Оксиди: класифікація, отримання, властивості

Оксиди – це складні речовини, що складаються з двох хімічних елементів, один з яких кисень, зі ступенем окислення -2. Лише один хімічний елемент – фтор, з’єднуючись з киснем, утворюється не оксид, а фторид кисню OF2.
Називаються вони просто – “оксид + назва елемента” (див. Нижче) .Если валентність хімічного елемента змінна, то вказується римською цифрою, укладеної в круглі дужки, після назви хімічного елемента.

Основним оксидам відповідають підстави, кислотним-кислоти. До основних відносяться оксиди металів головних підгруп I-II груп, а також метали побічних підгруп зі ступенем окислення +1 і +2 (крім цинку і беррілія). До кислотним відносять оксиди неметалів, крім несолеобразующіе, а також оксиди металів побічних підгруп зі ступенем окислення від + 5 до +7 (CrO3-оксид хрому (VI), Mn 2O7 – оксид марганцю (VII)). Основні реагують з кислотами, кислотні з підставами. Третя група оксидів, реагує як з кислотами, так і з основами, вони називаються амфотерними. До них відносяться оксиди металів головних і побічних підгруп зі ступенем окислення +3, іноді +4, а також цинк і берилій. Тобто характер властивостей оксидів в першу чергу залежить від ступеня окислення. Наприклад оксиди хрому CrO (+2 – основний) -> Cr 2O3 (+3 – амфотерний) -> CrO3 (+6 – кислотний).
У періодичній системі в групах зліва направо послаблюються основні властивості, посилюються-кислотні. Зверху вниз в групах посилюються основні, послаблюються кислотні.

Властивості, характеристики та використання хрому

The хром (Cr) є металевим елементом групи 6 (VIB) періодичної таблиці. Щорічно видобувають тонну цього металу шляхом вилучення хромітової залізної руди або магнієвої руди (FeCr)₂O₄, MgCr₂O₄), які скорочуються вугіллям для отримання металу. Вона дуже реактивна, і тільки в дуже редукуючих умовах вона знаходиться в чистому вигляді.

Його назва походить від грецького слова “chroma”, що означає колір. Вона отримала цю назву через численні та інтенсивні кольори, що проявляються сполуками хрому, неорганічними чи органічними; від твердих або чорних розчинів до жовтого, оранжевого, зеленого, фіолетового, синього та червоного.

Проте колір металевого хрому та його карбідів є сірувато-сріблястим. Ця особливість використовується в техніці хрому, щоб надати багатьом структурам проблиски срібла (наприклад, ті, що видно в крокодилі на зображенні вище). Таким чином, “купання з хромом” на шматочки дається блиск і велика стійкість до корозії.

Хром в розчині швидко реагує з киснем повітря, утворюючи оксиди. В залежності від рН та окислювальних умов середовища можуть бути отримані різні номери окислення (III) (Cr 3+ ) найбільш стабільний з усіх. В результаті оксид хрому (III) (Cr₂O₃) Зелений колір є найбільш стійким з його оксидів.

Ці оксиди можуть взаємодіяти з іншими металами в навколишньому середовищі, що походять, наприклад, від сибірського червоного свинцевого пігменту (PbCrO).₄). Цей пігмент жовто-оранжевий або червоний (відповідно до його лужності), і з нього французький вчений Луїс Ніколас Воккелін виділяє металеву мідь, тому її нагороджують як свого першовідкривача.

Його мінерали і оксиди, а також невелика частина металевої міді, роблять цей елемент 22-м найбільш поширеним з земної кори.

Хімія хрому дуже різноманітна, оскільки може утворювати зв’язки майже з усією періодичною таблицею. Кожне з його сполук проявляє кольори, які залежать від кількості окислення, а також видів, які взаємодіють з ним. Він також утворює зв’язки з вуглецем, втручаючись у велику кількість металоорганічних сполук.

Характеристики та властивості

Хром є металом срібла в чистому вигляді, з атомним номером 24 і молекулярною масою приблизно 52 г / моль ( 52 Cr, його найбільш стійкий ізотоп).

