ออกไซด์ของโลหะ: คุณสมบัติระบบการตั้งชื่อการใช้งานและตัวอย่าง - เคมี - 2026

ออกไซด์ของโลหะเป็นสารประกอบอนินทรีย์ที่ประกอบด้วยไอออนบวกโลหะและออกซิเจน พวกเขามักประกอบด้วยจำนวนมากมายของของแข็งอิออนซึ่งในไอออนออกไซด์ (O ² ) ปฏิสัมพันธ์ electrostatically กับเอ็ม⁺สายพันธุ์

M ⁺เป็นเช่นนี้ไอออนบวกใด ๆ ที่มาจากโลหะบริสุทธิ์: จากโลหะอัลคาไลและโลหะทรานซิชันยกเว้นโลหะมีตระกูลบางชนิด (เช่นทองคำทองคำขาวและแพลเลเดียม) ไปจนถึงองค์ประกอบที่หนักที่สุดของบล็อก p ของตาราง เป็นระยะ (เช่นตะกั่วและบิสมัท)

ที่มา: Pixabay

ภาพด้านบนแสดงพื้นผิวเหล็กที่ปกคลุมด้วยเปลือกสีแดง "สะเก็ด" เหล่านี้คือสิ่งที่เรียกว่าสนิมหรือสนิมซึ่งจะแสดงให้เห็นถึงหลักฐานการเกิดออกซิเดชันของโลหะอันเนื่องมาจากสภาพแวดล้อม ในทางเคมีสนิมเป็นส่วนผสมของเหล็ก (III) ออกไซด์ที่ให้ความชุ่มชื้น

เหตุใดการเกิดออกซิเดชันของโลหะจึงนำไปสู่การย่อยสลายของพื้นผิว เนื่องจากการรวมตัวของออกซิเจนภายในโครงสร้างผลึกของโลหะ

เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นปริมาตรของโลหะจะเพิ่มขึ้นและปฏิสัมพันธ์เดิมอ่อนลงทำให้ของแข็งแตกออก ในทำนองเดียวกันรอยแตกเหล่านี้ช่วยให้โมเลกุลของออกซิเจนแทรกซึมเข้าไปในชั้นโลหะภายในได้มากขึ้นและกัดกินชิ้นส่วนจากด้านในจนหมด

อย่างไรก็ตามกระบวนการนี้เกิดขึ้นด้วยความเร็วที่แตกต่างกันและขึ้นอยู่กับลักษณะของโลหะ (การเกิดปฏิกิริยา) และสภาพทางกายภาพที่ล้อมรอบ ดังนั้นจึงมีปัจจัยที่เร่งหรือชะลอการเกิดออกซิเดชันของโลหะ สองอย่างคือความชื้นและ pH

ทำไม? เนื่องจากการออกซิเดชั่นของโลหะเพื่อสร้างออกไซด์ของโลหะนั้นเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอน “ การเดินทาง” เหล่านี้จากสารเคมีชนิดหนึ่งไปยังอีกชนิดหนึ่งตราบเท่าที่สภาพแวดล้อมอำนวยความสะดวกไม่ว่าจะโดยการมีไอออน (H ⁺ , Na ⁺ , Mg ²⁺ , Cl ^-ฯลฯ ) ซึ่งปรับเปลี่ยน pH หรือโดย โมเลกุลของน้ำที่ให้วิธีการขนส่ง

ในทางวิเคราะห์แนวโน้มของโลหะที่จะก่อตัวเป็นออกไซด์ที่สอดคล้องกันนั้นสะท้อนให้เห็นในศักยภาพการลดลงซึ่งแสดงให้เห็นว่าโลหะชนิดใดตอบสนองได้เร็วกว่าเมื่อเทียบกับโลหะอื่น

ตัวอย่างเช่นทองคำมีศักยภาพในการลดลงมากกว่าเหล็กมากซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้มันส่องแสงสีทองที่มีลักษณะเฉพาะโดยไม่มีออกไซด์ที่จะทำให้หมองคล้ำ

คุณสมบัติของออกไซด์ของอโลหะ

แมกนีเซียมออกไซด์ซึ่งเป็นโลหะออกไซด์

คุณสมบัติของโลหะออกไซด์แตกต่างกันตามโลหะและวิธีการโต้ตอบกับ O ^2-ไอออน ซึ่งหมายความว่าออกไซด์บางชนิดมีความหนาแน่นหรือการละลายในน้ำสูงกว่าออกไซด์อื่น ๆ อย่างไรก็ตามพวกเขาทั้งหมดมีลักษณะโลหะเหมือนกันซึ่งสะท้อนให้เห็นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในพื้นฐานของพวกเขา

