Оксиды металлов: особенности, свойства, применение

Руда — основной источник сырья в металлургии. Это естественная форма металла, только в окисленном виде. Форма эта называется оксидом и присуща многим металлам. Вот чем объясняется такое явление как коррозия. Это не что иное, как стремление металла к своему естественному состоянию.

Оксиды металлов представляют лишь часть природных соединений, к которым также относятся вода, песок, глина и углекислый газ. Да, первичной материей был именно оксид — бинарное соединение, образующееся при окислении простого вещества.

Что такое «оксиды металлов»

Если говорить просто, то оксид металла — это соединение химического элемента с кислородом. Но здесь есть нюанс, ведь кислород вхож во многие соединения. Оксиды отличаются от других соединений тем, что в них кислород соединён всего с одним элементом. Если этих элементов будет два или три, то речь пойдёт совсем о другом веществе.

Ряд оксидов настолько широк, что изучение химии без него станет практически невозможным. Банальный пример — вода, участвующая в большинстве химических реакций.

Все оксиды классифицируются по видам. Оксиды металлов представляют отдельный вид, который подчиняется общим законам. Кислород присутствует здесь априори, но второй составляющей непременно будет металл, определяющий принадлежность к конкретной группе. Иногда один химический элемент способен образовать несколько оксидов. В качестве примера можно привести медную руду Cu2O.

Какие оксиды бывают у металлов

Да, существуют разные виды оксидов, поскольку кислород способен соединяться не только с металлами. Но, в отличие от неметаллов, оксиды металлов всегда представляют собой твёрдое вещество. Соединения с одинаковыми химическими элементами могут отличаться, что объясняется переменной валентностью, которая обязательно указывается в названии химического вещества. Это можно проследить по формулам оксидов металла (в скобках указана валентность):

• Cr₂O₃ – оксид хрома (III);
• CrO₃ – оксид хрома (VI).

Определить валентность можно с помощью таблицы Менделеева.

Итак, большинство минералов представляют собой именно оксиды. Это всем известные железные руды: красный, магнитный или бурый железняк, а также алюминиевая руда боксит. Чтобы получить чистый металл, руду подвергают процессу восстановления.

Ряд оксидов широк и неоднороден. Разобраться в нём помогает классификация, образующая стройный ряд всех видов.

Классификация, получение, физические и химические свойства

Классификация принципиально базируется на химических свойствах этих веществ. Первое деление выделяет две основные группы — солеобразующие и несолеобразующие. Второй вид образует группу, в которую входят преимущественно оксиды неметаллов. Эти вещества не образуют солей и не взаимодействуют с кислотами и щелочами.

Группа солеобразующая гораздо шире, поскольку здесь уже присутствуют металлы. Эта группа также делится на отдельные виды:

• основные оксиды металла, взаимодействующие с кислотами и образующие соли;
• кислотные; взаимодействующие с основаниями и также образующие соли
• амфотерные, взаимодействующие с кислотами и щелочами.

К основным относятся оксиды металлов со степенью окисления I-II (Na₂O, CuO). К кислотным — со степенью окисления V-VII. К амфотерным — со степенью окисления III-IV. В последнем случае могут быть исключения.

Существует несколько способов получения таких соединений. В общей сложности их насчитывают около десяти. Основные из них приведены в таблице.

В соответствии с химической номенклатурой, оксиды могут менять наименования в зависимости от степени окисления или числа атомов кислорода. Так появились названия монооксид, диоксид, триоксид. Соединения с низшими степенями окисления называют закисью, а оксиды металла с высшими степенями — окисью.

Химические реакции, в которые вовлечён кислород, позволяют получать новые виды оксидов. За основу берут не только отдельные элементы или химические соединения, но и известные формы оксидов. Для изобретений используют те же методы, которые были перечислены выше.

Физические и химические свойства

Оксид металла представляет собой твёрдое кристаллическое вещество с характерным цветом: красно-коричневый (железо), чёрный (медь), белый (магний), тёмно-зелёный (хром). Все эти вещества не растворяются в воде.

Для каждого вида характерны и свои химические свойства. Так, основные оксиды металлов способны взаимодействовать с кислотами, а кислотные с основаниями. Эти характеристики важны не только при восстановлении. Многие из этих соединений способны вступать в реакцию с водой, хотя далеко не все растворяются в ней. Последняя характеристика невероятно ценна в практическом отношении. В качестве примера можно привести цинковые и титановые белила, основу которых составляют оксиды ZnO и TiO2. Или, например, оксид титана и хрома.

Если говорить об оксиде титана, то он не растворяется не только в воде, но и в кислой среде, что значительно расширяет сферу его применения. Способность не растворяться позволяет использовать эти вещества в качестве пигментов для красок разного уровня и назначения (художественные, эмалированные, для гравюры и т. д.).

Применение оксидов металла в металлургии

Получение и производство разных видов металла — основа металлургии. Поскольку большая часть природных металлов представляет собой определённую форму оксида, то восстановление и есть первая задача металлургии. Для этого используют все существующие методы восстановления. В зависимости от метода металлургия приобретает более узкое название:

• пирометаллургия, использующая высокие температуры и ряд восстановителей — кокс, водород, кремний, углерод и активные металлы;
• гидрометаллургия, где природным соединениям придают растворимую форму, восстанавливая металл из полученного раствора. Впервые об этом методе упоминал в своих трудах М. В. Ломоносов. Метод очень интересный, поскольку позволяет получить металл даже из руды с низким содержанием необходимого химического элемента;
• электрометаллургия, использующая электролиз;
• биометаллургия, использующая биохимические процессы. Метод постепенно становится очень популярным. Таким образом можно получать медь, серебро, никель, уран и целый ряд редких металлов.

В отдельный раздел можно вывести историю получения алюминия из глинозёма, который также представляет собой оксид металла. Это направление остаётся актуальным даже сегодня, хотя появилось более ста лет назад. Да, история алюминия невероятно интересна. Сегодня его получают разными методами, хотя в приоритете по-прежнему остаётся метод электролиза.