- מאפיינים של תחמוצות לא מתכתיות
- בסיסיות
- אמפוטריזם
- מִנוּחַ
- שמות מסורתיים
- Nomenclature שיטתית
- שמות מלאי
- חישוב מספר הערכיות
- איך הם נוצרים?
- תגובה ישירה של מתכת עם חמצן
- תגובה של מלחי מתכת עם חמצן
- יישומים
- דוגמאות
- תחמוצות ברזל
- תחמוצות אדמה אלקליות
- תחמוצות קבוצה IIIA (13)
- הפניות
תחמוצות מתכת הן תרכובות אורגניות המורכבות מקטיונים מתכתיים וחמצן. בדרך כלל הם מכילים מספר עצום של מוצקים יוניים, בהם אניון תחמוצת (O 2– ) מתקשר באופן אלקטרוסטטי עם מיני M + .
M + הוא כזה כל קטיון שמקורו במתכת הטהורה: ממתכות אלקליות ומתעלות מעבר, למעט כמה מתכות אצילות (כמו זהב, פלטינה ופלדיום), ועד לאלמנטים הכבדים ביותר בגוש p של השולחן. תקופתית (כגון עופרת ו ביסמוט).
מקור: Pixabay.
בתמונה למעלה נראה משטח ברזל המכוסה על ידי קרום אדמדם. "גלדים" אלה הם מה שמכונה חלודה או חלודה, אשר בתורם מייצגים עדות חזותית לחמצון המתכת כתוצאה מתנאי סביבתו. מבחינה כימית, חלודה היא תערובת לחות של תחמוצות ברזל (III).
מדוע חמצון המתכת מוביל לשפלת פני השטח שלו? זה נובע משילוב חמצן במבנה הגביש של המתכת.
כאשר זה קורה, נפח המתכת גדל והאינטראקציות המקוריות נחלשות וגורמות לקריעת המוצק. באופן דומה, סדקים אלה מאפשרים למולקולות חמצן רבות יותר לחדור לשכבות המתכת הפנימיות, ואוכלים לחלוטין את החתיכה מבפנים.
עם זאת, תהליך זה מתרחש במהירויות שונות ותלוי באופי המתכת (תגובתיותה) ובתנאים הפיזיים הסובבים אותה. לכן ישנם גורמים שמאיצים או מאטים את חמצון המתכת; שניים מהם הם נוכחות של לחות ו- pH.
למה? מכיוון שחמצון מתכת לייצור תחמוצת מתכת כרוך בהעברת אלקטרונים. "נסיעות" אלה ממין כימי אחד למשנהו כל עוד הסביבה מקלה עליו, אם על ידי נוכחות של יונים (H + , Na + , Mg 2+ , Cl - וכו '), שמשנים את ה- pH, או על ידי מולקולות המים המספקות את אמצעי התחבורה.
מבחינה אנליטית, הנטייה של מתכת ליצירת תחמוצת המקבילה באה לידי ביטוי בפוטנציאל הפחתה שלה, החושף איזו מתכת מגיבה מהר יותר בהשוואה לאחר.
לזהב, למשל, יש פוטנציאל הפחתה גדול בהרבה מאשר ברזל, וזו הסיבה שהוא מאיר בזוהר הזהוב האופייני שלו ללא תחמוצת שתקהה אותו.
מאפיינים של תחמוצות לא מתכתיות
תחמוצת מגנזיום, תחמוצת מתכת.
תכונותיהם של תחמוצות מתכת משתנות בהתאם למתכת וכיצד היא מתקשרת עם האניון O 2 . פירוש הדבר שחלק מהתחמוצות יש צפיפות או מסיסות במים גבוהה יותר מאחרות. עם זאת, כולם משותפים לאופי המתכתי, שבאופן בלתי נמנע בא לידי ביטוי בבסיסיותם.
במילים אחרות: הם ידועים גם כחומרים אנאידרידים בסיסיים או תחמוצות בסיסיות.
בסיסיות
ניתן לאמת את הבסיסיות של תחמוצות מתכת באמצעות ניסוי על בסיס חומצה. אֵיך? הוספת חתיכה קטנה של תחמוצת לתמיסה מימית עם איזה אינדיקטור מומס; זה יכול להיות המיץ הנוזל של הכרוב הסגול.
