Таблица оксидов основных и кислотных оксидов и: Ничего не найдено для Wp Content Uploads 2017 06 Oxidy Pdf

Содержание

Оксиды. Классификация. Номенклатура. Свойства оксидов. Получение. Применение. Химия. 8 класс. Конспект урока


УМК «Химия. 8 класс» О. С. Габриеляна.


Тип урока: урок изучения нового материала (урок-исследование).


Цели:

  • образовательная: повторить, углубить и обобщить знания учащихся о химических свойствах, получении и применении основных и кислотных оксидов;
  • воспитательная: развивать коммуникабельность, интерес к предмету;
  • развивающая: формировать способность к самостоятельному приобретению знаний; развивать умения анализировать, синтезировать, обобщать, делать выводы, устанавливать причинно – следственные связи ( состав – строение – свойства).


Задачи: организация проблемно-поисковой деятельности. Работа в группах. Проведение самостоятельной работы по вариантам. Эксперимент. Обсуждение результатов. Формулирование выводов.


Использованные источники:

  1. Химия. 8 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений / О.С.Габриелян. – 12-е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2007. – 267, [5 с. : ил.]
  2. Химия. 8 класс. Тетрадь для лабораторных опытов и практических работ. Вертикаль О.С.Габриелян. – М. : Дрофа, 2013. – 96.
  3. Химия. 8 класс. Рабочая тетрадь к учебнику О.С. Габриеляна «Химия. 8 класс» (с тестовыми заданиями ЕГЭ). Вертикаль О.С.Габриелян, Сладков С.А. – М. : Дрофа,2013. – 208.
  4. Химия. 8–9 классы. Электронное приложение к учебникам О.С.Габриеляна. http: //www.drofa.ru


Урок-исследование


Оборудование. На демонстрационном столе: оксид бария, оксид фосфора (V), оксид меди (II), оксид железа (III), растворы гидроксида натрия, хлороводородной (соляной) кислоты, лакмуса, фенолфталеина, четыре химических стакана (50 мл), подъемный столик, черно-белый экран для демонстрационных опытов;

Ход урока

Ι.

Изучение нового материала


Организация проблемно-поисковой деятельности. Работа в группах.

Задание 1-й группе (Оксиды. Классификация. Номенклатура.)


1) Пользуясь представленной на столах коллекцией оксидов и статьёй «Физические свойства оксидов» с. 218, опишите их физические свойства, отметьте агрегатное состояние, цвет. Сделайте вывод. Попытайтесь объяснить подобное многообразие.


Предполагаемый ответ: Исследование представленных оксидов показало, что они бывают твердые – оксид меди (П) СuО, оксид кальция СаО, жидкие оксид cepы(VI) SO3 и газообразные- оксид углерода(IV) СO2. Цвет их также чрезвычайно разнообразен: СuО черного цвета, оксид кальция СаО белого цвета, оксид углерода(IV) СO2 – бесцветный. Можно предположить, что причины в различном строении этих оксидов.


2) Выберите из перечня слов ключевые слова, которые, по вашему мнению характеризуют оксиды: простые вещества, сложные вещества, летучие, не имеющие окраски, окрашенные, бинарные соединения, содержат кислород, неметаллы, металлы.


На основании ключевых слов сформулируйте определение оксидов. Запишите его. Проверьте по учебнику с. 91.


3) Классификация. Выделите признаки, на основании которых можно оксиды разделить на группы.


Предполагаемый ответ:


Ι. по принадлежности элемента, образующего оксид, к металлам и неметаллам:


а) оксиды металлов;

б) оксиды неметаллов.


ΙΙ. по способности образовывать гидроксиды определённого класса: основания (щёлочи), кислоты:


а) основные оксиды;

б) кислотные оксиды.


ΙΙΙ. по химическим свойствам:


а) несолеобразующие

б) солеобразующие.


4) Номенклатура. Работа с книгой. С помощью инструкции учебника с.89-90 назовите предложенные оксиды. Сформулируйте правило названия оксидов.

Задание 2-й группе


1) свойства кислотных оксидов.


Осуществите превращения:


Углерод (C) → оксид углерода (CO2) → угольная кислота (H2CO3) → карбонат кальция (CaCO3) → силикат кальция (CaSiO3).


Сделайте вывод о химических свойствах кислотных оксидов. Проверьте своё заключение, сверив его с данными учебника с. 220.


2) свойства основных оксидов.


Осуществите превращения:





Cu → CuO →


 CuSO4


 


 ↓


 Li2O → LiOH →


 Cu(OH)2


Сделайте вывод о химических свойствах основных оксидов. Проверьте своё заключение, сверив его с с данными учебника с. 219.

Задание 3-й группе.


1) Получение оксидов.


а) Получите P2O5, CO2 реакцией горения.


б) Получите Al2O3, SO3, CaO разложением сложных веществ.


Сделайте вывод о способах получения оксидов.


Предполагаемый ответ: оксиды образуются:


1) при горении простых и сложных веществ;


2) при разложении сложных веществ: а) нерастворимых оснований; б) кислот; в) солей.

Задание 4-й группе


Применение.


1) Докажите или опровергните утверждение:

  • Песок не имеет применения в промышленности
  • Углекислый газ – продукт фотосинтеза
  • Из руд, состоящих из оксидов железа Fe2O3 и Fe3O4 получают чугун и сталь

ΙΙ. Закрепление знаний, умений, навыков


Проведение самостоятельной работы по вариантам:

Вариант I


1) С какими из перечисленных веществ, формулы которых приведены ниже, будет вступать в реакцию оксид кальция: НС1, NaOH, H2O, H2SO4, KС1? Составьте уравнения возможных реакций.


2) Составьте формулы оснований, соответствующих оксидам натрия, кальция, алюминия, магния.

Вариант 2


1) С какими из перечисленных веществ, формулы которых приведены ниже, будет вступать в реакцию оксид серы (VI): НС1, NaOH, H2O, Ca(OH)2, KC1? Составьте уравнения возможных реакций.


2) Составьте формулы кислот, соответствующих оксидам серы (VI), фосфора (V), азота (V), углерода (IV).

Вариант 3 (экспериментальное)


Задача I. Как доказать, что оксид бария —основный оксид?


Беседа о порядке решения экспериментальной задачи. Выполнение опыта учащимся у доски, растворение оксида бария в воде и обнаружение индикатором образующейся щелочи. Другой учащийся растворяет оксид бария в хлороводородной (соляной) кислоте, предварительно «подкрашенной» лакмусом. Далее они составляют уравнения реакций.

Вариант 4 (экспериментальное)


Задача 2. Как доказать, что оксид фосфора (V) — кислотный оксид?


Обсуждение решения задачи всем классом. Опыты выполняет учитель. Учащиеся составляют уравнения реакций и отвечают на вопросы:


1) Какой кислотный оксид не взаимодействует с водой?


2) Может ли оксид фосфора (V) находиться в природных условиях?


В целях обобщения химических свойств оксидов составляется сравнительная таблица и используется Электронное приложение к учебникам О.С.Габриеляна Химия. 8-9классы.


http: //www.drofa.ru «Основные классы неорганических соединений. Оксиды» фото и видеоролики.

Домашнее задание


§ 30. Знать определение оксидов, уметь писать уравнения реакций, характеризующие свойства оксидов. Выполните упражнения 1–3 с. 221, решить задачи 4,5 с.221. Повторить §18.

2.4 Характерные химические свойства оксидов: основных, амфотерных, кислотных

Видеоурок 1: Свойства оксидов

Видеоурок 2: Химические свойства основных оксидов

Лекция: Характерные химические свойства оксидов: основных, амфотерных, кислотных

Оксиды — бинарные соединения (сложные вещества), состоящие из кислорода со степенью окисления -2 и другого элемента.  

По своим химическим способностям образовывать соли все оксиды подразделены на две группы:

  • солеобразующие,
  • несолеобразующие.

Солеообразующие в свою очередь подразделены на три группы: основные, ксилотные, амфотерные. К несолеобразующим относятся оксид углерода(II) СО, оксид азота(I) N2O, оксид азота(II) NO, оксид кремния(II) SiO.

Основные оксиды — это оксиды, проявляющие основные свойства, образованные щелочными и щелочноземельными металлами в степенях окисления +1,+2, а также переходными металлами в низших степенях окисления. 

 

Данной группе оксидов соответствуют основания: К2О – КОН; ВаО – Ва(ОН)2; La2O3 – La(OH)3

Кислотные оксиды — это оксиды, проявляющие кислотные свойства, образованные типичными неметаллами, а также некоторыми переходными металлами в степенях окисления от +4 до +7.

Данной группе оксидов соответствуют кислоты: SO3 –H2SO4; CO2 – H2CO3; SO2 – H2SO3 и т. д. 

Амфотерные оксиды — это оксиды, проявляющие основные и кислотные свойства, образованные переходными металлами в степенях окисления +3,+4. Искл.: ZnO, BeO, SnO, PbO.

Данной группе оксидов соответствуют амфотерные основания: ZnO – Zn(OH)2; Al2O3 – Al(OH)3.