กล่าวอีกนัยหนึ่ง: พวกมันเรียกอีกอย่างว่าแอนไฮไดรด์พื้นฐานหรือออกไซด์พื้นฐาน

ด่าง

สามารถตรวจสอบความเป็นพื้นฐานของโลหะออกไซด์ได้โดยใช้ตัวบ่งชี้กรดเบส อย่างไร? การเพิ่มออกไซด์ชิ้นเล็ก ๆ ลงในสารละลายที่เป็นน้ำพร้อมตัวบ่งชี้ที่ละลาย นี่อาจเป็นน้ำคั้นของกะหล่ำปลีม่วง

จากนั้นช่วงของสีขึ้นอยู่กับ pH ออกไซด์จะเปลี่ยนน้ำผลไม้ให้เป็นสีฟ้าซึ่งสอดคล้องกับ pH พื้นฐาน (มีค่าระหว่าง 8 ถึง 10) นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าส่วนที่ละลายของออกไซด์จะปล่อย OH ^-ไอออนลงในตัวกลางซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง pH ในการทดลองดังกล่าว

ดังนั้นสำหรับออกไซด์ MO ที่ละลายในน้ำจะถูกเปลี่ยนเป็นไฮดรอกไซด์โลหะ ("ไฮเดรตออกไซด์") ตามสมการเคมีต่อไปนี้:

MO + H ₂ O => M (OH) ₂

M (OH) ₂ <=> ม²⁺ + 2OH ^-

สมการที่สองคือความสมดุลการละลายของเอ็มไฮดรอกไซ _(OH) 2 โปรดทราบว่าโลหะมีประจุ 2+ ซึ่งหมายความว่าความจุของมันคือ +2 ความจุของโลหะเกี่ยวข้องโดยตรงกับแนวโน้มที่จะได้รับอิเล็กตรอน

ด้วยวิธีนี้ยิ่งความจุเป็นบวกมากเท่าใดความเป็นกรดก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในกรณีที่ M มีความจุ +7 ออกไซด์ M ₂ O ₇จะเป็นกรดและไม่เป็นพื้นฐาน

Amphotericism

ออกไซด์ของโลหะเป็นพื้นฐาน แต่ก็ไม่ได้มีลักษณะโลหะเหมือนกันทั้งหมด คุณรู้ได้อย่างไร? ค้นหาโลหะ M บนตารางธาตุ ยิ่งคุณอยู่ทางซ้ายของมันมากเท่าไหร่และในช่วงเวลาที่ต่ำมันก็จะยิ่งมีโลหะมากขึ้นดังนั้นออกไซด์ของคุณก็จะยิ่งเป็นพื้นฐานมากขึ้นเท่านั้น

ที่เส้นขอบระหว่างออกไซด์พื้นฐานและกรด (ออกไซด์ที่ไม่ใช่โลหะ) เป็นออกไซด์ของแอมโฟเทอริก นี่คือคำว่า 'amphoteric' หมายความว่าออกไซด์ทำหน้าที่ทั้งเป็นฐานและเป็นกรดซึ่งเป็นเช่นเดียวกับในสารละลายจะสามารถรูปแบบไฮดรอกไซหรือน้ำที่ซับซ้อน M (OH ₂ ) ₆ 2+

คอมเพล็กซ์ในน้ำไม่ได้เป็นอะไรมากไปกว่าการประสานงานของ n โมเลกุลของน้ำกับศูนย์โลหะ M. สำหรับ^{คอมเพล็กซ์} M (OH ₂ ) ₆ ²⁺โลหะ M ²⁺ล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำหกโมเลกุลและถือได้ว่าเป็น ไอออนบวกไฮเดรต สารประกอบเชิงซ้อนเหล่านี้จำนวนมากแสดงสีที่เข้มข้นเช่นทองแดงและโคบอลต์ที่สังเกตได้

ศัพท์เฉพาะ

โลหะออกไซด์มีชื่ออย่างไร? มีสามวิธีในการดำเนินการ: แบบดั้งเดิมระบบและสต็อกสินค้า

ระบบการตั้งชื่อแบบดั้งเดิม

ในการตั้งชื่อโลหะออกไซด์ให้ถูกต้องตามกฎที่ควบคุมโดย IUPAC จำเป็นต้องทราบวาเลนซ์ที่เป็นไปได้ของโลหะ M ที่ใหญ่ที่สุด (บวกมากที่สุด) จะถูกกำหนดส่วนต่อท้าย -ico ให้กับชื่อโลหะในขณะที่ ผู้เยาว์คำนำหน้า –oso

