أكسيد

الموسوعة الحرة
الخلية الأولية للروتيل ، وهو أكسيد مهم للتيتانيوم. مراكز التيتانيوم (IV) رمادية اللون، ومراكز الأكسجين حمراء. لاحظ أن الأكسجين يشكل ثلاث روابط مع التيتانيوم، بينما يشكل التيتانيوم ست روابط مع الأكسجين .

الأكسيد ( يُلفظ / ˈɒksaɪd / ) هو مركب كيميائي يحتوي على ذرة أكسجين واحدة على الأقل وعنصر آخر واحد على الأقل في صيغته الكيميائية [ 1 ] . وكلمة "أكسيد" نفسها هي الأنيون الثنائي (أيون يحمل شحنة صافية -2) للأكسجين، أي أيون O²⁻ حيث يكون الأكسجين في حالة الأكسدة -2. تتكون معظم قشرة الأرض من أكاسيد. حتى المواد التي تُعتبر عناصر نقية غالبًا ما تُكوّن طبقة أكسيد. على سبيل المثال، تُكوّن رقائق الألومنيوم طبقة رقيقة من Al₂O₃ ( تُسمى طبقة التخميل ) تحمي الرقائق من المزيد من الأكسدة . [ 2 ]

القياس الكمي

تتميز الأكاسيد بتنوعها الاستثنائي من حيث النسب الكيميائية (العلاقة القابلة للقياس بين المتفاعلات والمعادلات الكيميائية للتفاعل) ومن حيث بنية كل نسبة. تُشكل معظم العناصر أكاسيدًا بأكثر من نسبة كيميائية واحدة. ومن الأمثلة المعروفة أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون . [ 2 ] ينطبق هذا على الأكاسيد الثنائية ، أي المركبات التي تحتوي على أكسيد وعنصر آخر فقط. أما الأكاسيد ذات النسب الكيميائية الأكثر تعقيدًا فهي أكثر شيوعًا من الأكاسيد الثنائية. يمكن أن ينشأ هذا التعقيد بإضافة كاتيونات أخرى (أيون موجب الشحنة، أي أيون ينجذب إلى المهبط في التحليل الكهربائي) أو أنيونات أخرى (أيون سالب الشحنة). يُعد سيليكات الحديد ، Fe₂SiO₄ ، المعروف باسم معدن الفاياليت ، أحد الأمثلة العديدة على الأكاسيد الثلاثية. كما توجد احتمالات تعدد الأشكال وعدم التكافؤ الكيميائي للعديد من أكاسيد المعادن . [ 3 ] توجد أكاسيد التيتانيوم ذات الأهمية التجارية في ثلاثة تراكيب متميزة، على سبيل المثال. وتوجد العديد من أكاسيد المعادن في حالات غير متكافئة مختلفة. كما توجد العديد من الأكاسيد الجزيئية بروابط متنوعة. [ 4 ]

ولتبسيط الأمور، يركز معظم هذا المقال على الأكاسيد الثنائية.

تشكيل

ترتبط الأكاسيد بجميع العناصر باستثناء عدد قليل من الغازات النبيلة. وبالمثل، فإن مسارات تكوين هذه المجموعة المتنوعة من المركبات عديدة للغاية.

أكاسيد المعادن

تنشأ العديد من أكاسيد المعادن من تحلل مركبات معدنية أخرى، مثل الكربونات والهيدروكسيدات والنترات . في عملية تكوين أكسيد الكالسيوم ، تتحلل كربونات الكالسيوم ( الحجر الجيري ) عند تسخينها، مطلقةً ثاني أكسيد الكربون: [ 2 ]

CaCO3 → CaO + CO2

يُعد تفاعل العناصر مع الأكسجين في الهواء خطوةً أساسيةً في التآكل ، لا سيما فيما يتعلق بالاستخدام التجاري للحديد. تُشكّل جميع العناصر تقريبًا أكاسيد عند تسخينها في جوٍّ من الأكسجين. على سبيل المثال، يحترق مسحوق الزنك في الهواء مُنتجًا أكسيد الزنك : [ 5 ]

2 Zn + O 2 → 2 ZnO

غالباً ما تتضمن عملية إنتاج المعادن من الخامات إنتاج الأكاسيد عن طريق تحميص (تسخين) معادن كبريتيد المعادن في الهواء. وبهذه الطريقة، يتحول MoS₂ (الموليبدينيت ) إلى ثلاثي أكسيد الموليبدينوم ، وهو المادة الأولية لجميع مركبات الموليبدينوم تقريباً: [ 6 ]

2 MoS₂ + 7 O₂ → 2 MoO₃ + 4 SO₂

تُعتبر المعادن النبيلة (مثل الذهب والبلاتين ) ذات قيمة عالية لأنها تقاوم التفاعل الكيميائي المباشر مع الأكسجين. [ 2 ]