Рассмотрим химические свойства оксидов:

Реагент

Основные оксиды

Амфотерные оксиды

Кислотные оксиды

Вода Реагируют. Пример:
CaO + H2O → Ca(OH)2
Не реагируют Реагируют. Пример:
SO3 + H2O → H2SO4
Кислота Реагируют. Пример:
Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl+ 3H2O
Реагируют. Пример:
ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2
Не реагируют
Основание Не реагируют Реагируют. Пример:
ZnO + 2NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4
Реагируют. Пример:
2NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O
Основный оксид Не реагируют Реагируют. Пример:
ZnO + CaO → CaZnO2  
Реагируют. Пример:
SiO2 + CaO → CaSiO3
Кислотный оксид Реагируют. Пример:
CaO + CO2 → CaCO3
Реагируют. Пример:
ZnO + SiO2 → ZnSiO3
Не реагируют
Амфотерный оксид Реагируют. Пример:
Li2O + Al2O3 → 2LiAlO
Реагируют Реагируют. Пример:
Al2O3 + 3SO3 → Al2(SO4)3

Из приведенной таблицы можно резюмировать следующее:

  • Основные оксиды наиболее активных металлов взаимодействуют с водой, образуя сильные основания – щелочи. Основные оксиды менее активных металлов, при обычных условиях с водой не реагируют. С кислотами реагируют всегда и все оксиды данной группы, образуя соли и воду. А с основаниями не реагируют.  

  • Кислотные оксиды в большинстве своем реагируют с водой. Но не все реагируют в обычных условиях. С основаниями реагирует все оксиды данной группы, образуя соли и воду. С кислотами не реагируют.   

  • Основные и кислотные оксиды способны реагировать между собой, с последующим образованием соли.

  • Амфотерные оксиды обладают основными и кислотными свойствами. Поэтому они реагируют и с кислотами, и с основаниями, образуя соли и воду. Амфотерные оксиды реагируют с кислотными и основными оксидами. Так же взаимодействуют и между собой. Чаще всего, данные химические реакции протекают при нагревании с образованием солей.

Оксиды основные — Справочник химика 21





    Оксиды основные — оксиды, которым соответствуют основания.[c.375]

    Для солеобразующих оксидов (основных, кислотных, амфотерных) фактор эквивалентности определяется числом катионов соответствующего оксиду основания или анионов соответствующей оксиду кислоты и их зарядом. [c.13]

    Другими весьма эффективными химическими методами глубокой очистки веществ являются методы избирательного окисления или восстановления по отношению к очищаемому веществу или примесям. В качестве окислителя используется кислород, галогены, в особенности хлор (метод избирательного хлорирования). При использовании кислорода обычно стремятся с его помощью химически связать и удалить примеси, находящиеся в очищаемом веществе. Но иногда лучшая очистка достигается переводом в оксид основного элемента с последующим его восстановлением. [c.12]








    Поверхность АУ геометрически и химически неоднородна. В зависимости от способа получения и обработки угля поверхность содержит различные привитые к ней атомы и группировки, например водород, различные оксиды основного и кислого характера.[c.166]

    Характер оксида Основной Амфотерный Кислотный [c.94]

    Различают основные, кислотные и амфотерные оксиды. Основные (или солеобразные) оксиды характеризуются ионной или [c.256]

    Оксиды — это бинарные соединения, молекулы которых состоят из двух элементов, один из которых кислород. Различают основные, кислотные и амфотерные оксиды. Основным оксидам соответствуют основания, кислотным — кислоты, а амфотерные проявляют двойственность. [c.134]

    Согласно первой теории малая добавка легирующего элемента должна окисляться с образованием ионов определенной степени окисления и, растворяясь в оксиде основного металла, уменьшать в нем число дефектов решетки. [c.364]

    По химическим свойствам простые вещества, как известно, также подразделяются на металлы и неметаллы. С этими двумя классами генетически связаны соответствующие ряды характеристических соединений оксидов (основных и кислотных), гидроксидов (оснований и кислот). Отличительной особенностью этих рядов является способность к взаимодействию с образованием солей, т. е. к взаимной нейтрализации в широком смысле слова. Чем ярче выражены металлические и неметаллические свойства простых веществ, тем активнее взаимодействие между ними и их характеристическими соединениями. Таким образом, в химии ярко проявляется симметричность относительно кислотно-основного взаимодействия, причем каждый из генетических типов базируется на одном из двух классов простых веществ. [c.39]

    Способы получения. Ре, Со и N1 в свободном виде — термическое восстановление их оксидов (основной способ) водородом, оксидом углерода (II), углеродом, алюминием и другими восстановителями  [c.493]

    Таким образом, амфотерным оксидам присущи свойства как основных, так и кислотных оксидов. Отметим, что у различных амфотерных оксидов двойственность свойств может быть выражена в различной степени. Например, оксид цинка одинаково легко растворяется и в кислотах, и в щелочах, т. е. у этого оксида основная и кислотная функции выражены примерно в одинаковой мере. Оксид железа (III) — РезОд — обладает преимущественно основными свойствами кислотные свойства проявляет, только взаимодействуя со щелочами при высоких температурах  [c.196]

    Понятие об оксидах (основных и кислотных). [c.222]

    Свойства основных оксидов. Основные оксиды при нагревании могут вступать в реакции с кислотными и ам-фотерными оксидами, с кислотами. Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов непосредственно реагируют с водой  [c.166]

    Оксиды лантаноидов Э.Рз характеризуются высокими энтальпиями и энергиями Гиббса образования (AG/ = —1600 кДж/моль) и тугоплавкостью (т. пл. порядка 2000°С). Оксиды—основные соединения. В воде они практически не растворяются, но взаимодействуют с ней, образуя гидроксиды и выделяя тепло. Оксиды Э2О3 хорошо растворяются в НС и HNO3, но, будучи прокалены, как и А1Рз, теряют химическую активность. Со щелочами не взаимодействуют. Окраска оксидов определяется электронной конфигурацией иона (см. выше). [c.645]

    Оснбены.чи называются оксиды, которые образуют соли при взаимодействии с кислотами или кислотными оксидами. Основным оксидам отвечают основания. Например, оксиду кальция СаО отвечает основание гидроксид кальция Са(0Н)2 оксиду кадмия dO — гидроксид кадмия d(0H)2- [c.31]

    Получение из кристаллогидратов безводных галогенидов, не содб ржащих оксидов, основных солей и окси-галогенидов, является трудоемкой операцией. Объясняется это тем, что отщепляющиеся нары воды могут взаимодействовать с уже частично обезвоженной солью, например  [c.58]

    Оксиды лантаноидов лучше всего получать термическим разложением нитратов, карбонатов, оксалатов или гидроксидов. Все оксиды обладают высокой температурой плавления и очень устойчивы по отношению к кислороду и воздуху. При высоких температурах низшие оксиды СеаОз, РггОз и ТЬгОз переходят в высшие СеОа, Pг60 J и ТЬ40,. Все они энергично соединяются с водой, образуя нерастворимые гидроксиды. Являясь оксидами основного характера, они легко растворяются не только в растворах сильных, но и слабых кислот, таких, как уксусная, муравьиная, хромовая и т. п. [c.67]

    Например, подзолистые почвы, типичные для северных районов нашей страны, образуются в условиях малого содержания органических остатков (гуминовых веществ) и большой влажности, вымывающей оксиды основного характера (КО и К2О). Частицы оксидов типа К2О3, высокодисперсные и покрытые в этих условиях защитными коллоидами — гуминовыми кислотами, также вымываются. Остающиеся коагели характеризуются высоким содержанием 8102 и малым количеством питательных веществ, необходимых для растений. [c.283]

    СцдО — оксид основного характера, но может проявлять и амфотерные свойства,- растворяясь в концентрированных растворах щелочей  [c.388]

    Например, подзолистые почвы, типичные для средних районов нашей страны, образуются в условиях малого содержания органического вещества и большой влажности, которая способствует вымыванию оксидов основного характера (МО и МаО). Частицы оксидов типа М2О3, защищенные гуминовыми кислотами, также вымываются в этих условиях. Остающиеся коагели характеризуются высоким содержанием ЗЮг и малым содержанием питательных веществ, необходимых для растений. [c.340]

    Основные оксиды. Основными называются такие оксиды, которым соответствуют основания. Например, NajO, СаО, FeO, NiO являются основными оксидами, так как им соответствуют основания NaOH, a(OH)a, Fe(0H)2, Ni(OH)a. Некоторые основные оксиды при взаимодействии с водой образуют основания. Например  [c.124]








    Помимо оксидов основного, кислотного и амфотерпого типа, можно выделить так называемые несолеобразующие оксиды, которые не образуют с водой гидратных форм и не могут быть ни основными, ни кислотными. Примером таких соединений служит N0. Обычно к несолеобразующим оксидам относят СО, хотя при высоких давлениях оксид углерода может взаимодействовать со щелочами, [c. 24]

    Химические свойства. Ае20 — оксид основного характера  [c.404]

