Propriétés des oxydes métalliques, nomenclature, utilisations et exemples

Le oxydes métalliques ce sont des composés inorganiques formés par des cations métalliques et de l'oxygène. Ils comprennent généralement un grand nombre de solides ioniques, dans lesquels l’oxyde d’oxyde (O^2-) interagit électrostatiquement avec les espèces M⁺.

M⁺ Ainsi, tout cation dérivé d'un métal pur: parmi les métaux alcalins et de transition à l'exception de certains métaux nobles (tels que l'or, le platine et le palladium), à la plus lourde p-bloc de la classification périodique ( comme le plomb et le bismuth).

L'image supérieure 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 un test visuel 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 entraîne-t-elle 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 initiales s'affaiblissent, provoquant la rupture du solide. En outre, ces fissures permettent à plus de molécules d’oxygène de pénétrer dans les couches métalliques internes, rongeant la pièce entière 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 le milieu le facilite, soit par la présence d'ions (H⁺, Na⁺, Mg²⁺, Cl^-, etc.), qui modifient le pH, ou par des molécules d’eau qui fournissent le moyen 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 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 de son éclat doré caractéristique sans oxyde qui le rend plus flou.

Index

• 1 Propriétés des oxydes non métalliques
  • 1.1 Basicité
  • 1.2 Amphibie
• 2 nomenclature
  • 2.1 Nomenclature traditionnelle
  • 2.2 Nomenclature systématique
  • 2.3 Nomenclature des stocks
  • 2.4 Calcul du nombre de valence
• 3 Comment sont-ils formés?
  • 3.1 Réaction directe du métal avec de l'oxygène
  • 3.2 Réaction des sels métalliques avec l'oxygène
• 4 utilisations
• 5 exemples
  • 5.1 Oxydes de fer
  • 5.2 Oxydes alcalins et alcalino-terreux
  • Oxyde 5.3 Groupe IIIA (13)
• 6 références

Propriétés des oxydes non métalliques

Les propriétés des oxydes métalliques varient en fonction du métal et de son interaction avec l'anion O^2-. Cela conduit à des oxydes ayant des densités ou des solubilités plus élevées que d'autres. Cependant, tous ont en commun le caractère métallique, qui se traduit inévitablement par sa basicité.

En d'autres termes, ils sont également appelés anhydrides basiques ou oxydes basiques.

Basicité

La basicité des oxydes métalliques peut être vérifiée expérimentalement par l'utilisation d'un indicateur acide-base. Comment? Ajouter un petit morceau d'oxyde à une solution aqueuse avec un indicateur dissous; Cela peut être le jus liquéfié de chou violet.

Ayant alors la gamme de couleurs en fonction du pH, l'oxyde transformera le jus en couleurs bleuâtres, correspondant au pH de base (avec des valeurs comprises entre 8 et 10). C'est parce que la partie dissoute de l'oxyde libère des ions OH^- dans l'environnement, étant dans l'expérience responsable de la modification du pH.

Ainsi, pour l'eau d'un oxyde MO, il devient l'hydroxyde de métal (un « oxyde hydraté ») selon les équations chimiques suivantes:

MO + H₂O => M (OH)₂

M (OH)₂ <=> M²⁺ + 2OH^-

La deuxième équation est l'équilibre de solubilité de l'hydroxyde M (OH)₂. Notez que le métal a une charge de 2+, ce qui signifie également que sa valence est de +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 M₂O₇ Ce serait acide et pas basique.

Anfoterismo

Les oxydes métalliques sont basiques, cependant, ils n'ont pas tous le même caractère métallique. Comment savoir Placer le métal M dans le tableau périodique. Plus elle est à gauche et plus elle est basse, plus elle sera métallique et donc plus son oxyde sera basique.

À la frontière entre les oxydes basiques et acides (les oxydes non métalliques) se trouvent les oxydes amphotères. Ici, le mot "amphotère" signifie que l'oxyde agit à la fois comme base et comme acide, ce qui est le même qu'en solution aqueuse, il peut former l'hydroxyde ou le complexe aqueux M (OH₂)₆²⁺.

Le complexe aqueux n’est rien d’autre que la coordination de n molécules d'eau avec le centre métallique M. Pour le complexe M (OH₂)₆²⁺, le métal M²⁺ Il 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 les oxydes métalliques sont-ils nommés? Il y a trois façons de le faire: le traditionnel, le systématique et le stock.