أكاسيد اللافلزات

من أهم أكاسيد اللافلزات وأكثرها شيوعًا ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون . تتشكل هذه المركبات عند الأكسدة الكاملة أو الجزئية للكربون أو الهيدروكربونات. في حالة نقص الأكسجين، يُنتج أول أكسيد الكربون: [ 2 ]

2 CH 4 + 3 O 2 → 2 CO + 4 H 2 O
2 C + O 2 → 2 CO

في حالة وجود فائض من الأكسجين، يكون ثاني أكسيد الكربون هو الناتج، ويمر المسار عبر وسيط أول أكسيد الكربون:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O
C + O 2 → CO 2

يصعب تحويل النيتروجين العنصري ( N2 ) إلى أكاسيد، لكن احتراق الأمونيا ينتج أكسيد النيتريك ، الذي يتفاعل بدوره مع الأكسجين:

4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O
2 NO + O 2 → 2 NO 2

تُستخدم هذه التفاعلات في إنتاج حمض النيتريك ، وهو مادة كيميائية أساسية. [ 7 ]

إن المادة الكيميائية التي يتم إنتاجها على نطاق صناعي واسع هي حمض الكبريتيك . ويتم إنتاجه عن طريق أكسدة الكبريت إلى ثاني أكسيد الكبريت ، والذي يتأكسد بدوره إلى ثالث أكسيد الكبريت : [ 8 ]

S + O 2 → SO 2
2 SO 2 + O 2 → 2 SO 3

وأخيرًا، يتم تحويل ثلاثي الأكسيد إلى حمض الكبريتيك عن طريق تفاعل الإماهة :

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4

بناء

تتنوع هياكل الأكاسيد، من الجزيئات المفردة إلى الهياكل البوليمرية والبلورية . في الظروف القياسية، قد تتراوح الأكاسيد بين الحالة الصلبة والغازية. وعادةً ما تتخذ أكاسيد المعادن الصلبة هياكل بوليمرية في الظروف المحيطة . [ 9 ]

أكاسيد جزيئية

على الرغم من أن معظم أكاسيد المعادن مواد صلبة بلورية، فإن العديد من أكاسيد اللافلزات جزيئات. ومن أمثلة الأكاسيد الجزيئية ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون . جميع أكاسيد النيتروجين البسيطة جزيئية، مثل NO و N₂O و NO₂ و N₂O₄ . يُعد خماسي أكسيد الفوسفور أكسيدًا جزيئيًا أكثر تعقيدًا ، واسمه مُضلل، فصيغته الحقيقية هي P₄O₁₀ . أما رباعيات الأكاسيد فنادرة ، ومن الأمثلة الشائعة عليها رباعي أكسيد الروثينيوم ، ورباعي أكسيد الأوزميوم ، ورباعي أكسيد الزينون . [ ٢ ]

ردود الفعل

تخفيض

يُستخدم اختزال أكسيد المعدن إلى المعدن على نطاق واسع في إنتاج بعض المعادن. تتحول العديد من أكاسيد المعادن إلى معادن بمجرد التسخين ( التحلل الحراري ). على سبيل المثال، يتحلل أكسيد الفضة  عند 200 درجة مئوية: [ 10 ]

2 Ag 2 O → 4 Ag + O 2

في أغلب الأحيان، تُختزل أكاسيد المعادن بواسطة كاشف كيميائي. يُعد الكربون، على شكل فحم الكوك ، عامل اختزال شائعًا ورخيصًا . وأبرز مثال على ذلك هو صهر خام الحديد . تتضمن العملية العديد من التفاعلات، ولكن المعادلة المبسطة تُعرض عادةً على النحو التالي: [ 2 ]

2 Fe 2 O 3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO 2

تذوب بعض أكاسيد المعادن في وجود عوامل مختزلة، والتي قد تشمل مركبات عضوية. ويُعدّ الذوبان الاختزالي لأكاسيد الحديد جزءًا لا يتجزأ من الظواهر الجيوكيميائية مثل دورة الحديد . [ 11 ]

التحلل المائي والذوبان

نظراً لأن روابط M–O قوية عادةً، فإن أكاسيد المعادن تميل إلى أن تكون غير قابلة للذوبان في المذيبات، على الرغم من أنها قد تتفاعل مع الأحماض والقواعد المائية. [ 2 ]

يؤدي ذوبان الأكاسيد غالبًا إلى تكوين أنيونات الأكسجين . إضافة قاعدة مائية إلى P₄O₁₀ ينتج عنها فوسفات متنوعة . إضافة قاعدة مائية إلى MoO₃ ينتج عنها متعددات الأكسوميتالات . وبالمثل، تنشأ مركبات بيروكسيد المعادن ، مثل [ K₄Ti (O₂ ) ₄ ] ، من تفاعل أكاسيد المعادن مع محلول قلوي من بيروكسيد الهيدروجين . [ 12 ]