    Этилен- и пропиленгликоли продукты находят широкое применение в качестве растворителей, антифризов и др. Мировой объем их производства превышает 15 млн. тонн в год [1]. В настоящее время гликолю получают путем некаталитической гидратации а-оксидов, которую осуществляют при 140-200°С и 20-40 ат, с использованием 8-10 кратного массового избытка воды по отношению к а-оксиду. Основными недостатками этого процесса являются низкий выход моногликоля (менее 90%), а также высокие энергозатраты при вьщелении гликолей из разбавленных (12-15%) водных растворов. Одним из основных путей повышения эффективности процесса гидратации является использование гетерогенных катализаторов [2-6]. [c.66]

    Этилен- и пропиленгликоль находят широкое применение в качестве полупродуктов для синтеза полимерных материалов и антифризов. Мировой объем их производства превышает 15 млн т в год [1]. В настояшее время в основным промышленным способом получения гликолей является гфоцесс некаталитической гидратации а-оксидов, осуществляемый при 140-200°С и 20-40 атм, с использованием 8-10 кратного массового избытка воды по отношению к а-оксиду. Основными недостатками этого процесса являются низкий выход моногликоля (менее 90%), а также высокие энергозатраты при выделении гликолей из разбавленных (12-15%-х) водных растворов. В связи с этим актуальной задачей является разработка про- [c.139]

    Пигменты, используемые для получения красок и чернил, чаще всего состоят из различных солей и оксидов. Основной карбонат свинца (свинцовые белила) Pb(OH)j РЬСОз долгое время служил практически единственным белым пигментом, однако в настоящее время почти полностью вытеснен различными нетоксичными пигментами, например диоксидом титана ТЮз- Последний не только безвреден, но, кроме того, обладает приблизительно в 5— 10 раз больщей отражающей способностью (белизной), чем свинцовые белила. Среди других белых пигментов можно указать ZnO, ZnS и литопон (смесь BaS04 и ZnS). Многие современные пигменты состоят из органических комплексов и относятся к классу красителей, и все же некоторые традиционно употребляемые краски по-прежнему изготовляют на основе простых солей и оксидов. Кирпично-красную краску получают из пигмента оксида железа существуют также желтый, коричневый и черный оксиды железа, которые используют для изготовления других красок. Ранее широко применяли краски на основе таких пигментов, как желтый dS, желтый РЬСгО , голубой Ред [Ре(С№ ]з и красный HgS, но в настоящее время больщинство их исчезло из продажи из-за высокой стоимости и других недостатков. Наиболее распространенный черный пигмент, применяемый для изготовления красок и чернил,— это элементарный углерод в виде сажи. [c.256]

    Химические свойства Ag20 — оксид основного характера [c.404]

    Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов изменяются в полном соответствии со схемой Косселя угольная Н2СО3 и кремниевые кислоты ЗЮг лНгО являются слабыми, у ОеОг пНгО кислотная диссоциация преобладает над основной, а в оксидах ЗпОг и РЬОг превалируют основные свойства, хотя оба оксида также образуют станнаты (КагЗпОз) и плюмбаты (ЫааРЬОз). В двухвалентном состоянии у оксидов основные свойства гораздо сильнее и эта тенденция от Се и РЬ еще более заметна. [c.146]

    Оксид диметиланилина может быть конечным продуктом окисления или же интермедиантом в реакции метаболизма диметиланилина. Для ряда соединений, например импрамина, никотршамида и др., образование Л -оксидов — основной путь их метаболизма. [c.515]


Оксиды кислотные — Справочник химика 21





    Оксиды кислотные — оксиды, которым соответствуют кислоты. [c.375]

    Оксиды кислотные, основные и амфотерные 65. [c.187]

    Периодичность изменения химических свойств элементов на примере их бинарных соединений с водородо.м и оксидов. Кислотные, основные и амфотерные свойства. [c.302]

    Основной оксид Кислотный оксид [c.70]

    Оксиды. Группы оксидов кислотные и основные. Номенклатура и химические свойства.[c.91]

    Амфотерный оксид + Кислотный оксид = Соль Например  [c.251]








    Оксиды — соединения элементов с кислородом. Они подразделяются на солеобразующие и несолеобразующие. В свою очередь, солеобразующие оксиды подразделяются на оснбвные, кислотные и амфотерные. Оснбвные оксиды образуют соли при взаимодействии с кислотами или кисл/отными оксидами. Кислотные оксиды образуют соли при взаимодействии с основаниями или основными оксидами. [c.26]

    Кислотные оксиды Кислотный, Амфотерный Основной (ангидриды кислот) отчасти амфо- оксид оксид [c.456]

    Основный оксид + Кислотный оксид = Соль [c.249]

    Известно, что в каждой паре кислотный оксид/кислотный гидроксид степень окисления кислотообразующего элемента одна и та же. Составьте соответствующие пары из следующих наборов оксидов и гидроксидов  [c.9]

    Основный оксид Амфотерный оксид Кислотный оксид [c.319]

    Оксиды азота 1) и (II) — ЫгО и N0 — являются нейтральными, у других оксидов кислотные свойства усиливаются с возрастанием степени окисления  [c.471]

    Комм. К какому типу оксидов (кислотным, основным или амфотерным) относится оксид ванадия(У) Дайте характеристику его окислительно-восстановительных свойств. При ответе используйте результаты опыта Пз и справочные данные. [c.242]

    Деление оксидов на оснбвные и кислотные базируется на их собственном отношении к кислотам и щелочам, а также на свойствах соответствующих им гидроксидов. Большая группа оксидов по этим признакам относится к амфотер-ным. Элементы, образующие амфотерные оксиды, характеризуются средними значениями ОЭО в пределах 1,4 — 1,8 и степенями окисления (+2) — (+4). Если при степени окисления +2, +3 электроотрицательность менее 1,4, то оксиды (й отвечающие им гидроксиды) обладают оснбвными свойствами. Так, ОЭО [Са(+2)] составляет 1,0, ОЭО лантаноидов [Ьп (+3)] равна 1,2 — 1,3. Если при степени окисления +4 электроотрицательность элемента больше 1,8, оксид обладает кислотными свойствами. Например, ОЭО С(+4), 81(+4), Се(+4) равны соответственно 2,6, 1,9 и 2,0. Если электроотрицательность элемента находится в пределах 1,4 — 1,8 или даже несколько превышает этот интервал, а степень окисления + 1, оксид принадлежит к оснбвным (у Ag ОЭО 1,9). Когда же степени окисления элементов превышают +4 и значения ОЭО высоки, соответствующие оксиды кислотные. [c.267]

    Среди катализаторов имеются металлы, оксиды, кислотные катализаторы, в том числе цеолиты, больше всего Ре-содержащих систем. Предполагают, что кислород в железооксидных системах имеет особые свойства, облегчающие отщепление атомов водорода и образование радикалов СН3. [c.602]

    Свойства стекла зависят от природы и количественного соотношения оксидов. Кислотные оксиды придают стеклу высокую механическую, термическую и химическую стойкость. Оксиды щелочных металлов снижают вязкость расплавленного стекла, механическую и химическую стойкость, твердость наоборот, оксиды щелочноземельных металлов повышают вязкость и химическую стойкость. Наиболее широко применяют стекла, в состав которых входят только оксиды натрия, кальция, магния и кремния. Введение оксида калия вместо оксида натрия, а также оксида свинца вместо оксидов кальция и магния придает стеклу блеск и большую прозрачность, увеличивает коэффициент преломления (хрусталь и оптические стекла). В стекле для химической посуды снижают содержание оксидов щелочных металлов и заменяют частично оксид кремния на оксид бора и оксид алюминия, что повышает химическую и термическую стойкость. [c.108]

    Оксиды — соединения элементов с кислородом. Они подразделяются на солеобразующие и несолеобразующие. В свою очередь, солеобразующие оксиды подразделяются на основные, кислотные и амфотерные. Основные оксиды образуют соли при взаимодействии с кислотами или кислотными оксидами. Кислотные оксиды образуют соль при взаимодействии с основаниями или основными оксидами. Амфотерные оксиды образуют соли при взаимодействии как с кислотами или кислотными оксидами, так и с основаниями или основными оксидами. [c.23]

    Большинство оксидов являются основными, так как их гидроксиды ведут себя как основания. Однако некоторые оксиды (кислотные) образуют соли только в реакциях со щелочами или [c.54]

    Как видно из табл. 25, низшие оксиды марганца тугоплавки и нелетучи, тогда как его высшие оксиды, наоборот, легкоплавки и летучи. Это указывает на ионный характер низших и ковалентный характер высших оксидов марганца. Наиболее устойчивым из оксидов марганца является диоксид. Низшие оксиды марганца обладают восстановительными, а высшие — окислительными свойствами, В соответствии с этим низшие оксиды марганца имеют основный характер, диоксид—амфотерный, а высшие оксиды — кислотный характер. Что касается оксидов рения, то низшие из них изучены enie недостаточно в связи с их неустойчивостью высшие же оксиды рения легкоплавки и летучи, что свидетельствует об их ковалентной природе, обладают кислотным характером и окислительными свойствами, однако последние выражены у них слабее, чем у соответствуюишх оксидов марганца. [c.292]

    При разложении проб растворы гидроксидов, карбонатов щелочных металлов или аммиака применяют значительно реже, чем кислоты. Эти соединения используют для перевода в раствор анионов при этом многае неорганические катионы и органические соединения, входящие в состав образца, остаются в осадке. Гидрокснд натрия (или калия) растворяет некоторые металлы (алюминий) и оксиды кислотного характера (WOз, М0О3, [c.73]