לאחר מכן את טווח הצבעים בהתאם ל pH, התחמוצת תהפוך את המיץ לצבעים כחלחלים, התואמים ל- pH בסיסי (עם ערכים בין 8 ל 10). זאת בשל העובדה כי חלק המומסים של מהדורות תחמוצת OH - יונים לתוך המדיום, אלה להיות אחראי על שינוי pH בניסוי אמר.
לפיכך, עבור תחמוצת MO שמומסת במים, היא הופכת להידרוקסיד מתכתי ("תחמוצת הידרציה") על פי המשוואות הכימיות הבאות:
MO + H 2 O => M (OH) 2
M (OH) 2 <=> M 2+ + 2OH -
המשוואה השנייה היא שיווי משקל המסיסות של ההידרוקסיד M (OH) 2 . שים לב שלמתכת יש מטען של 2+, מה שאומר שגם הערכיות שלו היא +2. הערכיות של המתכת קשורה ישירות לנטייה שלה להשיג אלקטרונים.
באופן זה, ככל שהעריבות חיובית יותר, כך החומציות שלו גדולה יותר. במקרה של- M היה ערך של +7, אז תחמוצת M 2 O 7 תהיה חומצית ולא בסיסית.
אמפוטריזם
תחמוצות מתכת הן בסיסיות, אולם אין לכולם אופי מטאלי זהה. איך אתה יודע? איתור המתכת M בשולחן המחזור. ככל שאתה נמצא שמאלה ממנו, ובתקופות נמוכות הוא יהיה מטאלי יותר ולכן תחמוצתך תהיה בסיסית יותר.
בגבול בין תחמוצות בסיסיות וחומציות (תחמוצות לא מתכות) נמצאות תחמוצות אמפוטריות. כאן פירוש המילה 'אמפוטרי' שהתחמוצת פועלת גם כבסיס וגם כחומצה, זהה לזה שבתמיסה מימית הוא יכול ליצור את ההידרוקסיד או את המתחם המימי M (OH 2 ) 6 2+ .
המתחם המימי אינו אלא תיאום של מולקולות מים n עם מרכז המתכת M. עבור מתחם M (OH 2 ) 6 2+ , המתכת M 2+ מוקפת על ידי שש מולקולות מים, והיא יכולה להיחשב כ קטיון לחות. רבים מהמתחמים הללו מראים צבעוניות עזה, כמו אלה שנצפו בנחושת וקובלט.
מִנוּחַ
איך קוראים תחמוצות מתכתיות? יש שלוש דרכים לעשות זאת: מסורתי, שיטתי ומלאי.
שמות מסורתיים
לשם שמות נכונים של תחמוצת המתכת על פי הכללים הנשלטים על ידי ה- IUPAC, יש לדעת את הערכים האפשריים של המתכת M. הגדול ביותר (החיובי ביותר) מוקצה סיומת -ico לשם המתכת, ואילו מינורי, הקידומת –גם.
דוגמא: בהתחשב בערכי +2 ו- +4 של המתכת M, התחמוצות המקבילות שלה הן MO ו- MO 2 . אם M נמצא מההובלה, Pb, אז תחמוצת PbO Plumb תישא, ו- PbO 2 תחמוצת PLUMB ico . אם למתכת יש רק ערכיות אחת, תחמוצתה נקראת בסיומת --ico. לפיכך, Na 2 O הוא נתרן תחמוצת.
מצד שני, הקידומות היפו ו- per מתווספות כשיש שלושה או ארבעה עמודים זמינים למתכת. לפיכך, ה- Mn 2 O 7 הוא תחמוצת לכל Mangan ico , מכיוון של- Mn יש +7 ערכיות, יותר מכל.
עם זאת, סוג זה של nomenclature מציג קשיים מסוימים והוא בדרך כלל הכי פחות בשימוש.
Nomenclature שיטתית
בתוכו, נחשב מספר אטומי ה- M והחמצן המהווים את הנוסחה הכימית של התחמוצת. מהם מוקצים לו הקידומות המקבילות מונו, די-, טרי-, טטרה- וכו '.
כדוגמה שלושת תחמוצות המתכת האחרונות, PbO הוא חד תחמוצת עופרת; PbO 2 פחמן דו להוביל; ו- Na 2 O הוא נתרן חד חמצני. במקרה של חלודה, Fe 2 O 3 , שמו בהתאמה הוא דו-תחמוצת ברזל.
שמות מלאי
שלא כמו בשני הנונומקלטורות האחרות, באחת זו חשיבות הערך של המתכת יותר. תוקף מוגדר על ידי ספרות רומיות בסוגריים: (I), (II), (III), (IV) וכו '. לאחר מכן נקראת תחמוצת המתכת תחמוצת מתכת (n).