Враховуючи його міцні металеві зв’язки, він має високі температури плавлення (1907 ° C) і кипіння (2671 ° C). Крім того, його кристалічна структура робить його дуже щільним металом (7,19 г / мл).

Він не реагує з водою з утворенням гідроксидів, але він реагує з кислотами. Він окислюється киснем з повітря, зазвичай виробляє хромовий оксид, який є широко використовуваним зеленим пігментом..

Ці шари оксиду створюють те, що відомо як пасивація, захищаючи метал від подальшої корозії, оскільки кисень не може проникнути в металевий синус.

Його електронна конфігурація [Ar] 4s 1 3d 5 , при цьому всі електрони неспарені, а отже, проявляють парамагнітні властивості. Однак спаровування електронних спінів може відбуватися, якщо метал піддається низьким температурам, отримуючи інші властивості, такі як антиферомагнетизм..

• 1 Характеристики та властивості
• 2 Хімічна структура хрому
• 3 Номер окислення
  • 3,1 Cr (-2, -1 і 0)
  • 3.2 Cr (I) і Cr (II)
  • 3,3 Cr (III)
  • 3,4 Cr (IV) і Cr (V)
  • 3,5 Cr (VI): пара-хромат-дихромат
  • 4.1 Як барвник або пігменти
  • 4.2 У хромі або металургії
  • 4.3

  Хімічна структура хрому
  

  Яка структура металу хрому? У чистому вигляді хром приймає кубічну кристалічну структуру з центром на тілі (cc або bcc, для її акроніму англійською мовою). Це означає, що атом хрому розташований в центрі куба, ребра якого зайняті іншими хромосами (як на зображенні вище)..

  Ця структура відповідає за високі температури плавлення і кипіння хрому, а також за високу твердість. Атоми міді перекривають їх s і d орбіталі, щоб сформувати смуги провідності відповідно до теорії зон.

  Таким чином, обидві смуги наполовину повні. Чому? Тому що його електронна конфігурація [Ar] 4s 1 3d 5 і як орбітальні s можуть утримувати два електрони, а орбіталі d – десять. Тоді тільки половина смуг, утворених їх перекриттями, зайнята електронами.

  З цими двома перспективами – кристалічною структурою і металевим зв’язком – багато фізичних властивостей цього металу можна пояснити теоретично. Однак, ні пояснюється, чому хром може мати кілька станів або чисел окислення.

  Це вимагало б глибокого розуміння стабільності атома по відношенню до електронних спинів.

  Номер окислення

  Оскільки електронна конфігурація хрому становить [Ar] 4s 1 3d 5 може заробити до одного або двох електронів (Cr 1- і Cr 2- ), або йти втратити їх для отримання різних номерів окислення.

  Таким чином, якщо б хром втратив електрон, це було б як [Ar] 4s 0 3d 5 ; якщо ви втратите три, [Ar] 4s 0 3d 3 ; і якщо ви втратите їх усіх, [Ar], або те, що те ж саме, було б ізоелектронним для аргону.

  Хром не втрачає і не отримує електронів простого капризу: повинен існувати вид, який подарує або приймає їх, щоб перейти від одного числа окислення до іншого.

  Хром має наступні кількості окислення: -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 і +6. З них +3, Cr 3+ , вона є найбільш стабільною і тому переважаючою з усіх; слідують +6, Cr 6+ .

  Cr (-2, -1 і 0)

  Дуже малоймовірно, що хром отримає електрони, оскільки він є металом, і тому його природа полягає в тому, щоб пожертвувати їх. Однак він може бути скоординований з лігандами, тобто молекулами, які взаємодіють з металевим центром через доносну зв’язок.

  Одним з найбільш відомих є оксид вуглецю (СО), який утворює гексакарбонільне з’єднання хрому.

  Ця сполука має молекулярну формулу Cr (CO)₆, і оскільки ліганди є нейтральними і не забезпечують ніякого заряду, то Cr має кількість окислення 0.

  Це також можна спостерігати в інших металоорганічних сполуках, таких як біс (бензол) хром. В останньому хромі оточені двома бензольними кільцями в молекулярній структурі типу “сендвіч”:

  З цих двох металоорганічних сполук можуть виникати багато інших Cr (0).

