon les équations chimiques suivantes:
MO + H 2 O => M (OH) 2
M (OH) 2 <=> M 2+ + 2OH -
La deuxième équation est l'équilibre de solubilité de l'hydroxyde M (OH) 2. Notez que le métal a une charge 2+, ce qui signifie également que sa valence est +2. La valence du métal est directement liée à sa tendance à gagner des électrons.
De cette façon, plus la valence est positive, plus son acidité est grande. Dans le cas où M avait une valence de +7, alors l'oxyde M 2 O 7 serait acide et non basique.
Amphotéricisme
Les oxydes métalliques sont basiques, mais ils n'ont pas tous le même caractère métallique. Comment le sais-tu? Localisation du métal M sur le tableau périodique. Plus vous êtes à gauche de celui-ci, et dans les périodes basses, plus il sera métallique et donc plus votre oxyde sera basique.
A la frontière entre les oxydes basiques et acides (oxydes non métalliques) se trouvent les oxydes amphotères. Ici, le mot «amphotère» signifie que l'oxyde agit à la fois comme une base et comme un acide, ce qui est le même qu'en solution aqueuse, il peut former l'hydroxyde ou le complexe aqueux M (OH 2) 6 2+.
Le complexe aqueux n'est rien de plus que la coordination de n molécules d'eau avec le centre métallique M. Pour le complexe M (OH 2) 6 2+, le métal M 2+ est entouré de six molécules d'eau, et peut être considéré comme un cation hydraté. Beaucoup de ces complexes présentent des colorations intenses, telles que celles observées pour le cuivre et le cobalt.
Nomenclature
Comment sont nommés les oxydes métalliques? Il existe trois façons de procéder: traditionnelle, systématique et stock.
Nomenclature traditionnelle
Pour nommer correctement l'oxyde métallique selon les règles régies par l'IUPAC, il est nécessaire de connaître les valences possibles du métal M. Le plus grand (le plus positif) se voit attribuer le suffixe -ico au nom du métal, tandis que le minor, le préfixe –oso.
Exemple: compte tenu des valences +2 et +4 du métal M, ses oxydes correspondants sont MO et MO 2. Si M hors du plomb, Pb, puis oxyde PbO Plumb porterait, et PbO 2 oxyde PLUMB ico. Si le métal n'a qu'une seule valence, son oxyde est nommé avec le suffixe –ico. Ainsi, Na 2 O est de l'oxyde de sodium.
Par contre, les préfixes hypo- et per- sont ajoutés lorsqu'il y a trois ou quatre valences disponibles pour le métal. Ainsi, le Mn 2 O 7 est oxyde par Mangan ico, car Mn a surtout une valence +7.
Cependant, ce type de nomenclature présente certaines difficultés et est généralement le moins utilisé.
Nomenclature systématique
Dans celui-ci, le nombre d'atomes de M et d'oxygène qui composent la formule chimique de l'oxyde est pris en compte. À partir d'eux, il est attribué les préfixes correspondants mono-, di-, tri-, tétra-, etc.
Prenant comme exemple les trois oxydes métalliques récents, le PbO est le monoxyde de plomb; Dioxyde de plomb PbO 2; et Na 2 O est le monoxyde de disodium. Dans le cas de la rouille, Fe 2 O 3, son nom respectif est trioxyde de fer.
Nomenclature des stocks
Contrairement aux deux autres nomenclatures, dans celle-ci, la valence du métal est plus importante. Valence est spécifié par des chiffres romains entre parenthèses: (I), (II), (III), (IV), etc. L'oxyde métallique est alors appelé oxyde de métal (n).
En appliquant la nomenclature des stocks pour les exemples précédents, nous avons:
-PbO: oxyde de plomb (II).
-PbO 2: oxyde de plomb (IV).
-Na 2 O: oxyde de sodium. Puisqu'il a une valence unique de +1, il n'est pas spécifié.
-Fe 2 O 3: oxyde de fer (III).
-Mn 2 O 7: oxyde de manganèse (VII).
Calcul du nombre de valence
Mais, si vous n'avez pas de tableau périodique avec les valences, comment pouvez-vous les déterminer? Pour cela, nous devons nous rappeler que l'anion O 2– apporte deux charges négatives à l'oxyde métallique. Suivant le principe de neutralité, ces charges négatives doivent être neutralisées par les positives du métal.
Par conséquent, si le nombre d'oxygène est connu à partir de la formule chimique, la valence du métal peut être déterminée algébriquement de sorte que la somme des charges soit nulle.
Mn 2 O 7 a sept oxygènes, donc ses charges négatives sont égales à 7x (-2) = -14. Pour neutraliser la charge négative de -14, le manganèse doit contribuer +14 (14-14 = 0). En posant l'équation mathématique, nous avons alors:
2X - 14 = 0
Le 2 vient du fait qu'il y a deux atomes de manganèse. Résoudre et résoudre pour X, la valence du métal:
X = 14/2 = 7
En d'autres termes, chaque Mn a une valence de +7.
Comment se forment-ils?
L'humidité et le pH influencent directement l'oxydation des métaux en leurs oxydes correspondants. La présence de CO 2, un oxyde acide, peut se dissoudre suffisamment dans l'eau qui recouvre la partie métallique pour accélérer l'incorporation de l'oxygène sous forme anionique dans la structure cristalline du métal.