    В подгруппу входят три элемента V, КЬ и Та. Электронная структура (п — 1) Высшая и наиболее характерная степень окисления +5, но бывают и промежуточные +2, +3, +4. Высшие оксиды кислотного типа, но по мере снижения степени окисления возрастают основные свойства УО — основный оксид, легко растворимый в кислотах, УгОз — амфотерный оксид, мало растворимый в кислотах, УгО, — также амфотерный оксид, а У2О5 — ангидрид типичной кислоты НУО3. [c.181]








    Са(0Н)2 + СОг = СаСОз + HjO Основный оксид + Кислотный оксид — Соль (4) [c.179]

    В XVUI в. были предприняты неоднократные попытки усовершенствовать химические символы. Но до начала 1780-х годов ученые не пытались найти принцип построения формул соединений, отражающих их качественный и количественный состав. И вот в 1782 г. французский химик Л. Гитон де Морво (1737—1816) создал номенклатуру на основе флогистонной теории. Но это был уже вчерашний день науки, так как в это время А. Лавуазье обосновал кислородную теорию горения. Крупнейшие ученые того времени К. Бертолле, А. де Фуркруа (1755— 1809), а затем и Гитон де Морво в 80-е годы стали соратниками Лавуазье и в 1786—1787 гг. разработали новую систему химической номенклатуры — Опыт химической номенклатуры , опубликованную в 1787 г. В этой работе авторы предлагали соединения кислорода с другими элементами называть оксидами , соли — по их кислотам (так, соли серной кислоты именовались сульфаты , азотной — нитраты ). Оксиды кислотные ( кислоты ,по определению авторов номенклатуры) назывались по радикалу с окончанием ная (по мнению Лавуазье кислоты состоят из кислорода, дающего кислотность, и радикала — серы, азота, фосфора и т. д.) серная, азотная, фосфорная. Если один и тот же радикал образует несколько кислот , то изменялось окончание у менее насыщенной кислородом — истая , у более насыщенной — ная . Например, сернистая и серная. [c.90]

    По химическим свойствам зола и шлак разделяются на кислые, основные и нейтральные в зависимости от соотношения оксидов кисльк — SiO , TiO , Р О основных СаО, MgO, FeO, К О и амфотерных. К кислым относятся зола и шлак, у которых отношение содержания кислых оксидов к суммарному содержанию основных и амфотерных оксидов (кислотность) больше единищ>1. Если отношение содержания основных оксидов к сумме кислых и амфотерных (основность) больше единищ.1, то зола и шлак называются основными, в других случаях — нейтральными. [c.124]

    В [259] показано, что введение в ПВХ оксидов металлов [10-50%(масс.)] различной природы (переходных и непереходных, кислотных и основных) значительно изменяет количество и соотношение ароматических продуктов разложения полимера, но их качественный состав остается постоянным. В присутствии оксидов кислотного характера (TIO2, М0О3, Ре20з) возрастает количество выделяющихся при пиролизе алифатических и аро- [c.150]

    Амфотерный оксид, кислотные и основные свойства равновы-раженны. Белый, имеет ионное строение (А1 +)2(0 )з. Тугоплавкий, термически устойчивый. Аморфный гигроскопичен и химически активен, кристаллический химически пассивен. Не реагирует с водой, разбавленными кислотами и щелочами. Переводится в раствор концентрированными кислотами и щелочами, реагирует со щелочами и карбонатом натрия при сплавлении. Применяется как сырье в производстве алюминия, для изготовления огнеупорных, химически стойких и абразивных материалов, особо чистый AI2O3 — для изготовления рубиновых лазеров. [c.138]

    Применение в неорганическом анализе. Оксиды кислотного характера, например WO3, МоОо, GeOj, VjOj, растворяют в растворе гидроксида натрия или калия, М0О3 и WO3 — в концентрированном растворе аммиака. Некоторые вольфраматы разлагаются концентрированным раствором гидроксида натрия, что использовано при переработке низкосортных вольфрамовых руд [4.512] и фосфата циркония [4.513.]. [c.111]

    Изменение кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов элементов 1Б-группы подчиняется общему правилу с ростом степени окисления кислотный характер возрастает, а при движении по группе сверху вниз уменьшается. Так, кислотный характер амфотерных СигО и Ag20 у первого оксида выражен очень слабо, а у второго — практически не проявляется, поэтому их часто относят к основным оксидам. Кислотный характер у СиО и Си (ОН) 2 уже вполне отчетлив, хотя и не превалирует над основным в оксиде золота (III) Аы20з и гидроксиде АиО(ОН) кислотные свойства выражены наиболее отчетливо, последнее соединение носит даже название золотой кислоты за ее способность образовывать комплексные анионы — гидроксоаураты (III) [Аи(0Н)4Г- [c.394]


«Оксиды. Классификация. Основные и кислотные оксиды. Номенклатура»

Дата

Предмет

Класс

09.02.2018

Химия

8-А

Тема урока: Оксиды. Классификация. Основные и кислотные оксиды. Номенклатура.

Тип урока: изучение нового материала

Цели: познакомить с классификацией оксидов, изучить классификацию и номенклатуру.

Задачи:

Образовательные: актуализировать и закрепить навыки составления формул оксидов и образования названий оксидов по современной номенклатуре, научить определять тип оксида. Продолжить знакомство с индикаторами, основаниями и кислотами, знакомство с некоторыми физическими свойствами оксидов.

Развивающая: Развивать речевые навыки, наблюдение и умение делать выводы

развивать умение работать коллективно

Развивать интерес к химической науке

Воспитательная: Воспитывать умение работать в атмосфере поиска, творчества, прививать чувство ответственности за выполненную работу, самостоятельность, общительность, коммуникабельность.

В результате урока учащиеся будут знать:

  1. Номенклатуру оксидов

  2. Классификацию оксидов

Уметь:

  1. Давать названия оксидам, и наоборот, по названиям составлять формулу.

  2. Отличать оксиды от других классов соединений

  3. Определять тип оксида

Приобретут навыки:

  1. С помощью индикаторов определять среду раствора.

Оборудование и материалы на столах учащихся: Вода дистиллированная, образцы оксидов: оксид кальция, оксид меди(II), оксид фосфора(V), оксид кремния (IV), растворы индикаторов: метилового оранжевого, фенолфталеина; хим. стаканы, шпатели, палочки, штатив с пробирками.

Ход урока

  1. Организация класса (1 мин.)

  2. Сообщение темы, целей и задач урока.

Учащиеся работают с приложением 1, проводят вычисления, а их основании сообщают ключевые слова темы: «Оксиды», «Классификация». Учащиеся самостоятельно формулирую цель урока.

2. Мотивация учебной деятельности. О распространении оксидов в природе, в быту, а также, знания об оксидах позволят нам в дальнейшем познакомиться с новыми классами неорганических веществ.

Что же такое оксиды? (учащиеся дают ответ, что это соединения, состоящие из двух элементов, один из которых кислород с валентностью II ). Запись в тетради определения. В каких темах встречались с этим классом? (кислород, водород, вода)

Актуализация.

Какая классификация веществ нам известна? «Вставьте пропущенное слово»

«Найди белую ворону». Указать критерий, на основании которого исключили «белую ворону»

СO2 HCl CaSO4 H2 (H2 – простое вещество)

Al S Na Fe (S – неметалл, остальные металлы, это классификация простых соединений)

H2SO4 CaO CO NO2 (H2SO4 – не оксид, так как три элемента)

Al2O3 P2O5 FeO H2O2 (H2O2 – не оксид, так как валентность кислорода I )

Изучение нового материала.

Номенклатура.

В каких случаях мы можем не указывать валентность элемента в скобках? (если у элемента постоянная валентность).

Первичное закрепление. Работа учащихся у доски. Дать название представленным оксидам.

Na2O

CO (угарный газ)

P2O5

Al2O3

По названию оксида составить формулу оксида:

Оксид меди(II)

Оксид углерода(IV) (углекислый газ)

Оксид марганца(VII)

Изучение нового материала.

Рассмотрим три формулы веществ, составленных вами. Чем они отличаются? (учащиеся говорят, что в первой и третьей формулах на первом месте стоит металл, а во второй формуле – неметалл.). Следовательно, мы можем их отнести к разным типам оксидов?

Работа со схемой. Изучение классификации.

Оксиды делятся на три группы

Работа с учебником, стр. 131 – какие группы существуют. Затем стр. 132 – определении. Учащиеся записывают определения в тетради на печатный бланк.

Работа по схеме. Исключения

Первичное закрепление. «Сортировщик»

Na2O , CO2, P2O5, Cl2O7, CrO3, Al2O3, MnO2, H2S, CaO, N2O, P2O3, BaO, HClO, Fe2O3, SiO2, CO, FeO

Некоторые элементы могут образовывать все три вида оксидов, например, оксиды хрома (CrO, Cr2O3, CrO3)

Лабораторный опыт. Инструктаж по ТБ.

1 вариант

Поместите в пробирки с водой небольшие порции (размером меньше спичечной головки) оксида фосфора(V), оксида кремния(IV). Размешайте стеклянными палочками. Что наблюдаете? Во все пробирки добавьте по 2-3 капли метилового оранжевого.