ตัวอย่าง: ที่กำหนด 2 และ 4 valences ของโลหะ M ออกไซด์ที่สอดคล้องกันของมันเป็น MO MO และ2 หาก M ออกนำตะกั่วออกไซด์แล้ว PbO ลูกดิ่งจะทนและ PbO ₂ออกไซด์ PLUMB ICOถ้าโลหะมีวาเลนซ์เพียงตัวเดียวออกไซด์ของมันจะถูกตั้งชื่อด้วยคำต่อท้าย –ico ดังนั้น Na ₂ O คือโซเดียมออกไซด์

ในทางกลับกันคำนำหน้า hypo- และ per- จะถูกเพิ่มเมื่อมีวาเลนซ์สามหรือสี่สำหรับโลหะ ดังนั้น Mn ₂ O ₇จึงเป็นออกไซด์ต่อ Mangan icoเนื่องจาก Mn มีความจุ +7 มากที่สุด

อย่างไรก็ตามระบบการตั้งชื่อประเภทนี้มีปัญหาบางอย่างและมักใช้น้อยที่สุด

ระบบการตั้งชื่อ

พิจารณาจำนวนอะตอมของ M และออกซิเจนที่ประกอบเป็นสูตรเคมีของออกไซด์ จากนั้นจะมีการกำหนดคำนำหน้าที่สอดคล้องกัน mono-, di-, tri-, tetra- ฯลฯ

ตัวอย่างของโลหะออกไซด์ทั้งสามชนิดล่าสุด PbO คือตะกั่วมอนอกไซด์ PbO ₂ตะกั่วไดออกไซด์; และ Na ₂ O คือไดโซเดียมมอนอกไซด์ ในกรณีของสนิม Fe ₂ O ₃ชื่อตามลำดับคือ di iron trioxide

ระบบการตั้งชื่อหุ้น

แตกต่างจากอีกสองระบบการตั้งชื่อในเรื่องนี้ความจุของโลหะมีความสำคัญมากกว่า วาเลนซ์ถูกระบุด้วยตัวเลขโรมันในวงเล็บ: (I), (II), (III), (IV) ฯลฯ โลหะออกไซด์จึงถูกตั้งชื่อว่า metal (n) ออกไซด์

การใช้ระบบการตั้งชื่อหุ้นสำหรับตัวอย่างก่อนหน้านี้เรามี:

-PbO: ตะกั่ว (II) ออกไซด์

-PbO ₂ : ตะกั่ว (IV) ออกไซด์

-Na ₂ O: โซเดียมออกไซด์ เนื่องจากมีความจุเฉพาะ +1 จึงไม่ได้ระบุไว้

-Fe ₂ O ₃ : เหล็ก (III) ออกไซด์

-Mn ₂ O ₇ : แมงกานีส (VII) ออกไซด์

การคำนวณจำนวนวาเลนซ์

แต่ถ้าคุณไม่มีตารางธาตุที่มีวาเลนซ์คุณจะกำหนดได้อย่างไร? สำหรับสิ่งนี้เราต้องจำไว้ว่าประจุลบ O ^{2 -}ก่อให้เกิดประจุลบสองชนิดกับโลหะออกไซด์ ตามหลักการของความเป็นกลางประจุลบเหล่านี้จะต้องถูกทำให้เป็นกลางด้วยประจุบวกของโลหะ

ดังนั้นหากทราบจำนวนออกซีเจนจากสูตรทางเคมีความจุของโลหะสามารถกำหนดได้ในเชิงพีชคณิตเพื่อให้ผลรวมของประจุเป็นศูนย์

Mn ₂ O ₇มีออกซีเจน 7 ตัวดังนั้นประจุลบจึงเท่ากับ 7x (-2) = -14 ในการทำให้ประจุลบของ -14 เป็นกลางแมงกานีสต้องมีส่วนช่วย +14 (14-14 = 0) วางสมการทางคณิตศาสตร์ที่เรามีแล้ว:

2X - 14 = 0

2 มาจากการที่มีแมงกานีสอะตอมสองตัว การแก้และการแก้สำหรับ X ความจุของโลหะ:

X = 14/2 = 7

กล่าวอีกนัยหนึ่งแต่ละ Mn มีความจุ +7

เกิดขึ้นได้อย่างไร?

