Tlenek - Oxide

Komórki elementarnej z rutylu . Centra Ti(IV) są szare; centra tlenowe są czerwone. Zauważ, że tlen tworzy trzy wiązania z tytanem, a tytan tworzy sześć wiązań z tlenem.

Tlenek ( / ɒ k s d / ) jest związkiem chemicznym , który zawiera co najmniej jeden tlenu atomu i jednego innego elementu w jego wzorze chemicznym . Sam „tlenek” jest dianionem tlenu, jonem O 2– (cząsteczkowym). Metal tlenki zatem zwykle zawierają anion tlenu do utlenienia -2. Większość skorupy ziemskiej składa się ze stałych tlenków, które są wynikiem utleniania pierwiastków tlenem w powietrzu lub w wodzie . Nawet materiały uważane za czyste pierwiastki często tworzą powłokę tlenkową. Na przykład folia aluminiowa tworzy cienką warstwę Al 2 O 3 (zwaną warstwą pasywacyjną ), która chroni folię przed dalszą korozją . Niektóre pierwiastki mogą tworzyć wiele tlenków, różniących się ilością pierwiastka łączącego się z tlenem. Przykładami są węgiel , żelazo , azot ( patrz tlenek azotu ), krzem , tytan , lit i aluminium . W takich przypadkach tlenki rozróżnia się poprzez określenie liczby zaangażowanych atomów, jak w tlenku węgla i dwutlenku węgla , lub przez określenie stopnia utlenienia pierwiastka , jak w tlenku żelaza(II) i tlenku żelaza(III) .

Tworzenie

Ze względu na swoją elektroujemność tlen tworzy trwałe wiązania chemiczne z prawie wszystkimi pierwiastkami, dając odpowiednie tlenki. Metale szlachetne (takie jak złoto lub platyna ) są cenione, ponieważ są odporne na bezpośrednie łączenie chemiczne z tlenem, a substancje takie jak tlenek złota (III) muszą być wytwarzane w sposób pośredni.

Dwie niezależne drogi korozji pierwiastków to hydroliza i utlenianie tlenem. Połączenie wody i tlenu jest jeszcze bardziej korozyjne. Praktycznie wszystkie pierwiastki spalają się w atmosferze tlenu lub środowisku bogatym w tlen. W obecności wody i tlenu (lub po prostu powietrza) niektóre pierwiastki — sód — reagują szybko, dając wodorotlenki. Częściowo z tego powodu metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych nie występują w przyrodzie w ich postaci metalicznej, tj. w postaci natywnej. Cez jest tak reaktywny z tlenem, że jest używany jako getter w lampach próżniowych , a roztwory potasu i sodu, tzw. NaK, służą do odtlenienia i odwodnienia niektórych rozpuszczalników organicznych. Powierzchnia większości metali składa się z tlenków i wodorotlenków w obecności powietrza. Dobrze znanym przykładem jest folia aluminiowa , która jest pokryta cienką warstwą tlenku glinu, który pasywuje metal, spowalniając dalszą korozję . Warstwę tlenku glinu można zbudować na większą grubość w procesie anodowania elektrolitycznego . Chociaż stały magnez i aluminium powoli reagują z tlenem w STP — podobnie jak większość metali spalają się w powietrzu, generując bardzo wysokie temperatury. Drobnoziarniste proszki większości metali mogą być niebezpiecznie wybuchowe w powietrzu. W związku z tym są często używane w rakietach na paliwo stałe .

Tlenki, takie jak tlenek żelaza(III) lub rdza , które składają się z uwodnionych tlenków żelaza(III) Fe 2 O 3 · n H 2 O i wodorotlenku tlenku żelaza(III) (FeO(OH), Fe(OH) 3 ) tworzą się, gdy tlen łączy się z innymi pierwiastkami

W suchej tlenem żelaza łatwo tworzy żelaza (II), tlenku , ale powstawanie uwodnione tlenki żelaza, Fe 2 O 3 x (OH) 2 x , że składają się głównie z korozji, zazwyczaj wymaga, tlen i wodę. Produkcja wolnego tlenu przez bakterie fotosyntetyczne około 3,5 miliarda lat temu wytrąciła żelazo z roztworu w oceanach jako Fe 2 O 3 w ważnym gospodarczo hematytu rudy żelaza .