2 вариант

Поместите в пробирки с водой небольшие порции (размером меньше спичечной головки) оксида кальция(II), оксида меди(II). Размешайте стеклянными палочками. Что наблюдаете? Во все пробирки добавьте по 2-3 капли фенолфталеина.

Заполнение таблицы

1 вариант

Все ли оксиды растворимы в воде? ______________________

Тип оксидов: _____________

2 вариант

Все ли оксиды растворимы в воде? ______________________

Тип оксидов: _____________

Проведение опыта убеждает не только в разности растворимости оксидов, но и в получении в результате растворения в воде соединений разного характера – кислотных и основных. Если оксиды не растворяются в воде, то соответствующие им кислоты и основания косвенным путем , с которыми познакомимся позже.

Закрепление:

  1. Какие типы оксидов существуют?

  2. Почему кислотные и основные так назвали?

  3. Какие элементы образуют основные оксиды? Кислотные? Амфотерные?

  4. Какие оксиды относят к несолеобразующим? Почему их так назвали?

Крестики-нолики. Выигрышный путь – кислотные оксиды

Домашнее задание. Конспект, §40 (до химических свойств, стр.131-133) учить;

стр.135 №1, стр.136 тесты 1-3 письменно

стр. 135 №6 по желанию письменно

Подведение итогов урока. Поощрение активных учеников.

Рефлексия. Закончите предложение.

Сегодня я узнал…

Было интересно…

Было трудно…

У меня получилось…

Я приобрел…

Мне захотелось…

Приложения

1 вариант для соединения SO2 – сернистый газ

О

22,4

Г

0,224

К

0,25

0,56

С

11,2

И

5,6

К

1,25

0,28

Л

28,0

С

2,85

Д

2,75

0,616

Р

61,6

И

56,0

Л

5

112,0

Д

1,12

О

11,2

К

0,6

134,4

Т

1,34

С

13,44

Ы

2 вариант для соединения CO – угарный газ

КЛ

14

КИ

21

ОС

0,5

14

АС

7

НО

2,1

СЛ

1,0

35

ОТ

14

ВА

28

СИ

1,25

21

НИ

35

ФИ

28

ЫП

0,45

18,4

ТЫ

5,8

ЯК

12,6

КА

5,2

1,45

НО

145,6

ЦИ

14,56

МЕ

2,4

67,2

Я

6,72

О

672,0

Е

«Крестики-нолики»

Выигрышный путь – кислотные оксиды

CO2

Na2O

NO2

Al2O3

P2O5

CaO

NO

Fe2O3

Mn2O7

«Крестики-нолики»

Выигрышный путь – основные оксиды

«Крестики-нолики»

Выигрышный путь – основные оксиды

2O

CO2

Al2O3

CuO

CaO

CO

BaO

CrO3

______________________

__________________________________________

Тема:_________________________________________________________

_______________________________________________»

Оксиды — ____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

Номенклатура оксидов:

___

__________________________________________________________________

Основные оксиды — _________________________________________________

_______________________________________________________________

Кислотные оксиды — _______________________________________________

______________________________________________________________

Классификация оксидов

«Сортировщик»

Лабораторный опыт «Знакомство с кислотными и основными оксидами»

Цель: познакомиться с некоторыми физическими свойствами оксидов, познакомиться с разными свойствами различных типов оксидов.

1 вариант

Внимание! Помните! Перед тем, как приступить к выполнению любого лабораторного опыта, необходимо повторить правила безопасности и работы в кабинете химии, которые необходимо строго соблюдать!

С правилами безопасности ознакомлен и обязуюсь их строго выполнять.

«___»______ 201__ года _____________________

(фамилия и имя)

Опыт: Поместите в пробирки с водой небольшие порции (размером меньше спичечной головки) оксида фосфора(V), оксида кремния(IV). Размешайте стеклянными палочками. Что наблюдаете? Во все пробирки добавьте по 2-3 капли метилового оранжевого.

Задания:

  1. Заполните таблицу

    SiO2

  2. Все ли оксиды растворимы в воде?_______________________________

  3. Тип оксидов: _________________________________________________

Вывод: в результате проведённого лабораторного опыта я научился(-ась)_

__________________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________

__________________________________________

Тема: «____________________________________________________________

________________________________________________»

Оксиды — ____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

Номенклатура оксидов:

___

__________________________________________________________________

Основные оксиды — _________________________________________________

_______________________________________________________________

Кислотные оксиды — _______________________________________________

______________________________________________________________

Классификация оксидов

«Сортировщик»

Лабораторный опыт «Знакомство с кислотными и основными оксидами»

Цель: познакомиться с некоторыми физическими свойствами оксидов, познакомиться с разными свойствами различных типов оксидов.

2 вариант

Внимание! Помните! Перед тем, как приступить к выполнению любого лабораторного опыта, необходимо повторить правила безопасности и работы в кабинете химии, которые необходимо строго соблюдать!

С правилами безопасности ознакомлен и обязуюсь их строго выполнять.

«___»______ 201__ года _____________________

(фамилия и имя)

Опыт: Поместите в пробирки с водой небольшие порции (размером меньше спичечной головки) оксида кальция(II), оксида меди(II). Размешайте стеклянными палочками. Что наблюдаете? Во все пробирки добавьте по 2-3 капли фенолфталеина.

Задания:

  1. Заполните таблицу

    СuO

  2. Все ли оксиды растворимы в воде?_________________________________________

  3. Тип оксидов: ___________________________________________________________

Вывод: в результате проведённого лабораторного опыта я научился(-ась)__

__________________________________________________________________

______________________________________________________________

Химические свойства оксидов | Дистанционные уроки

17-Мар-2015 | Нет комментариев | Лолита Окольнова

Вопрос А10 ГИА (ОГЭ) по химии —

 

Хи­ми­че­ские свойства оксидов: основных, амфотерных, кислотных

 

 

Классификация оксидов:

 

 

Оксиды, образованные металлами

Оксиды, образованные неметаллами

Основные

Амфотерные

Кислотные

Несолеобразующие

Оксиды металлов щелочных и щелочно-земельных металлов

—  Na2O, CaO;
оксиды d-элементов в низших с.о. — CrO, FeO

Оксиды:  Al2O3, ZnO,

d-элементы в средней с.о. — Cr2O3, Fe2O3, MnO2

1) оксиды неметаллов в высших и средних степенях окисления

CO2, N2O3, N2O5, SO3, SO2

2) оксиды d-элементов в высшей с.о.:

CrO3, Mn2O7

оксиды неметаллов в промежуточных степенях окисления:

CO, N2O, NO,

 

Химические свойства основных оксидов:

 

Основные оксиды — это сложные химические вещества, относящиеся к окислам, которые образуют соли при химической реакции с кислотами или кислотными оксидами и не реагируют с основаниями или основными оксидами.

Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов реагируют с водой с образованием щелочей:

K2O + h3O = 2KOH

 

1.  Окисление кислородом:

 

если металл — d-элемент и «ему есть до чего окисляться»:  2FeO + O2 = Fe2O3

 

2. Взаимодействие с неметаллами:

 

2Na2O + S =  4Na + SO2

Fe2O3 + C = 2FeO + CO

 

3. Восстановление — реакции с водородом: 

 

CuO + h3 = Cu + h3O

 

4. Образование солей с кислотными оксидами:

 

CaO + CO2 = CaCO3 (соль)

 

5. Взаимодействие с кислотами:

 

BaO + 2HNO3 = Ba(NO3)2 (соль)  + h3O

 

Химические свойства амофтерных оксидов:

 

Амфотерные оксиды — это сложные химические вещества, также относящиеся к окислам, которые образуют соли
при химическом взаимодействии и с кислотами (или кислотными оксидами) и основаниями (или основными оксидами).

 

1. Взаимодействие в растворе(!) с щелочами:

 

Al2O3 + 2h3O + 2NaOH = 2Na[Al(OH)4] + 3h3

 

2. Образование солей с кислотами:

ZnO + h3SO4 = ZnSO4 + h3O

 

 

Ответ: 3)

 

Химические свойства кислотных оксидов:

 

Кислотные оксиды — это сложные химические вещества, относящиеся к окислам, которые образуют соли при химическом взаимодействии с основаниями или основными оксидами и не взаимодействуют с кислотными оксидами.