ความชื้นและ pH มีผลโดยตรงต่อการเกิดออกซิเดชันของโลหะเป็นออกไซด์ที่สอดคล้องกัน การปรากฏตัวของ CO ₂ซึ่งเป็นออกไซด์ที่เป็นกรดสามารถละลายได้อย่างเพียงพอในน้ำที่ปกคลุมส่วนโลหะเพื่อเร่งการรวมตัวของออกซิเจนในรูปแบบแอนไอออนิกในโครงสร้างผลึกของโลหะ

ปฏิกิริยานี้สามารถเร่งได้ด้วยการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องการให้ได้ออกไซด์ในเวลาอันสั้น

ปฏิกิริยาโดยตรงของโลหะกับออกซิเจน

ออกไซด์ของโลหะเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับออกซิเจนโดยรอบ สิ่งนี้สามารถแสดงได้ด้วยสมการทางเคมีด้านล่าง:

2M (s) + O ₂ (g) => 2MO (s)

ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นช้าเนื่องจากออกซิเจนมีพันธะคู่ O = O ที่แข็งแรงและการถ่ายเททางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างมันกับโลหะไม่มีประสิทธิภาพ

อย่างไรก็ตามมันจะเร่งขึ้นอย่างมากเมื่ออุณหภูมิและพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น เนื่องจากมีการให้พลังงานที่จำเป็นเพื่อทำลายพันธะคู่ O = O และเนื่องจากมีพื้นที่มากขึ้นออกซิเจนจะเคลื่อนที่ไปทั่วโลหะอย่างสม่ำเสมอโดยชนในเวลาเดียวกันกับอะตอมของโลหะ

ปริมาณออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยามากขึ้นความจุหรือเลขออกซิเดชันของโลหะก็จะมากขึ้น ทำไม? เนื่องจากออกซิเจนรับอิเล็กตรอนจากโลหะมากขึ้นเรื่อย ๆ จนกว่าจะถึงเลขออกซิเดชันสูงสุด

สิ่งนี้สามารถมองเห็นได้สำหรับทองแดงเช่น เมื่อชิ้นส่วนของโลหะทองแดงทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในปริมาณ จำกัด Cu ₂ O จะเกิดขึ้น(ทองแดง (I) ออกไซด์คิวรัสออกไซด์หรือไดโคเบรมอนอกไซด์):

4Cu (s) + O ₂ (g) + Q (ความร้อน) => 2Cu ₂ O (s) (ของแข็งสีแดง)

แต่เมื่อทำปฏิกิริยาในปริมาณที่เท่ากันจะได้รับ CuO (copper (II) oxide, cupric oxide หรือ copper monoxide):

2Cu (s) + O ₂ (g) + Q (ความร้อน) => 2CuO (s) (ของแข็งสีดำ)

ปฏิกิริยาของเกลือโลหะกับออกซิเจน

ออกไซด์ของโลหะสามารถเกิดขึ้นได้จากการสลายตัวด้วยความร้อน เพื่อให้เป็นไปได้ต้องปล่อยโมเลกุลเล็ก ๆ หนึ่งหรือสองโมเลกุลออกจากสารประกอบเริ่มต้น (เกลือหรือไฮดรอกไซด์):

M (OH) ₂ + Q => MO + H ₂ O

OLS ₃ + Q => MO + CO ₂

2M (ไม่ใช่₃ ) ₂ + Q => MO + 4NO ₂ + O ₂

โปรดสังเกตว่า H ₂ O, CO ₂ , NO ₂และ O ₂เป็นโมเลกุลที่ปล่อยออกมา

การประยุกต์ใช้งาน

เนื่องจากองค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์ของโลหะในเปลือกโลกและออกซิเจนในชั้นบรรยากาศโลหะออกไซด์จึงพบได้ในแหล่งแร่วิทยาหลายแห่งซึ่งเป็นพื้นฐานที่มั่นคงสำหรับการผลิตวัสดุใหม่

โลหะออกไซด์แต่ละชนิดพบการใช้งานที่เฉพาะเจาะจงมากตั้งแต่สารอาหาร (ZnO และ MgO) ไปจนถึงสารเติมแต่งซีเมนต์ (CaO) หรือเพียงแค่เป็นสีอนินทรีย์ (Cr ₂ O ₃ )

