Óxido

Compuesto químico donde los átomos de oxígeno se combinan con átomos de otros elementos.

La celda unitaria del rutilo , un importante óxido de titanio. Los centros de Ti(IV) son grises; Los centros de oxígeno son rojos. Observe que el oxígeno forma tres enlaces con el titanio y el titanio forma seis enlaces con el oxígeno.

Un óxido ( / ˈ ɒ k s aɪ d / ) es un compuesto químico que contiene al menos un átomo de oxígeno y otro elemento ^[1] en su fórmula química . El "óxido" en sí es el dianión (anión que lleva una carga neta de –2) de oxígeno, un ion O ^2– con oxígeno en el estado de oxidación de –2. La mayor parte de la corteza terrestre está formada por óxidos. Incluso los materiales considerados elementos puros suelen desarrollar una capa de óxido. Por ejemplo, el papel de aluminio desarrolla una fina capa de Al 2 O 3 (llamada capa de pasivación ) que protege el papel de una mayor oxidación . ^[2]

estequiometria

Los óxidos son extraordinariamente diversos en términos de estequiometrías (la relación medible entre reactivos y ecuaciones químicas de una ecuación o reacción) y en términos de las estructuras de cada estequiometría. La mayoría de los elementos forman óxidos de más de una estequiometría. Un ejemplo bien conocido es el monóxido de carbono y el dióxido de carbono . ^[2] Esto se aplica a los óxidos binarios , es decir, compuestos que contienen solo óxido y otro elemento. Mucho más comunes que los óxidos binarios son los óxidos de estequiometrías más complejas. Esta complejidad puede surgir por la introducción de otros cationes (un ión con carga positiva, es decir, uno que sería atraído por el cátodo en la electrólisis) u otros aniones (un ión con carga negativa). El silicato de hierro , Fe ₂ SiO ₄ , el mineral fayalita , es uno de los muchos ejemplos de óxido ternario. Para muchos óxidos metálicos, también existen posibilidades de polimorfismo y no estequiometría. ^[3] Los dióxidos de titanio, de importancia comercial, se presentan, por ejemplo, en tres estructuras distintas. Muchos óxidos metálicos existen en varios estados no estequiométricos. También existen muchos óxidos moleculares con diversos ligandos. ^[4]

En aras de la simplicidad, la mayor parte de este artículo se centra en los óxidos binarios.

Formación

Los óxidos están asociados con todos los elementos excepto con unos pocos gases nobles. Las vías para la formación de esta diversa familia de compuestos son correspondientemente numerosas.

Óxidos metálicos

Muchos óxidos metálicos surgen de la descomposición de otros compuestos metálicos, por ejemplo carbonatos, hidróxidos y nitratos. En la producción de óxido de calcio, el carbonato de calcio (piedra caliza) se descompone al calentarse y libera dióxido de carbono: ^[2]

${\displaystyle {\ce {CaCO3 -> CaO + CO2}}}$

La reacción de los elementos con el oxígeno del aire es un paso clave en la corrosión , especialmente relevante para el uso comercial del hierro. Casi todos los elementos forman óxidos al calentarse en una atmósfera de oxígeno. Por ejemplo, el polvo de zinc se quemará en el aire para producir óxido de zinc: ^[5]

${\displaystyle {\ce {2 Zn + O2 -> 2 ZnO}}}$

La producción de metales a partir de minerales a menudo implica la producción de óxidos tostando (calentando) minerales de sulfuro metálico en el aire. De esta manera, MoS ₂ ( molibdenita ) se convierte en trióxido de molibdeno , el precursor de prácticamente todos los compuestos de molibdeno: ^[6]

${\displaystyle {\ce {2 MoS2 + 7 O2 -> 2MoO3 + 4 SO2}}}$

Los metales nobles (como el oro y el platino ) son apreciados porque resisten la combinación química directa con el oxígeno. ^[2]

${\displaystyle {\ce {NiS + 3/2 O2 -> NiO + SO2}}}$

Óxidos no metálicos

Los óxidos no metálicos importantes y predominantes son el dióxido de carbono y el monóxido de carbono . Estas especies se forman tras la oxidación total o parcial del carbono o los hidrocarburos. En caso de deficiencia de oxígeno se produce monóxido: ^[2]