Struktura

Tlenki mają szereg różnych struktur, od pojedynczych cząsteczek po struktury polimerowe i krystaliczne . W standardowych warunkach tlenki mogą mieć zakres od ciał stałych do gazów.

Tlenki metali

Tlenki większości metali przyjmują struktury polimerowe . Tlenek zazwyczaj łączy trzy atomy metalu (np. struktura rutylu) lub sześć atomów metalu ( struktury karborundu lub soli kamiennej ). Ponieważ wiązania MO są zazwyczaj silne, a związki te są usieciowanymi polimerami , ciała stałe wydają się być nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach, chociaż są atakowane przez kwasy i zasady. Wzory są często zwodniczo proste, a wiele z nich to związki niestechiometryczne .

Tlenki cząsteczkowe

Chociaż większość tlenków metali jest polimerami , niektóre tlenki są cząsteczkami. Przykładami tlenków cząsteczkowych są dwutlenek węgla i tlenek węgla . Wszystkie prostych tlenków azotu cząsteczkowego, na przykład NO, N 2 O, NR 2 i N 2 O 4 . Pięciotlenek fosforu jest bardziej złożonym tlenkiem cząsteczkowym o zwodniczej nazwie, którego prawdziwym wzorem jest P 4 O 10 . Niektóre tlenki polimerowe ulegają depolimeryzacji po podgrzaniu, dając cząsteczki, na przykład dwutlenek selenu i trójtlenek siarki . Czterotlenki są rzadkie. Bardziej powszechne przykłady: tetratlenek rutenu , tetratlenek osmu i tetratlenek ksenonu .

Znanych jest wiele oksyanionów , takich jak polifosforany i polioksometalany . Oksykacje są rzadsze, niektóre przykłady to nitrozon (NO + ), wanadyl (VO 2+ ) i uranyl ( UO2+
2
). Oczywiście wiele związków jest znanych zarówno z tlenkami, jak iz innymi grupami. W chemii organicznej są to ketony i wiele pokrewnych związków karbonylowych . W przypadku metali przejściowych znanych jest wiele kompleksów okso, jak również oksyhalogenki .

Zmniejszenie

Konwersja tlenku metalu do metalu nazywana jest redukcją. Redukcję można wywołać wieloma odczynnikami. Wiele tlenków metali przekształca się w metale po prostu przez ogrzewanie.

Redukcja przez węgiel

Metale są „wygrywane” z ich tlenków poprzez redukcję chemiczną, czyli dodanie odczynnika chemicznego. Powszechnym i tanim środkiem redukującym jest węgiel w postaci koksu . Najbardziej znanym przykładem jest wytapianie rudy żelaza . W grę wchodzi wiele reakcji, ale uproszczone równanie jest zwykle przedstawiane jako:

2 Fe 2 O 3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO 2

Tlenki metali można redukować związkami organicznymi. Ten proces redoks jest podstawą wielu ważnych przemian w chemii, takich jak detoksykacja leków przez enzymy P450 i produkcja tlenku etylenu , który jest przekształcany w środek przeciw zamarzaniu. W takich układach ośrodek metalowy przenosi ligand tlenkowy do związku organicznego, po czym następuje regeneracja tlenku metalu, często przez tlen z powietrza.

