Oxit kim loại là gì? Tính chất, phân loại và phản ứng khử Oxit kim loại

Oxit kim loại là gì là một nội dung cơ bản trong hóa học vô cơ. Oxit kim loại là hợp chất gồm oxygen liên kết với một nguyên tố kim loại. Tùy kim loại và số oxi hóa, oxide tạo thành có thể mang tính bazơ, lưỡng tính hay thậm chí có tính acid.

Bên cạnh cách phân loại, các phản ứng khử oxide kim loại bằng hydrogen hoặc ammonia cũng thường xuất hiện trong bài tập hóa học. Những câu hỏi như H2 khử được oxit kim loại nào, NH3 khử được một số oxit kim loại hay cách làm sạch lớp oxit trên bề mặt kim loại đều liên quan trực tiếp đến tính chất hóa học của nhóm hợp chất này.

Oxit kim loại là gì?

Oxit kim loại hay metal oxide là hợp chất gồm hai nguyên tố trong đó một nguyên tố là oxygen và nguyên tố còn lại là kim loại.

Ví dụ

• Na2O sodium oxide.
• MgO magnesium oxide.
• CaO calcium oxide.
• Fe2O3 iron(III) oxide.
• CuO copper(II) oxide.
• Al2O3 aluminium oxide.
• ZnO zinc oxide.

Trong các oxide thông thường, oxygen thường có số oxi hóa -2.

Kim loại có thể tồn tại ở một hoặc nhiều số oxi hóa vì vậy một kim loại có thể tạo nhiều oxide.

Ví dụ sắt có

FeO iron(II) oxide

và

Fe2O3 iron(III) oxide.

Oxide kim loại là Oxide Acid đúng không?

Nhận định oxide kim loại là oxide acid không đúng nếu áp dụng cho tất cả oxide kim loại.

Phần lớn oxide của kim loại có tính bazơ hoặc lưỡng tính.

Ví dụ oxide bazơ

• Na2O.
• K2O.
• CaO.
• MgO.
• CuO.
• FeO.

Các oxide này có thể phản ứng với acid.

Ví dụ

CuO + 2HCl → CuCl2 + H2O

Tuy nhiên, một số oxide kim loại có tính lưỡng tính như

• Al2O3.
• ZnO.
• Cr2O3.

Chúng phản ứng được với cả acid và base.

Đặc biệt một số kim loại ở số oxi hóa rất cao có thể tạo oxide acid.

Ví dụ

CrO3 là chromium(VI) oxide có tính acid.

Mn2O7 cũng có tính acid mạnh.

Do đó, cách nói chính xác là

Không phải mọi oxide kim loại đều là oxide acid. Phần lớn oxide kim loại có tính bazơ hoặc lưỡng tính nhưng một số oxide của kim loại ở số oxi hóa cao có thể có tính acid.

Tính chất hóa học của Oxit kim loại

Tính chất của oxide kim loại phụ thuộc vào loại oxide.

Oxit kim loại tác dụng với Acid

Các oxide bazơ phản ứng với acid tạo muối và nước.

Ví dụ

MgO + 2HCl → MgCl2 + H2O

Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O

Đây là một trong những tính chất cơ bản nhất của oxide kim loại có tính bazơ.

Một số Oxit kim loại tác dụng với nước

Oxide của kim loại hoạt động mạnh có thể phản ứng với nước tạo hydroxide.

Ví dụ

Na2O + H2O → 2NaOH

K2O + H2O → 2KOH

CaO + H2O → Ca(OH)2

Tuy nhiên nhiều oxide như CuO và Fe2O3 không phản ứng với nước trong điều kiện thông thường.

Kim loại kiềm tạo thành các Oxit bền với nhiệt?

Các kim loại kiềm có khả năng phản ứng mạnh với oxygen nhưng loại hợp chất tạo thành phụ thuộc đáng kể vào từng kim loại và điều kiện phản ứng.

Lithium thường tạo lithium oxide

4Li + O2 → 2Li2O

Sodium dễ tạo sodium peroxide

2Na + O2 → Na2O2

Potassium, rubidium và cesium có xu hướng tạo superoxide chẳng hạn

K + O2 → KO2

Vì vậy, khi học về nhận định kim loại kiềm tạo thành các oxit bền với nhiệt cần chú ý rằng sản phẩm phản ứng với oxygen không chỉ gồm oxide thông thường M2O mà còn có peroxide và superoxide.

Nhiều oxide ion của kim loại kiềm có độ bền nhiệt tương đối cao so với hydroxide hoặc carbonate của một số kim loại khác nhưng tính ổn định cụ thể vẫn phụ thuộc vào từng hợp chất.

Lớp Oxit trên bề mặt kim loại hình thành như thế nào?

Kim loại tiếp xúc với oxygen, nước và các chất trong môi trường có thể tạo lớp oxide trên bề mặt.

Ví dụ aluminium phản ứng với oxygen

4Al + 3O2 → 2Al2O3

Lớp Al2O3 tương đối đặc cả bám chắc giúp bảo vệ phần aluminium phía dưới khỏi tiếp tục bị oxy hóa nhanh.

Sắt thì khác. Các sản phẩm gỉ sắt có cấu trúc phức tạp mà thường không tạo lớp bảo vệ kín hoàn toàn.

Vì thế quá trình ăn mòn có thể tiếp tục.

Để làm sạch lớp Oxit trên bề mặt kim loại bằng cách nào?

Để làm sạch lớp oxit trên bề mặt kim loại có thể sử dụng nhiều phương pháp tùy kim loại và mục đích xử lý.

Phương pháp cơ học

Có thể sử dụng

• Chà nhám.
• Đánh bóng.
• Bàn chải thép.
• Phun hạt.
• Mài.