تُعدّ الأكسيكاتيونات نادرة نسبيًا، ومن أمثلتها النيتروزونيوم ( NO⁺ ). بعض الأكسيكاتيونات، مثل الفاناديل ، تُكتب أحيانًا بصيغة مختصرة مثل VO²⁺ . في الواقع، VO²⁺ هو مُركّب مائي [ VO (H₂O ) ₅ ] ²⁺ . وبالمثل، يُشير اليورانيل ( UO²⁺ ) إلى الكاتيونات المُمَيَّأة. ومن الأكسي هاليدات ، مثل أوكسي ثلاثي كلوريد الفاناديوم ( VOCl₃ )، وهي مُرتبطة بالأكسيكاتيونات . [ 2 ]

التسمية والصيغ

يمكن التنبؤ بالصيغ الكيميائية لأكاسيد العناصر الكيميائية في أعلى حالات تأكسدها ، وهي مشتقة من عدد إلكترونات التكافؤ لهذا العنصر. حتى الصيغة الكيميائية للأكسجين الرباعي ( O₄ ) يمكن التنبؤ بها كعنصر من المجموعة 16. ويُستثنى من ذلك النحاس ، حيث أن أعلى حالة تأكسد له هي أكسيد النحاس الثنائي (Cu₂O₇) وليس أكسيد النحاس الأحادي (Cu₁O₇) . كما يُستثنى الفلوريد ، الذي لا يوجد كما هو متوقع - على شكل F₂O₇ - بل على شكل OF₂ . [ 13 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ هاين، موريس؛ أرينا، سوزان (2006). أسس الكيمياء الجامعية (  الطبعة الثانية عشرة). وايلي. ISBN 978-0-471-74153-4.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 غرينوود، ن.ن.؛ وإيرنشو، أ. (1997). كيمياء العناصر (الطبعة الثانية)، أكسفورد: باتروورث-هاينمان. ISBN 0-7506-3365-4.
  3. ↑ سي إن آر راو، بي. رافو (1995). أكاسيد المعادن الانتقالية . نيويورك: في سي إتش. رقم ISBN 1-56081-647-3.
  4. ↑ روسكي، هربرت و.؛ هايدوك، أيونيل؛ هوسمان، نارايان س. (2003). "أكاسيد عضوية فلزية لعناصر المجموعة الرئيسية والعناصر الانتقالية: تصغير حجم المواد الصلبة غير العضوية إلى أجزاء جزيئية صغيرة". مجلة الكيمياء. 103 ( 7): 2579-2596 . doi : 10.1021/cr020376q . PMID 12848580 . 
  5. ↑ غراف، غونتر ج. (2000). "الزنك". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . doi : 10.1002/14356007.a28_509 . ISBN 3-527-30673-0.
  6. ↑ روجر ف. سيبينيك وآخرون (2005). "الموليبدينوم ومركبات الموليبدينوم". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-في سي إتش. doi : 10.1002/14356007.a16_655 . ISBN  978-3527306732.
  7. ^ ثيمان ، مايكل. شيبلر، إريك. ويغاند، كارل فيلهلم (2000). "حمض النيتريك وحمض النيتروز وأكاسيد النيتروجين". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-VCH. دوى : 10.1002/14356007.a17_293 . رقم ISBN 978-3527306732.
  8. ↑ مولر، هيرمان (2000). "حمض الكبريتيك وثالث أكسيد الكبريت". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-في سي إتش. doi : 10.1002/14356007.a25_635 . ISBN 3527306730.
  9. ↑ بي. أ. كوكس (2010). أكاسيد المعادن الانتقالية: مقدمة في بنيتها الإلكترونية وخصائصها . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-958894-7.
  10. ↑ "أكسيد الفضة" .
  11. ↑ كورنيل، آر إم؛ شويرتمان، يو. (2003). أكاسيد الحديد: التركيب، والخصائص، والتفاعلات، والوجود، والاستخدامات، الطبعة الثانية . ص 323. doi : 10.1002/3527602097 . ISBN  978-3-527-30274-1.
  12. ↑ باخ، كارلي؛ جاريدو ريبو، إدوارد؛ هيرشي، جاكوب س.؛ ماو، تشيوي؛ نورد، ماكنزي ت.؛ زاخاروف، ليف ن.؛ جولاس، كونستانتينوس أ.؛ زويلسدورف، تيم ج.؛ نيمان، ماي (2025). "رباعي بيروكسوتيتانات لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء مباشرةً وبسعة عالية". كيمياء المواد . 37 : 48-61 . doi : 10.1021/acs.chemmater.4c01795 .
  13. ↑ شولتز، إيميريك (2005). "الاستغلال الأمثل لإمكانات الجدول الدوري من خلال التعرف على الأنماط". مجلة التعليم الكيميائي 82 (11): 1649. Bibcode : 2005JChEd..82.1649S . doi : 10.1021/ed082p1649 .