להחיל את שמות המניות על הדוגמאות הקודמות, יש לנו:
-PbO: תחמוצת עופרת (II).
-PbO 2 : תחמוצת עופרת (IV).
-לא 2 O: תחמוצת נתרן. מכיוון שיש לו ערך ייחודי של +1, הוא אינו מוגדר.
-Fe 2 O 3 : תחמוצת ברזל (III).
-נ 2 O 7 : תחמוצת מנגן (VII).
חישוב מספר הערכיות
אבל, אם אין לך טבלה מחזורית עם הערכים, איך אתה יכול לקבוע אותם? לשם כך עלינו לזכור כי האניון O 2 - תורם שני מטענים שליליים לתחמוצת המתכת. בעקבות עקרון הניטרליות, יש לנטרל מטענים שליליים אלה עם אלה החיוביים של המתכת.
לפיכך, אם ידוע על מספר החמצן, מהנוסחה הכימית, ניתן לקבוע את ערכיות המתכת בצורה אלגברית כך שסכום המטענים יהיה אפס.
ל- Mn 2 O 7 יש שבעה חמצן , כך שהמטענים השליליים שלו שווים ל- 7x (-2) = -14. כדי לנטרל את המטען השלילי של -14, על המנגן לתרום +14 (14-14 = 0). מציב את המשוואה המתמטית שיש לנו אז:
2X - 14 = 0
השניים נובעים מהעובדה שיש שני אטומי מנגן. פיתרון ופתרון עבור X, ערכיות המתכת:
X = 14/2 = 7
במילים אחרות, לכל Mn יש ערך של +7.
איך הם נוצרים?
לחות ו- pH משפיעים ישירות על חמצון המתכות לתחמוצות המקבילות שלהם. נוכחותו של CO 2 , תחמוצת חומצה, יכולה להתמוסס מספיק במים המכסים את חלק המתכת כדי להאיץ את שילוב החמצן בצורה אניונית במבנה הגביש של המתכת.
ניתן להאיץ תגובה זו גם בעליית הטמפרטורה, במיוחד כאשר רצוי להשיג את התחמוצת תוך זמן קצר.
תגובה ישירה של מתכת עם חמצן
תחמוצות מתכת נוצרות כתוצר של התגובה בין המתכת לחמצן שמסביב. ניתן לייצג זאת על ידי המשוואה הכימית שלהלן:
2M (ים) + O 2 (g) => 2MO (ים)
תגובה זו איטית, מכיוון שלחמצן יש קשר כפול O = O חזק וההעברה האלקטרונית בינה לבין המתכת אינה יעילה.
עם זאת, הוא מאיץ משמעותית עם עלייה בטמפרטורה ובשטח הפנים. זה נובע מהעובדה שמספקת האנרגיה הדרושה לשבירת הקשר הכפול O = O, וככל שיש שטח גדול יותר, החמצן נע באופן אחיד בכל המתכת, ומתנגש באותה עת עם אטומי המתכת.
ככל שכמות התגובה של החמצן גדולה יותר, כך גדל מספר הערכים או החמצון המתקבלים של המתכת. למה? מכיוון שחמצן לוקח יותר ויותר אלקטרונים מהמתכת, עד שהוא מגיע למספר החמצון הגבוה ביותר.
ניתן לראות זאת למשל עבור נחושת. כאשר חתיכת נחושת מתכתית מגיבה עם כמות מוגבלת של חמצן, נוצר Cu 2 O (תחמוצת נחושת (I), תחמוצת קופרוס, או חד תחמוצת די-קוברית):
4Cu (s) + O 2 (g) + Q (חום) => 2Cu 2 O (s) (מוצק אדום)
אך כאשר הוא מגיב בכמויות שוות ערך, מתקבל CuO (נחושת (II) תחמוצת, תחמוצת קופריק או חד תחמוצת נחושת):
2Cu (s) + O 2 (g) + Q (חום) => 2CuO (s) (מוצק שחור)
תגובה של מלחי מתכת עם חמצן
ניתן ליצור תחמוצות מתכת באמצעות פירוק תרמי. על מנת שזה יתאפשר, יש לשחרר מולקולות קטנות או שתיים מהתרכובת המתחילה (מלח או הידרוקסיד):
M (OH) 2 + Q => MO + H 2 O
OLS 3 + Q => MO + CO 2
2M (NO 3 ) 2 + Q => MO + 4NO 2 + O 2
שימו לב ש- H 2 O, CO 2 , NO 2 ו- O 2 הם המולקולות המשוחררות.