Nomenclature traditionnelle

Pour nommer correctement l'oxyde métallique selon les règles gouvernées par l'IUPAC, il faut connaître les valences possibles du métal M. Le plus grand (le plus positif) est attribué au nom métallique le suffixe -ico, tandis que le mineur, le préfixe -oso.

Exemple: compte tenu des valences +2 et +4 du métal M, ses oxydes correspondants sont MO et MO₂. Si M était le plomb, Pb, alors PbO serait l'oxyde de plombours, et PbO₂ le prune d'oxydeico. Si le métal n'a qu'une seule valence, il s'appelle son oxyde avec le suffixe -ico. Donc, Na₂Ou est l'oxyde de sodium.

Par contre, les hypo- et per-préfixes sont ajoutés lorsque trois ou quatre valences sont disponibles pour le métal. De cette façon, le Mn₂O₇ c'est l'oxyde parmanganico, parce que le Mn a valence + 7, le plus élevé de tous.

Cependant, ce type de nomenclature présente certaines difficultés et est généralement le moins utilisé.

Nomenclature systématique

Il considère le nombre d'atomes et d'oxygène M qui composent la formule chimique de l'oxyde. On leur attribue les préfixes correspondants mono-, di-, tri-, tetra-, etc.

Prenant les trois oxydes de métaux récents comme exemple, PbO est le monoxyde de plomb; le PbO₂ dioxyde de plomb; et le Na₂Ou le monoxyde de disodium. Pour le cas de la rouille, Fe₂O₃, son nom respectif est le dihierro trioxyde.

Nomenclature des stocks

Contrairement aux deux autres nomenclatures, la valence du métal a plus d’importance. La valence est spécifiée par des chiffres romains entre parenthèses: (I), (II), (III), (IV), etc. L'oxyde métallique est alors appelé oxyde métallique (n).

En appliquant la nomenclature des stocks pour les exemples précédents, nous avons:

-PbO: oxyde de plomb (II).

-PbO₂: oxyde de plomb (IV).

-Na₂O: oxyde de sodium. Comme il a une valence unique de +1, il n'est pas spécifié.

-Fe₂O₃: oxyde de fer (III).

-Mn₂O₇: oxyde de manganèse (VII).

Calcul du nombre de valence

Mais, si vous n'avez pas de tableau périodique avec les valences, comment peuvent-elles être déterminées? Pour cela il faut se rappeler que l'anion O^2- il apporte deux charges négatives à l'oxyde métallique. Suivant le principe de neutralité, ces charges négatives doivent être neutralisées avec les positives du métal.

Par conséquent, si le nombre d'oxygène est connu par la formule chimique, la valence du métal peut être déterminée algébriquement de sorte que la somme des charges soit nulle.

Le mn₂O₇ a sept oxygènes, alors ses charges négatives sont égales à 7x (-2) = -14. Pour neutraliser la charge négative de -14, le manganèse doit fournir +14 (14-14 = 0). Mettre l'équation mathématique est alors:

2X - 14 = 0

Le 2 vient du fait qu'il y a deux atomes de manganèse. Résoudre et dégager X, la valence du métal:

X = 14/2 = 7

C'est-à-dire que chaque Mn a une valence de +7.

Comment sont-ils formés?

L'humidité et le pH influencent directement l'oxydation des métaux dans leurs oxydes correspondants. La présence de CO₂, oxyde acide, peut être dissous suffisamment dans l'eau qui recouvre la pièce métallique pour accélérer l'incorporation d'oxygène sous forme anionique à la structure cristalline du métal.

Cette réaction peut également être accélérée avec une augmentation de la température, en particulier lorsque l'on souhaite obtenir l'oxyde rapidement.

Réaction directe du métal avec de l'oxygène

Les oxydes métalliques sont formés comme produit de la réaction entre le métal et l'oxygène environnant. Cela peut être représenté avec l'équation chimique ci-dessous:

2M (s) + O₂(g) => 2MO (s)

Cette réaction est lente car l'oxygène a une forte liaison double O = O et le transfert électronique entre lui et le métal est inefficace.

Cependant, il accélère considérablement avec une augmentation de la température et de la surface. Cela est dû au fait que l'énergie nécessaire pour rompre la double liaison O = O est fournie, et comme il y a plus de surface, l'oxygène se déplace de manière uniforme dans le métal, entrant en collision avec les atomes de métal.

Plus la quantité de réactif d'oxygène est grande, plus le nombre de valence ou d'oxydation résultant du métal est élevé. Parce que? Parce que l'oxygène arrache de plus en plus d'électrons au métal, jusqu'à ce qu'il atteigne le nombre d'oxydation le plus élevé.