Redukcja przez ogrzewanie

Metale, które są niższe w szeregu reaktywności można zredukować przez samo ogrzewanie. Na przykład tlenek srebra rozkłada się w temperaturze 200 °C:

2 Ag 2 O → 4 Ag + O 2

Redukcja przez przemieszczenie

Metale bardziej reaktywne wypierają tlenki metali mniej reaktywnych. Na przykład cynk jest bardziej reaktywny niż miedź , więc wypiera tlenek miedzi (II) tworząc tlenek cynku :

Zn + CuO → ZnO + Cu

Redukcja wodorem

Oprócz metali wodór może również wypierać tlenki metali, tworząc tlenek wodoru , znany również jako woda:

H 2 + CuO → Cu + H 2 O

Redukcja przez elektrolizę

Ponieważ metale, które są reaktywne, tworzą tlenki, które są stabilne, niektóre tlenki metali muszą zostać poddane elektrolizie w celu ich redukcji. Obejmuje to tlenek sodu , tlenek potasu , tlenek wapnia , tlenek magnezu i tlenek aluminium . Tlenki muszą być stopione przed zanurzeniem w nich elektrod grafitowych :

2Al 2 O 3 → 4Al + 3O 2

Hydroliza i rozpuszczanie

Tlenki zazwyczaj reagują z kwasami lub zasadami , czasami z obydwoma. Te reagujące tylko z kwasami są oznaczone jako tlenki zasadowe. Te reagujące tylko przez zasady nazywane są „tlenkami kwasowymi”. Tlenki reagujące z obydwoma są amfoteryczne . Metale mają tendencję do tworzenia tlenków zasadowych, niemetale mają tendencję do tworzenia tlenków kwaśnych, a tlenki amfoteryczne są tworzone przez pierwiastki w pobliżu granicy między metalami i niemetalami ( metaloidy ). Ta reaktywność jest podstawą wielu praktycznych procesów, takich jak ekstrakcja niektórych metali z ich rud w procesie zwanym hydrometalurgią .

Tlenki pierwiastków bardziej elektrododatnich wydają się być zasadowe. Nazywane są podstawowymi bezwodnikami . W kontakcie z wodą mogą tworzyć zasadowe wodorotlenki . Na przykład tlenek sodu jest zasadowy – po uwodnieniu tworzy wodorotlenek sodu . Tlenki pierwiastków bardziej elektroujemnych mają tendencję do odczynu kwasowego. Nazywane są „bezwodnikami kwasowymi”; po dodaniu wody tworzą kwasy tlenowe . Na przykład heptoksyd dichloru jest bezwodnikiem kwasowym; kwas nadchlorowy jest jego w pełni uwodnioną formą. Niektóre tlenki mogą działać zarówno jako kwas, jak i zasada. Są amfoteryczne . Przykładem jest tlenek glinu . Niektóre tlenki nie zachowują się ani jako kwas, ani jako zasada.

Jon tlenkowy ma wzór O 2- . To sprzężonej zasady z ługu jonów OH, - i jest spotykane w jonowych substancji stałych, takich jak tlenek wapnia . O 2 jest niestabilny w roztworze wodnym, - jego powinowactwo do H + jest tak duża (s K b ~ -38), że abstrahuje się proton z rozpuszczalnika H 2 O cząsteczki:

O 2− + H 2 O → 2 OH

Stała równowagi powyższych reakcji wynosi p K eq ~ −22

W XVIII wieku tlenki nazwano calxs lub calces po procesie kalcynacji stosowanym do produkcji tlenków. Calx został później zastąpiony przez oxyd .

Redukcyjne rozpuszczanie

Redukcyjnego rozpuszczenia z metalu przejściowego tlenku występuje podczas rozpuszczania w połączeniu z redoks zdarzenia. Na przykład tlenki żelaza rozpuszczają się w obecności reduktorów, które mogą zawierać związki organiczne. lub bakterie Rozpuszczanie redukcyjne jest integralną częścią zjawisk geochemicznych , takich jak cykl żelaza .

Rozpuszczanie redukcyjne niekoniecznie zachodzi w miejscu, w którym adsorbuje się reduktor. Zamiast tego, dodany elektron przemieszcza się przez cząstkę, powodując redukcyjne rozpuszczanie w innym miejscu cząstki.

Nomenklatura i formuły

Czasami do nazywania tlenków stosuje się stosunki metal-tlen. Tak więc, NbOx będzie nazywany tlenek niobu i TiO 2 jest dwutlenek tytanu . To nazewnictwo jest zgodne z greckimi przedrostkami liczbowymi . W starszej literaturze i kontynuowanej w przemyśle, tlenki są nazywane przez dodanie przyrostka -a do nazwy pierwiastka. Zatem tlenek glinu, magnez i chrom to odpowiednio Al 2 O 3 , MgO i Cr 2 O 3 .