  Солі були знайдені там, де вони взаємодіють з катіонами натрію, що означає, що Cr має негативне число окислення для залучення позитивних зарядів: Cr (-2), Na₂[Cr (CO)₅] і Cr (-1), Na₂[Cr₂(CO)₁₀].

  Cr (I) і Cr (II)

  Cr (I) або Cr 1+ він продукується окисленням тільки описаних металоорганічних сполук. Це досягається окислювальними лігандами, такими як CN або NO, таким чином утворюючи, наприклад, з’єднання K₃[Cr (CN)₅НІ].

  Тут факт наявності трьох K катіонів + означає, що комплекс хрому має три негативні заряди; аналогічно ліганду CN – забезпечує п’ять негативних зарядів, так що між Cr і NO необхідно додати два позитивних заряду (-5 + 2 = -3).

  Якщо NO є нейтральним, то це Cr (II), але має позитивний заряд (NO + ), є в тому випадку Cr (I).

  З іншого боку, сполуки Cr (II) більш поширені, серед них: хлорид хрому (II) (CrCl)₂), хромовий ацетат (Кр₂(Or₂CCH₃)₄), оксид хрому (II) (CrO), сульфід хрому (II) (CrS) та інші.

  Cr (III)

  З усього це одна з більшої стійкості, оскільки вона є насправді продуктом багатьох окислювальних реакцій іонів хромату. Можливо, його стабільність зумовлена ​​її електронною конфігурацією 3 , в яких три електрона займають три д орбіталі меншої енергії порівняно з двома іншими енергетичними (розгортання d орбіталей).

  Найбільш характерним з’єднанням цього числа окислення є оксид хрому (III) (Cr₂O₃). Залежно від узгоджених з ним лігандів комплекс буде відображати один колір або інший. Прикладами цих сполук є: [CrCl₂(H₂O)₄] Cl, Cr (OH)₃, CrF₃, [Cr (H₂O)₆] 3+ , і т.д..

  Хоча хімічна формула не показує її на перший погляд, хром зазвичай має октаедричну координаційну сферу в своїх комплексах; тобто знаходиться в центрі октаедра, де його вершини розташовані лігандами (всього шість).

  Cr (IV) і Cr (V)

  Сполуки, де Cr бере участь 5+ їх дуже мало, через електронну нестабільність згаданого атома, крім того, що він легко окислюється до Cr 6+ , набагато більш стійкий, будучи ізоелектронним по відношенню до аргону благородним газом.

  Однак сполуки Cr (V) можуть бути синтезовані за певних умов, таких як високий тиск. Крім того, вони мають тенденцію до розкладання при помірних температурах, що робить їх можливими застосуваннями неможливими, оскільки вони не мають теплового опору. Деякі з них: CrF₅ і K₃[Cr (O₂)₄] (O₂ 2- являє собою пероксидний аніон).

  З іншого боку Cr 4+ Вона відносно більш стабільна, здатна синтезувати свої галогеновані сполуки: CrF₄, CrCl₄ і CrBr₄. Однак вони також сприйнятливі до розкладання окислювально-відновними реакціями для отримання атомів хрому з кращими числами окислення (наприклад, +3 або +6)..

  Cr (VI): пара-хромат-дихромат

  Наведене вище рівняння відповідає димеризації кислот двох хромат-іонів для отримання дихромата. Зміна рН викликає зміну взаємодій навколо металевого центру Cr 6+ , свідчить також про колір розчину (від жовтого до помаранчевого або навпаки). Дихромат складається з моста O₃Cr-O-CrO₃.

  Сполуки Cr (VI) мають властивості бути шкідливими і навіть канцерогенними для організму людини і тварин.

  Як? Дослідження стверджують, що іони CrO₄ 2- вони перетинають клітинні мембрани дією білків, які транспортують сульфати (обидва іона насправді мають подібні розміри).

  Відновлюючі агенти всередині клітин зменшують Cr (VI) до Cr (III), що накопичується шляхом необоротної координації зі специфічними ділянками макромолекул (таких як ДНК)..

