Metal oksitler

Yaygın bir metal oksit örneği olarak demir oksit .

Metal oksitler , bir metal ile oksijen arasındaki bileşiklerdir . Küçük elektronegatif metalden oluşan Elektronegativitätsunterschiedes ve yüksek oranda elektronegatif oksijen nedeniyle, bileşikler genellikle iyonik veya en azından güçlü polarlardır.

Metal oksit yüzeyler bilgisi korozyon koruması , kataliz , sensörler, yakıt hücreleri , seramikler ve diğerlerinde rol oynar .

Yapı: toplu özellikler

Metal oksitlerin yapısı hakkındaki bilgiler, diğer özelliklerinin anlaşılmasına yardımcı olur. Yığın yapının analizi, X-ışını yapı analizinin icadıyla mümkün hale gelmiştir. Aşağıda, ilk olarak mutlak sıfırda ideal bir yığın yapısı ele alınmaktadır ve bu daha sonra kusurlar, titreşimler ve diğer hususlarla desteklenebilmektedir.

İdeal kristal yapı

Kristali tanımlamak için Coulomb kuvvetleri kullanılabilir.
Kristalin üzerine şerit modeli ile de yazılabilir.

Metal oksitlerin özellikleri önce iyonikliklerine göre anlaşılabilir. Bunun için itici güç, oksijen 2s 2 2p 6 - konfigürasyonunun elde edilme eğilimidir (bir O 2 anyondur). Oranı iyonik bağlar , metal oksitler olarak yüksek bir seviyede değişir; geç bağları geçiş metalleri göreceli olarak kuvvetli kovalent paya sahiptir . Metal oksit bağının yüksek iyon içeriğinden dolayı, Coulomb kuvvetleri harekete geçer ve bu da stokiyometriye özel bir rol verir: Küçük alanlarda bile, yük nötrlüğü geçerli olmalıdır. Bu yük nötrlüğü hem hacimde hem de yüzeyde önemli bir rol oynar. Kristalin iyonik yapısı nedeniyle, yük mekansal olarak güçlü bir şekilde lokalize edilmiştir. Kristalin atomları (hem katyonlar hem de anyonlar) , en enerjik hal olarak belirli bir iyonik yükü tercih eder . Bu nedenle, elektron eklemek veya çıkarmak enerji gerektirir. Bu, belirli bir kristal yapı için elektron işgalinin hesaplandığı ve yalnızca bir toplam yükün hesaba katıldığı bant modelinin (metal oksitler için de kullanılabilir) tersidir . Bu hususların elektriksel iletkenlik üzerinde bir etkisi vardır: Anyonlar zaten tamamen elektronlarla dolu olduğundan, herhangi bir iletkenlikten katyonlar sorumludur. Akım geçilirse, bu, bir elektronun bir katyonun d yörüngesinden başka bir katyonun d yörüngesine kaydırılmasıyla gerçekleşir: d n d n → d n-1 d n + 1 . Bu süreç enerji yoğundur, gerekli enerji Coulomb itme veya Hubbard modeline göre belirlenebilir . Bu enerji çok büyük olursa, malzeme yarı iletken veya iletken değildir.

Metal oksitlerin belirleyici iki miktarı stokiyometrisi (atomik oran) ve koordinasyonudur (birbirini çevreleyen iyonların sayısı ve bunların dizilişi). Ortak yapılar farklı düzenlemelerde sınıflandırılabilir . Bunlar:

  • dört yüzlü
  • kare düzlemsel
  • sekiz yüzlü
  • Bozuk oktahedral
  • kübik

Bu koordinasyonlar temel yapısal tiplerde bulunabilir.

Altı katlı (oktahedral) koordinasyon en yaygın olanıdır, sodyum klorür yapısında bulunur. Sodyum klorür yapısı, diğer şeylerin yanı sıra, metal oksitlerde MO (metal: oksit oranı = 1: 1), korundumun kristal yapısında (M 2 O 3 ) ve rutilin kristal yapısında (MO 2 ) bulunabilir. Uranyum (IV) oksidin florit yapısındaki sekiz katlı koordinasyon, örneğin çinko oksitteki vurtzit kristal yapısının dört katlı koordinasyonu gibi daha yüksek bir koordinasyon olarak bulunabilir . Birkaç başka düzensiz yapı Jahn-Teller etkisiyle ilgilidir .

Kafes hatası

Olası kafes kusurlarına örnek olarak Frenkel kusuru .

Teorik bir kristal mükemmel bir şekilde düzgün ve hatasız olsa da, gerçek yapılarda durum böyle değildir: Termodinamik nedenlerden dolayı, 0 K üzerindeki bir kristalin her zaman kusurları veya kafes kusurları vardır . Kafes kusurları yüzeylerde toplu kristallerden daha yaygındır; Malzemenin katalitik ve kimyasal özellikleri üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilirler. En önemli geçiş olmayan metal oksitler yalnızca bir oksidasyon durumuna sahipken ( kalay oksit büyük bir istisnadır ), bunun tersi geçiş metalleri için geçerlidir. Bu, oksijen boşluklarının ( nokta kusurları ) oluşumunu kolaylaştırır . Kristalden bir oksijen atomu çıkarılırsa, geride kalan elektronlar metal katyonları tarafından emilebilir ve kusur stabilize edilebilir, örneğin 2 MoO 3 → O 2 + MoO 2 (molibdenumun Mo 6 + ' dan Mo 4+ ). Bu oksijen, örneğin, bir rol oynadığı bir depolama kapasitesi seryum oksit içinde üç yönlü katalitik konvertör . Oksijeni çıkardıktan sonra, malzeme kısmen azalır ve artık karışık bir valansa sahiptir. Yüzeydeki bu azalmaya devam edilirse, oksijen boşlukları yüzey neredeyse tamamen azalıncaya kadar kümeler oluşturur. Bahsedilen nokta kusuruna ek olarak, çok sayıda başka kafes kusurları vardır.

Bireysel kanıt

  1. ↑ a b c d e Victor E. Henrich, PA Cox: Metal Oksitlerin Yüzey Bilimi . Cambridge University Press, 1996 ( Google Kitap Arama'da sayfa 14-22 ).
  2. ↑ a b c D.P. Woodruff: Katı yüzeylerin kimyasal fiziği: Yüzey alaşımları ve alaşım yüzeyleri, Cilt 10 . Elsevier, 2002 ( Google Kitap Arama’da sayfa 3–6 ).