 

Реакция с водой: образование кислот:

 

N2O3 + h3O = 2HNO2

 

1. + O2

 

если элемент, образующий оксид в средней с.о.:

 

2SO2 + O2 = 2SO3

 

 2. + h3

 

восстановление до несолеобразующего оксида или простого вещества:

 

CO2 + h3 = CO + h3O

 

SO2 + h3 = S + h3O

 

3. + вещества. образованные металлами:

 

SO2 + 2Ca = 2CaO + S

 

SO2 + CaO = CaSO3 (соль)

 

SO2 + 2LiOH = Li2SO3 + h3O

 

Химические свойства несолеобразующих оксидов

 

здесь все просто — они только

 

окисляются до кислотных и восстанавливаются до простых веществ:

 

N2O + O2 = N2O3

 

CO + h3 = C + h3O

 

 

Ответ: 3)

 

Еще на эту тему:

Обсуждение: «Химические свойства оксидов»

(Правила комментирования)

Оксиды — получение и свойства

Хотелось бы дать возможно более
простое определение оксида — это
соединение элемента с кислородом. Но
существуют кислоты и соли. Рассмотрим
соединения h3O2 и BaO2. Перекись
водорода является слабой кислотой
(она диссоциирует в воде давая ионы
водорода и анионы HO2- и O2-2).
Пероксид бария — это бариевая соль
перекиси водорода. У молекул h3O2 и
BaO2 есть кислородный мостик -O-O-,
поэтому степень окисления кислорода в
этих соединениях -1. В неорганической
химии обычно пероксиды к классу
оксидов не относят и поэтому
необходимо уточнить определение
оксида таким образом, чтобы
пероксиды в этот класс не попадали.
Фтор самый активный неметалл и вслед
за ним идет кислород. Формальная
степень окисления атома кислорода в
оксиде фтора +2, а во всех других
оксидах -2. Следовательно, оксидами
называют соединения элементов с
кислородом, в которых кислород
проявляет формальную степень
окисления равную -2 (за исключением
оксида фтора, где она равна +2).

Один и тот же химический элемент
может образовывать с кислородом не
один оксид, а несколько, например, у
азота известны оксиды  N2O, NO, N2O3,
NO2, N2O4, N2O5. Во всех этих оксидах
степень окисления у кислорода -2, а у
азота, соответственно, +1, +2, +3, +4,
+4 и +5. У двух оксидов: NO2 и N2O4
степен окисления азота и кислорода
совпадают. В названии веществ
отражается история развития химии
как науки. В период накопления
экспериментальных данных в химии
названия веществ отражали либо
способ их получения (жженая
магнезия: MgCO3 ® MgO + CO2), либо
характер воздействия на человека
(N2O — веселящий газ), либо сферу
применения (пурпурно-красная краска
«сурик» — Pb3O4) и т.д. По мере того как
все большее число людей изучало
химию, по мере того как все большее
число веществ надо было
охарактеризовать и запомнить
возникла необходимость просто
словами называть формулу вещества.
Введение понятий валентность,
степень окисления и т.д. влияло на
названия веществ. Мы приведем
таблицу, в которой даны названия
оксидов азота при использовании
различных стилей и номенклатур.

Получение оксидов

При изучении данной главы особое
внимание будет уделено взаимосвязи
«родственных» веществ из разных
классов.

Как получить оксиды из простых
веществ? Их окислением:

2Mg + O2 = 2MgO,

2C + O2 = 2CO,
C + O2 = CO2.

Рассмотрим лишь принципиальную
возможность получения оксида из
простых веществ. Получение CO и CO2
будет рассмотрено в разделе «Углерод».

Можно ли получить оксиды из оксидов?
Да:

2SO2 + O2 = 2SO3,

2SO3 = 2SO2 + O2,
Fe2O3 + CO = 2FeO + CO2.

Можно ли получить оксиды из
гидроксидов ? Да:

Ca(OH)2 CaO + h3O,
h3CO3 = CO2 + h3O.

Можно ли получить оксиды из солей ?
Да:

CaCO3 CaO + CO2,
2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2.

 

Свойства оксидов

Если посмотреть внимательно реакции,
написанные выше, то те из них, в
которых оксиды встречались в левой
части уравнения, будут говорить нам о
свойствах оксидов. Эти общие для всех
оксидов свойства относятся к
окислительно-восстановительным
процессам:

2SO2 + O2 = 2SO3,
2SO3 = 2SO2 + O2,
Fe2O3 + CO = 2FeO + CO2,
Al + Fe2O3 = Al2O3 + Fe,
C + Fe2O3 = CO + 2FeO.

Но тем не менее, свойства оксидов
обычно рассматриваются с учетом их
классификации.

Свойства основных оксидов

Прежде всего надо показать, что
отвечающие им гидроксиды являются
основаниями:

CaO + h3O = Ca(OH)2,
Ca(OH)2 = Ca2+ + 2OH-,

т.е. оксиды щелочных и
щелочно-земельных металлов при
взаимодействии с водой дают
растворимые в воде основания,
которые называются щелочами.

Основные оксиды, реагируя с
кислотными или амфотерными
оксидами, дают соли:

CaO + SO3 = CaSO4,
BaO + Al2O3 = Ba(AlO2)2.

Основные оксиды, реагируя с
кислотными или амфотерными
гидроксидами, дают соли:

CaO + h3SO4 = CaSO4 + h3O,
K2O + Zn(OH)2 = K2ZnO2 + h3O.

Основные оксиды, реагируя с кислыми
солями, дают средние соли:

CaO + Ca(HCO3)2 = 2CaCO3 + h3O.

Основные оксиды, реагируя с
нормальными солями, дают основные
соли:

MgO + MgCl2 + h3O = 2Mg(OH)Cl.

Свойства кислотных оксидов

Отвечающие кислотным оксидам
гидроксиды являются кислотами:

SO3 + h3O = h3SO4,
h3SO4 = 2H+ + SO42- .

Многие кислотные оксиды, растворяясь
в воде, дают кислоты. Но есть и такие
кислотные оксиды, которые не
растворяются в воде и с ней не
взаимодействуют: SiO2.

Кислотные оксиды, реагируя с
основными или амфотерными оксидами,
дают соли:

SiO2 + CaO = CaSiO3,
3SO3 + Al2O3 = Al2(SO4)3.

Кислотные оксиды, реагируя с
основными или амфотерными
гидроксидами, дают соли:

SO3 + Ca(OH)2 = CaSO4 + h3O,
SO3 + Zn(OH)2 = ZnSO4 + h3O.

Кислотные оксиды, реагируя с
основными солями, дают средние соли.

Кислотные оксиды, реагируя с
нормальными солями, дают кислые соли:

CO2 + CaCO3 + h3O = Ca(HCO3)2.

Свойства амфотерных оксидов

Отвечающие амфотерным оксидам
гидроксиды обладают амфотерными
свойствами:

Zn(OH)2 = Zn2+ + 2OH-,
h3ZnO2 = 2H+ + ZnO22-.

Амфотерные оксиды не растворяются в
вводе.

Амфотерные оксиды, реагируя с
основными или с кислотными оксидами,
дают соли:

Al2O3 + K2O = 2KAlO2,
Al2O3 + 3SO3 = Al2(SO4)3.

Амфотерные оксиды, реагируя с
основными или кислотными
гидроксидами, дают соли:

ZnO + 2KOH = K2ZnO2 + h3O,
ZnO + h3SO4 = ZnSO4 + h3O.

Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Металлические оксиды:
  2. Полиметаллические оксиды:
    1. Неметаллические оксиды
    2. Ионные гидриды
    3. Ковалентные гидриды
    4. Участники

Слева направо на периодической таблице, кислотно-основной характер оксидов и гидроксиды переходят от основных к кислым.

  • Увеличение заряда аниона увеличивает производство базовых растворов.
  • По мере увеличения электроотрицательности производство ионных катионов увеличивается, потому что элементы лучше усваивают катион.
  • По мере увеличения энергии ионизации кислотная природа увеличивается.

Оксиды металлов:

— Ионная связь: нет распределения электронной волновой функции

— Ионные оксиды обычно являются основными (элемент действует как основание при взаимодействии с h3O)

Na2O (т.) + H3O (ж) -> 2NaOH (водн.) -> 2Na + (водн.) + 2OH- (водн.)

Б.(3+) (водн.)

— (OH -) -> [Al (OH) 4] — (водн.)

Оксиды неметаллов

— Ковалентное связывание: почти полное распределение электронной волновой функции

— Ковалентные оксиды обычно кислые (элементы действуют как кислоты при взаимодействии с h3O)

SO3 + h3O (l) -> h3SO4 (водн.) -> H + + HSO4-

А. Оксид А Гидроксид

Ионные гидриды

Типы гидридов

— Ионная связь: нет распределения электронной волновой функции

— Bronsted Basic, потому что они будут реагировать с протоном

— Lewis Basic, потому что они могут быть лигандами

Cah3 + 2h3O -> 2h3 + Ca (OH) 2

H- H + h3

-В этом случае Cah3 является основным, потому что он реагирует с водой (в данном случае с кислотой) с образованием многих гидридов за счет восстановления протона.

Ковалентные гидриды

— Ковалентное связывание: почти полное распределение электронной волновой функции

HF + h3O -> F- + h4O + …. можно также записать как HF (aq) <--> H + (aq) + F- (aq)

H + H + H +

— HF — слабая кислота, которая является кислотой Бронстеда, потому что она теряет протон. Следовательно, HF — это слабая кислота, в которой вода действует как тихая вода, а F- — слабое сопряженное основание.

Проверка pH оксидов | Эксперимент

В этом эксперименте студенты тестируют образцы различных оксидов в воде с универсальным индикаторным раствором, наблюдая, что их pH меняется.Они основывают идею о том, что растворимые оксиды металлов являются щелочными, а оксиды неметаллов — кислотными.

Сам эксперимент довольно короткий, но до и после практической работы должно быть достаточно времени для обсуждения.