  Забруднену клітиною надлишок хрому, цей не можна вийти через відсутність механізму, який транспортує його назад через мембрани.

  Використовується Chrome
  

  Як барвник або пігменти

  Хром має широкий спектр застосувань, від барвника для різних типів тканин, до захисних, що прикрашають металеві частини в так званому хромі, який можна зробити чистим металом або сполуками Cr (III) або Cr (VI).

  Хромовий фторид (CrF)₃), наприклад, використовується в якості барвника для вовняних тканин; хромовий сульфат (Cr₂(SO₄)₃), призначений для фарбування емалей, кераміки, фарб, фарб, лаків, а також служить для хроматних металів; і хромовий оксид (Cr₂O₃) також знаходить застосування, де потрібний його привабливий зелений колір.

  Таким чином, будь-який хромовий мінерал з інтенсивними кольорами може бути призначений для фарбування структури, але після цього виникає той факт, якщо зазначені сполуки є небезпечними або не для навколишнього середовища або для здоров’я індивідуумів.

  Фактично його отруйні властивості використовуються для збереження деревини та інших поверхонь від нападу комах.

  У хромованих або металургійних

  Крім того, в сталь додаються невеликі кількості хрому для посилення його проти окислення і поліпшення його яскравості. Це пояснюється тим, що вона здатна утворювати сіруватий карбід (Cr₃C₂) дуже стійкі до реагування з киснем повітря.

  Оскільки хром може бути полірованим для отримання блискучих поверхонь, хромовані, то срібні конструкції та кольори є більш дешевою альтернативою для цих цілей..

  Харчова

  Деякі дебати обговорюють, чи можна вважати хром істотним елементом, тобто незамінним у щоденному раціоні. Він присутній в деяких харчових продуктах в дуже малих концентраціях, таких як зелене листя і помідори.

  Крім того, існують білкові добавки, які регулюють активність інсуліну і сприяють росту м’язів, як у випадку з полиникотинатами хрому..

  Де це?

  Хром знаходиться у великій різноманітності мінералів і дорогоцінних каменів, таких як рубіни і смарагди. Основним мінералом, з якого екстрагується хром, є хроміт (MCr₂O₄), де М може бути будь-яким іншим металом, з яким пов’язаний оксид хрому. Ці шахти рясніють у Південній Африці, в Індії, Туреччині, Фінляндії, Бразилії та інших країнах.

  Кожен джерело має один або більше варіантів хроміту. Таким чином, для кожного М (Fe, Mg, Mn, Zn та ін.) Виникає різний мінерал хрому.

  Для вилучення металу необхідно зменшити мінерал, тобто зробити металевий центр хрому електронами за рахунок дії відновника. Це робиться з вуглецем або алюмінієм:

  Також знайдено хроміт (PbCrO₄).

  Зазвичай, в будь-якому мінералі, де іон Cr 3+ може замінити Al 3+ , обидва з дещо схожими іонними радіусами, представляють собою домішку, що призводить до іншого природного джерела цього дивовижного, але шкідливого, металевого.

  Список літератури

  1. Tenenbaum E. Хром. Взяті з: chemistry.pomona.edu
  2. Вікіпедія. (2018). Хром Взяті з сайту: en.wikipedia.org
  3. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (6 квітня 2018). Яка різниця між Chrome і Chromium? Взяті з: thoughtco.com
  4. Н.В. Мандич (1995). Хімія хрому. [PDF] Взяті з: citeseerx.ist.psu.edu
  5. Хімія LibreTexts. Хімія хрому. Взяті з: chem.libretexts.org
  6. Саул 1. Шупак. (1991). Хімія хрому та деякі отримані аналітичні проблеми. Відгук: ncbi.nlm.nih.gov
  7. Advameg, Inc. (2018). Хром Взяті з: chemistryexplained.com

  § 27. Оксиди: фізичні властивості, поширеність та застосування

  Пригадайте: залежність фізичних властивостей речовин від типу хімічного зв’язку та кристалічних ґраток (за § 21).

  Будова та фізичні властивості оксидів

  Серед оксидів трапляються речовини і молекулярної, і немолекулярної будови. Будова оксидів зумовлює їхні фізичні властивості.