${\displaystyle {\ce {CH4 + 3/2 O2 -> CO + 2 H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {C + 1/2 O2 -> CO}}}$

Con exceso de oxígeno, el producto es el dióxido, la ruta transcurre por intermediación del monóxido de carbono:

${\displaystyle {\ce {CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {C + O2 -> CO2}}}$

El nitrógeno elemental ( N ₂ ) es difícil de convertir en óxidos, pero la combustión del amoníaco produce óxido nítrico, que reacciona aún más con el oxígeno:

${\displaystyle {\ce {4 NH3 + 5 O2 -> 4 NO + 6 H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {NO + 1/2 O2 -> NO2}}}$

Estas reacciones se practican en la producción de ácido nítrico , un producto químico básico. ^[7]

La sustancia química producida a mayor escala industrialmente es el ácido sulfúrico . Se produce por la oxidación del azufre a dióxido de azufre , que se oxida por separado a trióxido de azufre : ^[8]

${\displaystyle {\ce {S + O2 -> SO2}}}$

${\displaystyle {\ce {SO2 + 1/2 O2 -> SO3}}}$

Finalmente el trióxido se convierte en ácido sulfúrico mediante una reacción de hidratación :

${\displaystyle {\ce {SO3 + H2O -> H2SO4}}}$

Estructura

Los óxidos tienen una variedad de estructuras, desde moléculas individuales hasta estructuras poliméricas y cristalinas . En condiciones estándar, los óxidos pueden variar desde sólidos hasta gases. Los óxidos sólidos de metales suelen tener estructuras poliméricas en condiciones ambientales. ^[9]

Óxidos moleculares

• Algunos óxidos gaseosos importantes
• 
  El dióxido de carbono es el principal producto de la quema de combustibles fósiles.
• 
  El monóxido de carbono es el producto de la combustión incompleta de combustibles a base de carbono y un precursor de muchas sustancias químicas útiles.
• 
  El dióxido de nitrógeno es un contaminante problemático de los motores de combustión interna.
• 
  El dióxido de azufre , el principal óxido de azufre , es emitido por los volcanes.
• 
  El óxido nitroso ("gas de la risa") es un potente gas de efecto invernadero producido por las bacterias del suelo.

Aunque la mayoría de los óxidos metálicos son sólidos cristalinos, algunos óxidos son moléculas. Ejemplos de óxidos moleculares son el dióxido de carbono y el monóxido de carbono . Todos los óxidos simples de nitrógeno son _moleculares , por ejemplo, NO, _N2O , _NO2 y _N2O4 . El pentóxido de fósforo es un óxido molecular más complejo con un nombre engañoso, siendo la fórmula real P ₄ O ₁₀ . Los tetróxidos son raros, siendo algunos ejemplos más comunes el tetróxido de iridio , ^[10] el tetróxido de rutenio , el tetróxido de osmio y el tetróxido de xenón . ^[2]

Reacciones

Reducción

La reducción de óxido metálico a metal se practica a gran escala en la producción de algunos metales. Muchos óxidos metálicos se convierten en metales simplemente calentándolos (ver Descomposición térmica ). Por ejemplo, el óxido de plata se descompone a 200 °C: ^[11]

${\displaystyle {\ce {2 Ag2O -> 4 Ag + O2}}}$

Sin embargo, lo más frecuente es que los óxidos metálicos se reduzcan mediante un reactivo químico. Un agente reductor común y económico es el carbono en forma de coque . El ejemplo más destacado es el de la fundición de mineral de hierro . Están involucradas muchas reacciones, pero la ecuación simplificada generalmente se muestra como: ^[2]

${\displaystyle {\ce {2 Fe2O3 + 3 C -> 4 Fe + 3 CO2}}}$

Algunos óxidos metálicos se disuelven en presencia de agentes reductores, que pueden incluir compuestos orgánicos. La disolución reductora de los óxidos férricos es parte integral de fenómenos geoquímicos como el ciclo del hierro . ^[12]

Hidrólisis y disolución.