Оборудование

Аппарат

  • Защита глаз
  • Пробирки, 6 шт.
  • Штатив для пробирок
  • Цветовая диаграмма pH

Химические вещества

  • Доступ к следующим решениям (см. Примечания 10 и 11 ниже):
    • Азотная (V) кислота (обозначенная как «Оксид азота и вода»), 0.2 M (РАЗДРАЖАЮЩИЙ)
    • Фосфорная (V) кислота (обозначенная как «оксид фосфора (V) и вода»), 0,2 M
    • Серная кислота (VI) (с маркировкой «Диоксид серы и вода») 0,2 M
    • Гидроксид калия (с пометкой «Оксид калия и вода»), 0,2 М (РАЗДРАЖАЮЩИЙ)
    • Гидроксид натрия (с пометкой «Оксид натрия и вода»), 0,2 М (РАЗДРАЖАЮЩИЙ)
    • Известковая вода (с маркировкой «Оксид кальция и вода»)
    • Универсальный индикаторный раствор (ВОСПЛАМЕНЯЮЩИЙСЯ), полный диапазон, во флаконе-капельнице (или флакон с пипеткой-капельницей)

Примечания по технике безопасности, охране труда и технике

  1. Прочтите наше стандартное руководство по охране труда и технике безопасности.
  2. Всегда пользуйтесь защитными очками.
  3. Азотная (V) кислота, HNO 3 (водный), (РАЗДРАЖАЮЩИЙ) — см. CLEAPSS Hazcard HC067 и CLEAPSS Recipe Book RB061.
  4. Фосфорная (V) кислота, H 3 PO 4 (водный) — см. CLEAPSS Hazcard HC072 и CLEAPSS Recipe Book RB065.
  5. Серная (VI) кислота, H 2 SO 4 (водн.) — см. CLEAPSS Hazcard HC098a и книгу рецептов CLEAPSS RB098.
  6. Раствор гидроксида калия, КОН (водный), (РАЗДРАЖАЮЩИЙ) — см. CLEAPSS Hazcard HC091b и книгу рецептов CLEAPSS RB071.
  7. Раствор гидроксида натрия, NaOH (водн.), (РАЗДРАЖАЮЩИЙ) — см. CLEAPSS Hazcard HC091a и книгу рецептов CLEAPSS RB085.
  8. Известковая вода, Ca (OH) 2 (водный), (рассматривается как РАЗДРАЖАТЕЛЬ) — см. CLEAPSS Hazcard HC018 и CLEAPSS Recipe Book RB020.
  9. Универсальный индикаторный раствор (ЛЕГКО ВОСПЛАМЕНЯЮЩИЙСЯ) — см. CLEAPSS Hazcard HC032 и CLEAPSS Recipe Book RB000.
  10. Растворы могут быть предоставлены в небольших бутылочках-капельницах с этикетками или в небольших конических колбах с капельной пипеткой.Если времени мало, растворы могут быть предоставлены в промаркированных пробирках.
  11. Концентрация растворов не является критической (подходит 0,1 или 0,2 М). Однако они должны быть менее 0,5 М. При предлагаемых концентрациях растворы фосфорной кислоты и серной кислоты представляют минимальную опасность. Однако может быть целесообразно обозначить растворы как РАЗДРАЖАЮЩИЕ.

Процедура

  1. Поместите 2 см 3 образцов каждого раствора «оксида и воды» в отдельные пробирки.
  2. К каждой пробе добавить 3 капли раствора универсального индикатора. Обратите внимание на цвет индикатора в каждом образце.
  3. Запишите результаты в подходящую таблицу, указав название оксида, цвет универсального индикатора, pH и то, является ли оксид кислотным, щелочным или нейтральным в воде.

Учебные заметки

Растворы не называются «оксидными растворами», так как оксиды не растворяются — они реагируют с водой.Подход «оксид и вода» позволяет сосредоточиться на главном пункте обучения без необходимости охватывать другой набор реакций (хотя они могут быть рассмотрены соответствующей группой студентов).

Обычно оксиды металлов являются основными, а оксиды неметаллов — кислотными. Некоторые оксиды металлов реагируют с водой с образованием щелочных растворов. Важно отметить, что некоторые оксиды металлов не вступают в реакцию с водой. Они тестируют нейтральные в воде, потому что они нерастворимы, но они все еще являются основаниями, потому что они реагируют с кислотами.Оксиды неметаллов реагируют с водой с образованием кислот.

Дополнительная информация

Это ресурс из проекта «Практическая химия», разработанного Фондом Наффилда и Королевским химическим обществом. Этот сборник из более чем 200 практических занятий демонстрирует широкий спектр химических концепций и процессов. Каждое упражнение содержит исчерпывающую информацию для учителей и технических специалистов, включая полные технические заметки и пошаговые инструкции. Практическая химия сопровождает практическую физику и практическую биологию.

© Фонд Наффилда и Королевское химическое общество

Проверено на здоровье и безопасность, 2016 г.

Узнайте о кислотно-основном характере оксидов

Амфотерные оксиды — это оксиды, которые обладают как кислотными, так и основными свойствами и могут действовать как кислоты и основания. Эти оксиды реагируют с кислотами или основаниями и образуют соль и воду (реакция нейтрализации). Такие элементы, как алюминий, переходные металлы, такие как цинк, титан, медь, золото и элементы p-блока, такие как германий, сурьма, висмут, образуют амфотерные оксиды.Ниже приведены реакции и примеры некоторых амфотерных оксидов.

В кислой среде: ZnO + h3SO4 → ZnSO4 + h3O {\ rm {ZnO}} \, {\ rm {+}} {\ kern 1pt} {\ kern 1pt} {{\ rm {H}} _ {\ rm {2}}} {\ rm {S}} {{\ rm {O}} _ {\ rm {4}}} {\ kern 1pt} \ to {\ rm {ZnS}} {{\ rm {O }} _ {\ rm {4}}} {\ kern 1pt} {\ rm {+}} {\ kern 1pt} {{\ rm {H}} _ {\ rm {2}}} {\ rm {O }} ZnO + h3 SO4 → ZnSO4 + h3 O

В основной среде: ZnO + 2NaOH + h3O → Na2 [Zn (OH) 4] {\ rm {ZnO}} {\ kern 1pt} {\ kern 1pt} {\ rm {+}} {\ kern 1pt} {\ rm {2NaOH}} {\ kern 1pt} {\ rm {+}} {\ kern 1pt} {{\ rm {H}} _ {\ rm {2}}} {\ rm {O}} \ to {\ rm {N}} {{\ rm {a}} _ {\ rm {2}}} \ left [{{\ rm {Zn}} { {\ left ({{\ rm {OH}}} \ right)} _ {\ rm {4}}} \ right] ZnO + 2NaOH + h3 O → Na2 [Zn (OH) 4]

В кислой среде: Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3h3O {\ rm {A}} {{\ rm {l}} _ {\ rm {2}}} {{\ rm {O}} _ {\ rm {3} }} {\ kern 1pt} {\ kern 1pt} {\ rm {+}} {\ kern 1pt} {\ kern 1pt} {\ rm {6HCl}} \ to {\ rm {2AlC}} {{\ rm { l}} _ {\ rm {3}}} {\ kern 1pt} {\ rm {+}} {\ kern 1pt} {\ rm {3}} {{\ rm {H}} _ {\ rm {2 }}} {\ rm {O}} Al2 O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3h3 O

В основной среде: Al2O3 + 2NaOH + 3h3O → 2Na [Pb (OH) 4] {\ rm {A}} {{\ rm {l}} _ {\ rm {2}}} {{\ rm {O}} _ {\ rm {3}}} {\ kern 1pt} {\ rm {+}} {\ kern 1pt} {\ rm {2NaOH}} {\ kern 1pt} {\ rm {+ 3}} {{\ rm {H}} _ {\ rm {2}} } {\ rm {O}} \ to {\ rm {2Na}} \ left [{{\ rm {Pb}} {{\ left ({{\ rm {OH}}} \ right)} _ {\ rm {4}}}} \ right] Al2 O3 + 2NaOH + 3h3 O → 2Na [Pb (OH) 4]

Нейтральные оксиды — это оксиды, которые не проявляют ни кислотных, ни основных свойств или не образуют солей с кислотами и основаниями, и называются нейтральными оксидами.Вода — амфотерный оксид водорода. Примеры и реакции некоторых нейтральных оксидов приведены ниже.