  Більшість оксидів неметалічних елементів (кислотні оксиди) — це переважно речовини молекулярної будови з невеликими температурами плавлення й кипіння. За звичайних умов кислотні оксиди трапляються в різному агрегатному стані, тобто бувають твердими, рідкими й газоподібними.

  Оксиди металічних елементів (основні та амфотерні оксиди) є речовинами переважно йонної будови. Це тверді кристалічні речовини з високою температурою плавлення й кипіння. Більшість із них не розчиняються у воді.

  Оскільки більшість хімічних елементів є металічними, то можна стверджувати, що більшість оксидів є твердими речовинами. Твердими також є деякі оксиди неметалічних елементів, наприклад силіцій(ІV) оксид та фосфор(V) оксид.

  Газоподібних оксидів значно менше. Усі вони є молекулярними речовинами й утворені неметалічними елементами: нітроген(ІV) оксид та нітроген(ІІ) оксид, карбон(ІV) оксид та карбон(ІІ) оксид, сульфур(ІV) оксид тощо.

  Поширеність оксидів у природі

  Гідроген оксид (вода) наявний у повітрі у вигляді водяної пари завдяки випаровуванню води з поверхні планети. За певної температури газоподібна вода перетворюється на рідку й випадає у вигляді роси або дощу.

  Карбон(ІV) оксид (вуглекислий газ) виділяється в атмосферу в результаті дихання організмів, вивержень вулканів та техногенної діяльності людини. Поглинається рослинами під час фотосинтезу. Разом із водою зумовлює парниковий ефект, саме тому планета не охолоджується до критично низьких температур.

  Нітроген(ІV) оксид і сульфур(ІV) оксид (сірчистий газ) утворюються під час виверження вулканів, під час грози та в результаті техногенної діяльності. Ці оксиди зумовлюють виникнення кислотних дощів. Є однією з причин забруднення повітря у великих містах.

  Нітроген(IV) оксид ΝΟ₂— отруйний газ бурого кольору, який називають «лисячий хвіст». Потрапляє в атмосферу з викидами металургійних і хімічних підприємств. При взаємодії з водяною парою утворює нітратну кислоту, що є однією з причин кислотних дощів.

  Силіцій(ІV) оксид SiO₂ називають кремнеземом, оскільки він є складовою піску, ґрунтів, багатьох мінералів: кварцу, гірського кришталю, хризоліту, аметисту тощо. У Карпатах знайдено унікальний різновид кварцових кристалів — мармароський діамант.

  Алюміній оксид Аl₂О₃ є основою багатьох мінералів: рубіну, хризоберилу, корунду тощо. Разом із силіцій(ІV) оксидом є складовою ґрунтів і порід, зокрема бокситу, з якого добувають алюміній. В Україні великі поклади бокситів знайдено в Закарпатті та Приазов’ї.

  Ферум(IIІ) оксид Fe₂O₃ утворює багато мінералів: гематит, лімоніт, магнетит тощо, з яких добувають залізо, а також використовують як виробний камінь. В Україні родовища цих мінералів розміщені в Криворізькому залізорудному басейні.

  Використання оксидів

  Кварц і кварцовий пісок — сировина для виробництва скла. Скло з чистого кварцу є дуже цінним матеріалом, тому що воно пропускає ультрафіолетове випромінювання (лампи з кварцового скла використовують у соляріях).

  Породи з великим умістом алюміній оксиду використовують для добування алюмінію — конструкційного матеріалу. Різновид алюміній оксиду — корунд — є дуже твердим мінералом, його використовують для обробки металевих, керамічних та інших поверхонь.

  Оксиди Феруму Fe₂O₃ та Fe₃O₄ використовують для добування заліза. Також на їх основі виготовляють коричневу фарбу (вохру) та феромагнітні покриття для аудіо- й відеоплівок і пластин жорстких магнітних дисків (вінчестерів).

  Хром(ІІІ) оксид Сr₂О₃ використовують для виготовлення шліфувальної пасти (пасти ДОІ) та зеленої фарби. В Україні хром(ІІІ) оксид трапляється у вигляді хромітового зруденіння в Середньому Побужжі.