יישומים
בשל ההרכב העשיר של מתכות בקרום כדור הארץ, והחמצן באטמוספרה, תחמוצות מתכת נמצאות במקורות מינרלוגיים רבים, מהם ניתן להשיג בסיס יציב לייצור חומרים חדשים.
כל תחמוצת מתכת מוצאת שימושים מאוד ספציפיים, החל מתזונה (ZnO ו- MgO) ועד כתוספות מלט (CaO), או פשוט כפיגמנטים אנאורגניים (Cr 2 O 3 ).
חלק מהתחמוצות הן כל כך צפופות שגידול בשכבה מבוקרת יכול להגן על סגסוגת או מתכת מפני חמצון נוסף. מחקרים אף חשפו כי חמצון שכבת המגן ממשיך כאילו היה נוזל המכסה את כל הסדקים או הפגמים השטחיים של המתכת.
תחמוצות מתכת יכולות לבנות מבנים מרתקים, או כחלקיקי ננו או כאגרגטים פולימריים גדולים.
עובדה זו הופכת אותם למושא מחקרים לסינתזה של חומרים נבונים, בגלל שטח הפנים הגדול שלהם, המשמש לעיצוב מכשירים המגיבים לגירוי הפיזי הכי פחות.
בנוסף, תחמוצות מתכת הן חומר הגלם ליישומים טכנולוגיים רבים, החל ממראות וקרמיקה עם תכונות ייחודיות לציוד אלקטרוני, וכלה בפאנלים סולאריים.
דוגמאות
תחמוצות ברזל
2Fe (s) + O 2 (g) => 2FeO (s) תחמוצת ברזל (II).
6FeO (s) + O 2 (g) => 2Fe 3 O 4 (s) תחמוצת ברזל מגנטית.
Fe 3 O 4 , המכונה גם מגנטיט, הוא תחמוצת מעורבת; המשמעות היא שהיא מורכבת מתערובת מוצקה של FeO ו- Fe 2 O 3 .
4Fe 3 O 4 (s) + O 2 (g) => 6Fe 2 O 3 (s) ברזל (III) תחמוצת.
תחמוצות אדמה אלקליות
גם מתכות אדמה אלקליות וגם אלקליות יש רק מספר חמצון אחד, כך שהתחמוצות שלהם "פשוטות יותר":
-לא 2 O: תחמוצת נתרן.
-לי 2 O: תחמוצת ליתיום.
-K 2 O: תחמוצת אשלגן.
-CaO: תחמוצת סידן.
-MgO: תחמוצת מגנזיום.
-BeO: תחמוצת בריליום (שהיא תחמוצת אמפוטרית)
תחמוצות קבוצה IIIA (13)
אלמנטים מקבוצת IIIA (13) יכולים ליצור תחמוצות רק עם מספר חמצון של +3. לפיכך, יש להם את הנוסחה הכימית M 2 O 3 ותחמוצות שלהם הן הבאות:
-Al 2 O 3 : תחמוצת אלומיניום.
-Ga 2 O 3 : תחמוצת גליום.
-ב 2 O 3 : תחמוצת אינדיום.
ולבסוף
-Tl 2 O 3 : תחמוצת תליום.
הפניות
- וויטן, דייויס, פק וסטנלי. כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE, עמ '237.
- AlonsoFormula. תחמוצות מתכת. נלקח מ: alonsoformula.com
- ריגנטים מאוניברסיטת מינסוטה. (2018). מאפייני בסיס חומצה של תחמוצות מתכתיות ולא מתכתיות. נלקח מ: chem.umn.edu
- דייויד ל. צ'נדלר. (3 באפריל 2018). תחמוצות מתכת ריפוי עצמי יכולות להגן מפני קורוזיה. לקוח מ: news.mit.edu
- המצבים הגופניים והמבנים של תחמוצות. נלקח מ: wou.edu
- קווימיטוב. (2012). חמצון ברזל. נלקח מ: quimitube.com
- כימיה LibreTexts. תחמוצות. נלקח מ: chem.libretexts.org
- Kumar M. (2016) מבנים ננו-תחמוצת מתכת: צמיחה ויישומים. בתוך: חוסיין מ., חאן ז. (עורכים) התקדמות בננו-חומרים. חומרים מובנים מתקדמים, כרך 79. שפרינגר, ניו דלהי