Cette réaction peut également être accélérée avec une élévation de température, notamment lorsque l'on souhaite obtenir l'oxyde en peu de temps.
Réaction directe du métal avec l'oxygène
Les oxydes métalliques sont formés comme un produit de la réaction entre le métal et l'oxygène environnant. Cela peut être représenté par l'équation chimique ci-dessous:
2 M (s) + O 2 (g) => 2 MO (s)
Cette réaction est lente, car l'oxygène a une forte double liaison O = O et le transfert électronique entre lui et le métal est inefficace.
Cependant, il s'accélère considérablement avec une augmentation de la température et de la surface. Cela est dû au fait que l'énergie nécessaire est fournie pour rompre la double liaison O = O, et comme il y a une plus grande surface, l'oxygène se déplace uniformément dans tout le métal, entrant en collision en même temps avec les atomes métalliques.
Plus la quantité d'oxygène de réaction est élevée, plus la valence ou l'indice d'oxydation résultant pour le métal est élevé. Parce que? Parce que l'oxygène prend de plus en plus d'électrons du métal, jusqu'à ce qu'il atteigne le nombre d'oxydation le plus élevé.
Cela peut être vu pour le cuivre, par exemple. Lorsqu'un morceau de cuivre métallique réagit avec une quantité limitée d'oxygène, il se forme du Cu 2 O (oxyde de cuivre (I), oxyde cuivreux ou monoxyde de dicobre):
4Cu (s) + O 2 (g) + Q (chaleur) => 2Cu 2 O (s) (solide rouge)
Mais lorsqu'il réagit en quantités équivalentes, on obtient du CuO (oxyde de cuivre (II), oxyde cuivrique ou monoxyde de cuivre):
2Cu (s) + O 2 (g) + Q (chaleur) => 2CuO (s) (solide noir)
Réaction des sels métalliques avec l'oxygène
Des oxydes métalliques peuvent être formés par décomposition thermique. Pour que cela soit possible, une ou deux petites molécules doivent être libérées du composé de départ (un sel ou un hydroxyde):
M (OH) 2 + Q => MO + H 2 O
OLS 3 + Q => MO + CO 2
2M (NO 3) 2 + Q => MO + 4NO 2 + O 2
Notez que H 2 O, CO 2, NO 2 et O 2 sont les molécules libérées.
Applications
En raison de la riche composition des métaux dans la croûte terrestre et de l'oxygène dans l'atmosphère, les oxydes métalliques se trouvent dans de nombreuses sources minéralogiques, à partir desquelles une base solide pour la fabrication de nouveaux matériaux peut être obtenue.
Chaque oxyde métallique trouve des utilisations très spécifiques, allant de la nutrition (ZnO et MgO) à l'additif pour ciment (CaO), ou simplement comme pigments inorganiques (Cr 2 O 3).
Certains oxydes sont si denses qu'une croissance de couche contrôlée peut protéger un alliage ou un métal d'une oxydation supplémentaire. Des études ont même révélé que l'oxydation de la couche protectrice se poursuit comme s'il s'agissait d'un liquide recouvrant toutes les fissures ou défauts superficiels du métal.
Les oxydes métalliques peuvent prendre des structures fascinantes, sous forme de nanoparticules ou de gros agrégats de polymère.
Ce fait en fait l'objet d'études pour la synthèse de matériaux intelligents, du fait de leur grande surface, qui permet de concevoir des dispositifs répondant au moindre stimulus physique.
De même, les oxydes métalliques sont la matière première de nombreuses applications technologiques, des miroirs et des céramiques aux propriétés uniques pour les équipements électroniques aux panneaux solaires.
Exemples
Oxydes de fer
2Fe (s) + O 2 (g) => 2FeO (s) oxyde de fer (II).
6FeO (s) + O 2 (g) => 2Fe 3 O 4 (s) oxyde de fer magnétique.
Fe 3 O 4, également appelé magnétite, est un oxyde mixte; Cela signifie qu'il est constitué d'un mélange solide de FeO et Fe 2 O 3.
4Fe 3 O 4 (s) + O 2 (g) => 6Fe 2 O 3 (s) oxyde de fer (III).
Oxydes alcalins et alcalino-terreux
Les métaux alcalins et alcalino-terreux n'ont qu'un seul indice d'oxydation, leurs oxydes sont donc plus «simples»:
-Na 2 O: oxyde de sodium.
-Li 2 O: oxyde de lithium.
-K 2 O: oxyde de potassium.
-CaO: oxyde de calcium.
-MgO: oxyde de magnésium.
-BeO: oxyde de béryllium (qui est un oxyde amphotère)
Oxydes du groupe IIIA (13)
Les éléments du groupe IIIA (13) ne peuvent former des oxydes qu'avec un indice d'oxydation de +3. Ainsi, ils ont la formule chimique M 2 O 3 et leurs oxydes sont les suivants:
-Al 2 O 3: oxyde d'aluminium.
-Ga 2 O 3: oxyde de gallium.
-En 2 O 3: oxyde d'indium.
Et finalement
-Tl 2 O 3: oxyde de thallium.
Références
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