Debido a que los enlaces MO suelen ser fuertes, los óxidos metálicos tienden a ser insolubles en solventes, aunque pueden ser atacados por ácidos y bases acuosos. ^[2]

La disolución de óxidos a menudo da oxianiones . Al agregar una base acuosa al P ₄ O ₁₀ se obtienen varios fosfatos . La adición de una base acuosa al MoO ₃ da polioxometalatos . Las oxicaciones son más raras, algunos ejemplos son nitrosonio ( NO ⁺ ), vanadilo ( VO ²⁺ ) y uranilo ( UO2+2). Por supuesto, se conocen muchos compuestos tanto con óxidos como con otros grupos. En química orgánica , estos incluyen cetonas y muchos compuestos carbonílicos relacionados . Para los metales de transición se conocen muchos oxocomplejos , así como oxihaluros . ^[2]

Nomenclatura y fórmulas

Las fórmulas químicas de los óxidos de los elementos químicos en su estado de oxidación más alto son predecibles y se derivan del número de electrones de valencia de ese elemento. Incluso la fórmula química del O ₄ , tetraoxígeno , es predecible como elemento del grupo 16 . Una excepción es el cobre , cuyo óxido en mayor estado de oxidación es el óxido de cobre (II) y no el óxido de cobre (I) . Otra excepción es el fluoruro , que no existe como cabría esperar (como F ₂ O ₇ ) sino como OF 2 . ^[13]

Ver también

• Otros iones de oxígeno ozonuro , O−3, superóxido , O−2, peróxido , O2-2y dioxigenilo , O+2.
• subóxido
• oxohaluro
• oxianión
• Óxido complejo
• Consulte Categoría: Óxidos para obtener una lista de óxidos.
• Sal
• electrones mojados

Referencias

1. Hein, Morris; Arena, Susan (2006). Fundamentos de la química universitaria (12ª ed.). Wiley. ISBN 978-0-471-74153-4.
2. Greenwood, NN; y Earnshaw, A. (1997). Química de los elementos (2ª ed.), Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4 . 
3. CNR Rao, B. Raveau (1995). Óxidos de metales de transición . Nueva York: VCH. ISBN 1-56081-647-3.
4. Roesky, Herbert W.; Haiduc, Ionel; Hosmane, Narayan S. (2003). "Óxidos organometálicos del grupo principal y elementos de transición que reducen el tamaño de sólidos inorgánicos a pequeños fragmentos moleculares". Química. Rdo . 103 (7): 2579–2596. doi :10.1021/cr020376q. PMID  12848580.
5. Graf, Günter G. (2000). "Zinc". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . doi :10.1002/14356007.a28_509. ISBN 3-527-30673-0.
6. Roger F. Sebenik; et al. (2005). "Molibdeno y compuestos de molibdeno". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a16_655. ISBN 978-3527306732.
7. Thiemann, Michael; Scheibler, Erich; Wiegand, Karl Wilhelm. "Ácido nítrico, ácido nitroso y óxidos de nitrógeno". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a17_293. ISBN 978-3527306732.
8. Müller, Hermann (2000). "Ácido sulfúrico y trióxido de azufre". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a25_635. ISBN 978-3527306732.
9. PA Cox (2010). Óxidos de metales de transición. Una introducción a su estructura y propiedades electrónicas . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-958894-7.
10. Gong, Yu; Zhou, Mingfei; Kaupp, Martín; Riedel, Sebastián (2009). "Formación y caracterización de la molécula de tetróxido de iridio con iridio en estado de oxidación +VIII". Edición internacional Angewandte Chemie . 48 (42): 7879–7883. doi :10.1002/anie.200902733. PMID  19593837.
11. "Óxido de plata".
12. Cornell, RM; Schwertmann, U. (2003). Los óxidos de hierro: estructura, propiedades, reacciones, apariciones y usos, segunda edición . pag. 323.doi : 10.1002 /3527602097. ISBN 978-3-527-30274-1.
13. Schultz, Emeric (2005). "Explotar plenamente el potencial de la tabla periódica mediante el reconocimiento de patrones". J. química. Educar . 82 (11): 1649. Código bibliográfico : 2005JChEd..82.1649S. doi :10.1021/ed082p1649.