Cela peut être vu pour le cuivre, par exemple. Quand un morceau de cuivre métallique réagit avec une quantité limitée d'oxygène, il se forme du cuivre₂O (oxyde de cuivre (I), oxyde cuivreux ou monoxyde de dicobre):

4Cu (s) + O₂(g) + Q (chaleur) => 2Cu₂O (s) (solide rouge)

Mais lorsqu'il réagit en quantités équivalentes, on obtient du CuO (oxyde de cuivre (II), oxyde de cuivre ou monoxyde de cuivre):

2Cu (s) + O₂(g) + Q (chaleur) => 2CuO (s) (noir uni)

Réaction des sels métalliques avec l'oxygène

Les oxydes métalliques peuvent être formés par décomposition thermique. Pour être possible, une ou deux petites molécules doivent être libérées du composé initial (un sel ou un hydroxyde):

M (OH)₂ + Q => MO + H₂O

MCO₃ + Q => MO + CO₂

2M (NON₃)₂ + Q => MO + 4NO₂ + O₂

Notez que H₂O, CO₂, NON₂ et O₂ ce sont les molécules libérées.

Utilise

En raison de la riche composition des métaux de la croûte terrestre et de l’oxygène de l’atmosphère, les oxydes métalliques se retrouvent dans de nombreuses sources minéralogiques, à partir desquelles une base solide peut être obtenue pour la fabrication de nouveaux matériaux.

Chaque oxyde métallique trouve des utilisations très spécifiques, allant des additifs nutritionnels (ZnO et MgO) au ciment (CaO), ou simplement comme pigments inorganiques (Cr).₂O₃).

Certains oxydes sont si denses que la croissance contrôlée de leurs couches peut protéger un alliage ou un métal contre une oxydation ultérieure. Même des études ont révélé que l'oxydation de la couche protectrice se faisait comme s'il s'agissait d'un liquide couvrant toutes les fissures ou les défauts superficiels du métal.

Les oxydes métalliques peuvent adopter des structures fascinantes, sous forme de nanoparticules ou de gros agrégats polymères.

Ce fait en fait l’objet d’études pour la synthèse de matériaux intelligents, du fait de sa grande surface, qui est utilisée pour concevoir des dispositifs répondant au moindre stimulus physique.

De même, les oxydes métalliques sont la matière première pour de nombreuses applications technologiques, des miroirs et des céramiques aux propriétés uniques pour les équipements électroniques, aux panneaux solaires.

Des exemples

Oxydes de fer

2Fe (s) + O₂(g) => 2FeO (s) d'oxyde de fer (II).

6FeO (s) + O₂(g) => 2Fe₃O₄(s) Oxyde de fer magnétique.

La foi₃O₄, également appelée magnétite, est un oxyde mixte; cela signifie qu'il s'agit d'un mélange solide de FeO et de Fe₂O₃.

4Fe₃O₄(s) + O₂(g) => 6Fe₂O₃(s) oxyde de fer (III).

Oxydes alcalins et alcalino-terreux

Les métaux alcalins et alcalino-terreux ont un nombre d'oxydation unique, de sorte que leurs oxydes sont plus "simples":

-Na₂O: oxyde de sodium.

-Li₂O: oxyde de lithium.

-K₂O: 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 nombre d'oxydation de +3. Ainsi, ils ont une formule chimique M₂O₃ et ses oxydes sont les suivants:

-Al₂O₃: oxyde d'aluminium.

-Ga₂O₃: oxyde de gallium.

-Dans₂O₃: oxyde d'indium.

Et finalement

-Tl₂O₃: oxyde de thallium.

Références

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chimie (8ème éd.). CENGAGE Learning, p 237.
2. AlonsoFormula. Oxydes métalliques. Tiré de: alonsoformula.com
3. Regents de l'Université du Minnesota (2018). Caractéristiques acido-basiques des oxydes métalliques et non métalliques. Tiré de: chem.umn.edu
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6. Quimitube (2012). L'oxydation du fer. Tiré de: quimitube.com
7. Chimie LibreTexts. Les oxydes Tiré de: chem.libretexts.org
8. Kumar M. (2016) Nanostructures d'oxyde métallique: croissance et applications. Dans: Husain M., Khan Z. (eds) Advances in Nanomaterials. Matériaux structurés avancés, vol 79. Springer, New Delhi