Phương pháp này loại bỏ lớp oxide bằng tác động vật lý.

Phương pháp hóa học

Một số lớp oxide kim loại có thể được loại bỏ bằng dung dịch acid thích hợp.

Ví dụ oxide sắt có thể phản ứng với hydrochloric acid

Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O

Quá trình sử dụng acid loại bỏ oxide trên bề mặt kim loại thường được gọi là tẩy acid trong các quy trình công nghiệp.

Tuy nhiên acid cũng có thể phản ứng với chính kim loại nền nên cần kiểm soát nồng độ và thời gian xử lý.

Làm sạch trước khi hàn

Trong hàn hoặc gia công kim loại, lớp oxide thường được loại bỏ nhằm tăng khả năng tiếp xúc giữa các bề mặt cả cải thiện chất lượng mối nối.

Tùy kim loại mà có thể dùng phương pháp cơ học, hóa học hoặc chất trợ dung phù hợp.

H2 khử được Oxit kim loại nào?

Câu hỏi H2 khử được oxit kim loại nào thường xuất hiện trong hóa học phổ thông.

Hydrogen có thể khử oxide của một số kim loại có mức độ hoạt động không quá mạnh khi được nung nóng.

Ví dụ

Khử Copper(II) Oxide

CuO + H2 → Cu + H2O

Khi nung CuO trong dòng khí hydrogen, CuO màu đen có thể chuyển thành copper kim loại.

Khử Iron Oxide

Trong điều kiện nhiệt độ phù hợp, hydrogen có thể khử oxide sắt qua nhiều giai đoạn.

Một phương trình tổng quát thường được biểu diễn

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

Khử Tungsten Oxide

Hydrogen được sử dụng trong công nghiệp để khử một số oxide kim loại như tungsten oxide

WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Đây là ứng dụng quan trọng trong sản xuất bột tungsten.

H2 không khử được những Oxit nào?

Hydrogen không dễ dàng khử các oxide rất bền của những kim loại hoạt động mạnh.

Ví dụ

• K2O.
• Na2O.
• CaO.
• MgO.
• Al2O3.

Các kim loại như potassium, sodium, calcium, magnesium và aluminium có ái lực với oxygen rất mạnh nên oxide của chúng có độ bền nhiệt động cao.

Muốn sản xuất những kim loại này thường phải sử dụng các phương pháp khác chẳng hạn điện phân nóng chảy.

Do đó, không thể áp dụng quy tắc H2 khử được mọi oxide kim loại.

NH3 khử được một số Oxit kim loại

Nhận định NH3 khử được một số oxit kim loại là đúng trong những điều kiện thích hợp.

Ammonia không chỉ thể hiện tính bazơ mà còn có thể đóng vai trò chất khử khi được nung nóng với một số oxide kim loại.

Một ví dụ quen thuộc là CuO.

Phản ứng có thể biểu diễn

3CuO + 2NH3 → 3Cu + N2 + 3H2O

Trong phản ứng

• Cu²⁺ trong CuO bị khử thành Cu.
• Nitrogen trong NH3 bị oxi hóa từ -3 lên 0 trong N2.

Do đó NH3 đóng vai trò chất khử.

Vì sao NH3 có tính khử?

Trong NH3 nitrogen có số oxi hóa

-3

Đây là mức oxi hóa rất thấp của nitrogen.

Vì vậy nitrogen trong NH3 có khả năng tăng số oxi hóa khi tham gia một số phản ứng khiến NH3 thể hiện tính khử.

Ví dụ khi tạo N2

N -3 → 0

NH3 đã bị oxi hóa đồng thời oxide kim loại bị khử.

Tuy nhiên NH3 không thể khử mọi oxide kim loại. Khả năng phản ứng phụ thuộc vào độ bền của oxide và điều kiện nhiệt độ.

Phân biệt Oxit kim loại bazơ, lưỡng tính và Acid

Có thể ghi nhớ nhanh

Oxide bazơ

Ví dụ

Na2O, K2O, CaO, CuO, FeO

Đặc điểm phản ứng với acid.

Oxide lưỡng tính

Ví dụ

Al2O3, ZnO, Cr2O3

Đặc điểm phản ứng với cả acid và base mạnh.

Oxide acid của kim loại

Một số oxide kim loại ở số oxi hóa cao có tính acid.

Ví dụ

CrO3, Mn2O7

Do đó không nên phân loại oxide chỉ dựa vào việc nguyên tố tạo oxide là kim loại hay phi kim.

Ứng dụng của Oxit kim loại

Oxit kim loại có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp.

Al2O3

Được sử dụng trong

• Sản xuất aluminium.
• Gốm kỹ thuật.
• Vật liệu mài.
• Vật liệu chịu nhiệt.

CaO

Được sử dụng trong

• Xây dựng.
• Xi măng.
• Luyện kim.
• Xử lý môi trường.

ZnO

Được sử dụng trong

• Cao su.
• Gốm.
• Sơn.
• Một số sản phẩm chăm sóc cá nhân.

Fe2O3

Được sử dụng làm

• Nguyên liệu luyện sắt.
• Pigment.
• Vật liệu từ.
• Nguyên liệu công nghiệp.

Oxit kim loại là gì? Đây là hợp chất gồm oxygen và một nguyên tố kim loại. Phần lớn oxide kim loại có tính bazơ hoặc lưỡng tính nhưng nhận định oxide kim loại là oxide acid không hoàn toàn sai trong mọi trường hợp bởi một số oxide của kim loại ở số oxi hóa cao như CrO3 hoặc Mn2O7 có thể mang tính acid.