Specjalne rodzaje tlenków to nadtlenek , O2
2
, i ponadtlenek , O
2
. W takich gatunkach tlenowi przypisuje się wyższe (mniej ujemne) stany utlenienia niż tlenek.

Te wzory chemiczne tych tlenków pierwiastków w swoim najwyższym stopniu utlenienia są przewidywalne i pochodzą od liczby elektronów walencyjnych do tego elementu. Nawet wzór chemiczny O 4 , tetratlen , jest przewidywalny jako pierwiastek grupy 16 . Wyjątkiem jest miedź , dla której tlenkiem o najwyższym stopniu utlenienia jest tlenek miedzi(II), a nie tlenek miedzi(I) . Innym wyjątkiem jest fluor , który nie istnieje jak można by się spodziewać – jako F 2 O 7 – ale jako OF 2 .

Ponieważ fluor jest bardziej elektroujemny niż atom tlenu, difluorek tlen (O 2 ) nie stanowi tlenek fluoru, lecz oznacza fluor tlenu.

Przykłady tlenków

Poniższa tabela podaje przykłady powszechnie spotykanych tlenków. Podano tylko kilku przedstawicieli, ponieważ liczba jonów wieloatomowych spotykanych w praktyce jest bardzo duża.

Nazwa Formuła Znaleziono/wykorzystanie
Woda (tlenek wodoru) h
2
O
Powszechny rozpuszczalnik , wymagany przez żywotność na bazie węgla
Podtlenek azotu n
2
O
Gaz rozweselający , znieczulenie (stosowany w kombinacji z dwuatomowy tlenu (O 2 ) do podtlenku azotu i tlenu znieczulenia ), wytwarzane przez bakterie azot , azotu , środkiem utleniającym w rakietowej , aerozolowego propelenta , leku rekreacyjnych , gazów cieplarnianych . Inne tlenki azotu, takie jak NO
2
( dwutlenek azotu ), NO ( tlenek azotu ), N
2
O
3
( trójtlenek diazotu ) i N
2
O
4
( tetratlenek diazotu ) występują , szczególnie na obszarach o znacznym zanieczyszczeniu powietrza . Są również silnymi utleniaczami, mogą dodawać kwas azotowy do kwaśnych deszczy i są szkodliwe dla zdrowia.
Dwutlenek krzemu SiO
2
piasek , kwarc
Tlenek żelaza(II,III) Fe
3
O
4
Ruda żelaza , rdza , wraz z tlenkiem żelaza(III) ( Fe
2
O
3
)
Tlenek glinu Glin
2
O
3
Aluminium rudy, tlenek glinu , korund , rubin (korund z zanieczyszczeń z chromem ).
Tlenek cynku ZnO Wymagany do wulkanizacji z kauczuku , dodatek do betonu , krem do opalania , pielęgnacji skóry, płyny, przeciwbakteryjne i przeciwgrzybicze właściwości, dodatek do żywności , białego pigmentu .
Dwutlenek węgla WSPÓŁ
2
Składnikiem atmosfery Ziemi , najbardziej rozpowszechniona i ważne gazu cieplarnianego , stosowane przez rośliny w procesie fotosyntezy , aby cukry , produkt procesy biologiczne, takie jak oddychanie i reakcje chemiczne takie, jak spalanie i chemicznego rozkładu z węglanami . CO lub tlenek węgla powstaje jako produkt niecałkowitego spalania i jest bardzo toksycznym gazem .
Tlenek wapnia CaO Wapno palone (stosowany w budownictwie do makijażu zaprawy i betonu ), stosowanego w samonagrzewający puszek w wyniku egzotermicznej reakcji z wodą i tworzy się wodorotlenek wapnia , ewentualne składnik greckiego ognia i tworzy centrum uwagi podczas ogrzewania ponad 2400 ° Celsjusza .

Zobacz też

Bibliografia