  Титан(ІV) оксид ТіО₂ та цинк оксид ZnO є основою білої фарби (титанові та цинкові білила). Їх виготовляють у великому обсязі на хімічних підприємствах України. Великі поклади титан(ІV) оксиду у вигляді мінералу рутилу є в Придніпров’ї та на Волині. Це майже 20% світових запасів титану.

  Магній оксид MgO (палена магнезія) використовують для виробництва вогнетривких матеріалів, цементу, очищення нафтопродуктів, для виготовлення лікарських препаратів.

  Кальцій оксид СаО (негашене вапно) використовують для виготовлення будівельних матеріалів — вапна, цементу, цегли, а також у сільському господарстві.

  • Із чистого силіцій(IV) оксиду добувають так зване кварцове скло. Воно виявляє стійкість під час нагрівання до 1000-1200 °С. На відміну від звичайного скла, воно майже не розширяється під час нагрівання, а при охолодженні не стискається. Тому склянку, виготовлену з кварцового скла, можна нагріти до 1000 °С, а потім різко охолодити під струменем води. Кварцова склянка при цьому не трісне й не розламається, на відміну від склянки зі звичайного скла.

  • Багато випадків спостереження привидів пояснюється поганою системою опалення. Якщо в приміщенні накопичується чадний газ (карбон(ІІ) оксид), то навіть у малій концентрації він призводить до отруєння, яке разом із головним болем та відчуттям утоми спричиняє зорові та слухові галюцинації.

  Висновки

  • 1. Оксиди — дуже поширені сполуки в природі завдяки великому вмісту Оксигену на Землі. Основні та амфотерні оксиди за звичайних умов завжди тверді. Кислотні оксиди можуть перебувати як у твердому, так і в рідкому й газоподібному станах.
  • 2. Оксиди утворюють цінні природні мінерали. Оксиди широко використовують для виготовлення фарб та будівельних матеріалів.

  Контрольні запитання

  • 1. Назвіть оксиди, що трапляються в атмосфері, гідросфері, літосфері.
  • 2. Від чого залежать фізичні властивості оксидів? Наведіть приклади оксидів, що за звичайних умов перебувають у твердому, рідкому й газоподібному станах.
  • 3. Наведіть приклади використання оксидів.

  Завдання для засвоєння матеріалу

  1. Складіть формули речовин: кальцій оксид, калій оксид, фосфор(V) оксид, фосфор(ІІІ) оксид, барій оксид, цинк оксид, бор оксид, алюміній оксид. Які із цих оксидів основні, які — кислотні, а які — амфотерні?

  2. Складіть формули й назви речовин: а) газ — оксид, що міститься в повітрі й необхідний для фотосинтезу; б) оксид, що утворюється в атмосфері під час спалаху блискавки; в) оксид, що «гасять» водою; г) оксид, що є основною складовою піску; д) отруйний оксид, що називають чадним газом; е) оксид, що має феромагнітні властивості.

  3. Манган може утворювати декілька оксидів, у яких він виявляє валентності II, III, IV, VII. Складіть формули цих оксидів та їхні назви.

  4. Хром може утворювати два оксиди, у яких він виявляє валентність III та VI. Складіть формули цих оксидів та обчисліть масову частку Хрому в них. До якої групи оксидів вони належать?

  5. Складіть рівняння реакцій утворення з простих речовин оксидів: а) Сульфуру(ІV); б) Нітрогену(ІІ); в) Алюмінію; г) Феруму(ІІ); д) Фосфору(V).

  6. Складіть рівняння реакцій горіння магнію, літію та вуглецю в кисні. Укажіть назви добутих оксидів.

  7. Обчисліть кількість атомів Нітрогену в зразку нітроген(І) оксиду об’ємом 2,8 л.

  8. Із тексту параграфа випишіть оксиди, що містяться в повітрі, та обчисліть їх відносну густину за повітрям.

  9*. Які газоподібні оксиди, що забруднюють атмосферу Землі, ви знаєте? Розгляньте шляхи, якими відбувається забруднення атмосфери. Запропонуйте способи запобігання забрудненню повітря.