ออกไซด์บางชนิดมีความหนาแน่นมากจนการเติบโตของชั้นควบคุมสามารถป้องกันโลหะผสมหรือโลหะจากการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติมได้ จากการศึกษาพบว่าการเกิดออกซิเดชันของชั้นป้องกันยังคงดำเนินต่อไปราวกับว่าเป็นของเหลวที่ปิดรอยแตกหรือข้อบกพร่องผิวเผินทั้งหมดของโลหะ

ออกไซด์ของโลหะสามารถใช้กับโครงสร้างที่น่าสนใจไม่ว่าจะเป็นอนุภาคนาโนหรือพอลิเมอร์มวลรวมขนาดใหญ่

ข้อเท็จจริงนี้ทำให้พวกเขาเป็นเป้าหมายของการศึกษาสำหรับการสังเคราะห์วัสดุอัจฉริยะเนื่องจากมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ซึ่งใช้ในการออกแบบอุปกรณ์ที่ตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นทางกายภาพน้อยที่สุด

นอกจากนี้โลหะออกไซด์ยังเป็นวัตถุดิบสำหรับการใช้งานทางเทคโนโลยีมากมายตั้งแต่กระจกและเซรามิกที่มีคุณสมบัติเฉพาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไปจนถึงแผงโซลาร์เซลล์

ตัวอย่าง

ออกไซด์ของเหล็ก

2Fe (s) + O ₂ (g) => 2FeO (s) เหล็ก (II) ออกไซด์

6FeO (s) + O ₂ (g) => 2Fe ₃ O ₄ (s) เหล็กออกไซด์แม่เหล็ก

Fe ₃ O ₄หรือที่เรียกว่าแมกไนต์เป็นออกไซด์ผสม ซึ่งหมายความว่ามันประกอบด้วยส่วนผสมที่มั่นคงของ FeO และเฟ₂ O 3

4Fe ₃ O ₄ (s) + O ₂ (g) => 6Fe ₂ O ₃ (s) เหล็ก (III) ออกไซด์

อัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ ธ ออกไซด์

ทั้งโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ ธ มีเลขออกซิเดชันเพียงค่าเดียวดังนั้นออกไซด์ของพวกมันจึง“ ง่ายกว่า”:

-Na ₂ O: โซเดียมออกไซด์

-Li ₂ O: ลิเธียมออกไซด์

-K ₂ O: โพแทสเซียมออกไซด์

-CaO: แคลเซียมออกไซด์

-MgO: แมกนีเซียมออกไซด์

-BeO: เบริลเลียมออกไซด์ (ซึ่งเป็นแอมโฟเทอริกออกไซด์)

ออกไซด์ของกลุ่ม IIIA (13)

องค์ประกอบของกลุ่ม IIIA (13) สามารถสร้างออกไซด์ได้โดยมีเลขออกซิเดชันเป็น +3 เท่านั้น ดังนั้นจึงมีสูตรเคมี M ₂ O ₃และออกไซด์ของมันมีดังต่อไปนี้:

-Al ₂ O ₃ : อลูมิเนียมออกไซด์

-Ga ₂ O ₃ : แกลเลียมออกไซด์

- ใน₂ O ₃ : อินเดียมออกไซด์

และในที่สุดก็

-Tl ₂ O ₃ : แทลเลียมออกไซด์

อ้างอิง

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE Learning, หน้า 237
2. AlonsoFormula ออกไซด์ของโลหะ นำมาจาก: alonsoformula.com
3. ผู้สำเร็จราชการแห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตา (2018). ลักษณะความเป็นกรด - ด่างของโลหะและอโลหะออกไซด์ นำมาจาก: chem.umn.edu
4. เดวิดแอลแชนด์เลอร์ (3 เมษายน 2561). ออกไซด์ของโลหะที่รักษาตัวเองสามารถป้องกันการกัดกร่อนได้ นำมาจาก: news.mit.edu
5. สถานะทางกายภาพและโครงสร้างของออกไซด์ นำมาจาก: wou.edu
6. Quimitube (2012) ออกซิเดชันของเหล็ก นำมาจาก: quimitube.com
7. เคมี LibreTexts ออกไซด์ นำมาจาก: chem.libretexts.org
8. Kumar M. (2016) โครงสร้างนาโนของโลหะออกไซด์: การเจริญเติบโตและการใช้งาน. ใน: Husain M. , Khan Z. (eds) ความก้าวหน้าในวัสดุนาโน Advanced Structured Materials, vol 79. Springer, New Delhi