  • Окись углерода: 2C (S) + O2 (g) → 2CO (g) {\ rm {2}} {{\ rm {C}} _ ​​{\ left ({\ rm {S}} \ right )}} {\ kern 1pt} {\ rm {+}} {\ kern 1pt} {{\ rm {O}} _ {\ rm {2}}} _ {\ left ({\ rm {g}} \ right)} \ to {\ rm {2C}} {{\ rm {O}} _ {\ left ({\ rm {g}} \ right)}} 2C (S) + O2 (g) → 2CO (г)

  • Закись азота: 2N2 + O2 → 2N2O {\ rm {2}} {{\ rm {N}} _ {\ rm {2}}} {\ rm {+}} {\ kern 1pt} {\ kern 1pt} {{\ rm {O}} _ {\ rm {2}}} \ to {\ rm {2}} {{\ rm {N}} _ {\ rm {2}} } {\ rm {O}} 2N2 + O2 → 2N2 O

  • Вода: 2h3 (г) + O2 (г) → 2h3O (l) {\ rm {2}} {{\ rm {H }} _ {\ rm {2}}} _ {\ left ({\ rm {g}} \ right)} {\ kern 1pt} {\ rm {+}} {\ kern 1pt} {{\ rm {O }} _ {\ rm {2}}} _ {\ left ({\ rm {g}} \ right)} \, \ to {\ rm {2}} {{\ rm {H}} _ {\ rm {2}}} {{\ rm {O}} _ {\ left ({\ rm {l}} \ right)}} 2h3 (g) + O2 (g) → 2h3 O (l) Взаимодействие с другими людьми

Оксид металла — обзор

, никель

1968 «Аноды со стабильными размерами» с оксидным покрытием для хлорщелочной промышленности: H.Пиво, Бельг. Пат. 710551 (1968), US 362492 (1972), US 4052271 (1977)
A. Martinsons et al., US 3562008 (1971)
V. Hock et al., US 5055169 (1991)
1972 US 3634736, Standard Oil Co . Огайо . (США): пастовые электроды из активированного угля или карбидов или боридов металлов (например, BC, WC)
US 3652902, IBM (США), пластины из активированного угля, разделенные пористой инертной прокладкой, пропитанной КОН или H 2 SO 4
1983 EP 0078404, CD 1196683 (1985): электроды с керамическим оксидным покрытием и псевдоемкость
1986 US 4633372, . Огайо . (США): полиоксометаллат, адсорбированный на активированном угле, например, H 5 (PV 2 Mo 10 O 40 ), (NH 4 ) 6 (P 2 Mo 18 O 62 )
1988 Нитрид молибдена, полученный реакцией химического осаждения из паровой фазы между MoCl 5 и NH 3 при 500… 800 ° C или реактивным пиролизом распылением MoO 3
США 4766522, Hughes Aircraft Co .(США): оксиды Pt и Ir в твердом электролите
1990 JP 2085387, Japan Gore Tex Inc . (Япония): Углеродный порошок, поддерживающий металл семейства Pt, или порошок RuO 2 , IrO 2 или PbO 2 , связанный ПТФЭ или ионообменной смолой, например, сополимер тетрафторэтиленсульфонилфторида и винилового эфира
1992 US 5079674, Motorola (США): оксиды, хлориды, нитриды и другие соли Ru, Ta, Rh, Zr, Co, Ni, Mo, W, V, нанесенные на пористый углерод и связанные в матрице из фторполимер
US 5136474, Giner Inc. (США): Порошки RuO 2 на связке PTFE на Nafion 117
US 5151848, ВВС США : Титан, покрытый RuO 2 и пропитанный твердым полимерным электролитом персульфоновой кислотой при давлении 1000 бар
1994 WO

72, Pinnacle Research Institute (США): биполярные электроды из RuO 2 / Ti; см. текст

DE 4313474, EP 0622815, Dornier (Daimler Group, Германия): гидрат оксида рутения термическими методами и методами осаждения на никелевой и копировальной бумаге
JP 6345441, Japan Energy Corp. .: Гидрат оксида рутения RuO 2 · x H 2 O с однородным размером частиц за счет восстановления предшественника рутения (V или более) в водном растворе
США 551164, Институт Фронцевича (Киев, Украина) ): Халькогениды висмута, например, Bi 2 Te 3 , Bi 2 Se 3
1995 US 5429893, Motorola (США): электроды из оксида металла и активированного угля в водной и неводный раствор
US 53

, Motorola (США): оксиды V, Zr, Hf, Ti, Nb, Sc со связанным хлором (MO 1.68 Cl 0,68 ), смешанный с углеродом и полимером
US 5388025, Motorola (США): металлоцен, металлический порфирин, ацетилацетонат металла, металлоорганический полимер, бипиридин металла, например, ацетилацетонат марганца-
1996 JP 8268722, Sumitomo Metal Mining Co . (Япония): порошок RuO 2 для толстопленочных резисторов. Водный раствор частиц RuO 2 в КОН или NaOH выпаривают, а оставшиеся частицы RuO 2 , покрытые гидроксидом, обжигают при 200–1000 ° C, промывают и сушат
Pinnacle Research (США ): Исследование нитридов молибдена, титана и железа
1997 US 5600535, Армия США : RuO 2 , образованных на титановой подложке пиролизом растворов алкоголятов металлов
1998 9815961: Dornier & amp; ZSW (Германия): Перовскиты для суперконденсаторов
2000 US 6025020: Углеродный порошок или углеродные волокна в целлюлозной матрице в качестве шаблона для высокодисперсного аморфного гидрата RuO 2 (путем нагревания источника рутения в паровая атмосфера при & lt; 500 ° C)
2002 WO 0235635, Kim Kwang Bum (Корея): Производство тонкопленочного электрода из гидрата RuO 2
DE 10053276, Dornier (Германия): Наноструктурированный пленочный электрод из игольчатых элементов (напр.g., Al 2 O 3 ) закрепленный на поверхности
US 6496357, Ness Capacitor Co . (Корея): аморфный диоксид марганца. Токоприемник: никель, медь или алюминий. Электролит: соли лития и аммония в пропиленкарбонате или ацетонитриле, например, LiBF 4 , LiClO 4 , LiPF 6 , Et 4 NBF 4 , Et 4 НПФ 9014 6 , NClO 4 , MeEt 3 NBF 4

Оценка чувствительности

pH в потенциометрических датчиках pH на основе оксидов металлов с использованием принципа инвариантности

Была предложена численно решаемая инженерная модель, которая предсказывает чувствительность оксидов металлов. (MO X -) потенциометрические датчики pH.Предлагаемая модель учитывает микроструктуру и кристаллическую структуру материала MO X . Прогнозируемая чувствительность к pH согласуется с экспериментальными результатами с разницей менее 6% для трех проанализированных MO X (RuO 2 , TiO 2 и Ta 2 O 5 ). Модель различает характеристики различных фаз MO X путем соответствующего выбора плотностей поверхностных гидроксильных центров и диэлектрической проницаемости, что позволяет оценить характеристики электродов MO X , изготовленных с помощью различных высокотемпературных и низких температур. -температурные методы отжига.В нем также рассматривается проблема, на которую ссылаются теоретики, независимого определения параметра внутренней емкости Гельмгольца C 1 при применении трехслойной модели к датчикам pH. Это достигается путем изменения параметра емкости C, , , 1, , до тех пор, пока не будет получена неизменная чувствительность pH для различных значений ионной силы электролита. Эта точка инвариантности определяет емкость C 1 . Соответствующая чувствительность к pH является характеристической чувствительностью MO X .Модель применялась к различным типам оксидов металлов, а именно к дорогим оксидам платиновой группы (RuO 2 ) и более дешевым неплатиновым группам MO X (TiO 2 и Ta 2 O 5 ). После высокотемпературного отжига RuO 2 давал высокую чувствительность к pH 59,1082 мВ / pH, тогда как TiO 2 и Ta 2 O 5 давали субнернстианскую чувствительность 30,0011 и 34,6144 мВ / pH соответственно. Низкотемпературный отжиг, TiO 2 и Ta 2 O 5 дает чувствительность по Нернстану 59.1050 и 59,1081 мВ / pH соответственно, что иллюстрирует возможность использования более дешевой неплатиновой группы MO x в качестве альтернативных материалов электродов сенсора. Отдельно стоит отметить полезность относительно менее изученных, дешевых и легкодоступных MO X , а именно. Al 2 O 3 в качестве материала электрода. Отожженный при низких температурах Al 2 O 3 с чувствительностью по Нернстану 59,1050 мВ / pH может рассматриваться как потенциальный электродный материал.Предложенная инженерная модель может быть использована в качестве предварительного механизма прогноза для выбора потенциально более дешевых альтернативных материалов электродов сенсора.

1. Введение

Датчики из оксида металла (MO X ) представляют большой интерес в системах определения качества воздуха и воды, причем газовые датчики являются основной областью применения [1]. В последнее время внимание исследователей привлекла разработка новых сенсоров и повышение эффективности существующих сенсоров [2].Использование MO X повышает избирательность и чувствительность существующих сенсорных устройств, а также позволяет одновременно измерять несколько параметров в реальном времени [1]. Это особенно актуально для датчиков pH на основе MO X , которые набирают популярность в областях повседневного применения, таких как проверки качества пищевых продуктов [3] и в биомедицинских устройствах нового поколения [4]. Использование конформного датчика pH на основе наночастиц WO 3 в носимых биомедицинских устройствах [5] является одним из таких примеров активных исследований, проводимых в этой области.Большая часть разработок электрохимических датчиков pH на основе MO X была сосредоточена на потенциометрических датчиках pH, которые включают в себя чувствительный электрод на основе MO X и электрод сравнения [6]. Потенциометрические датчики pH основаны на принципе измерения разности потенциалов между электродом сравнения и чувствительным электродом, которые погружены в раствор аналита с неизвестным pH. Чувствительность такого датчика является важным параметром производительности, поскольку более высокая чувствительность позволит обнаруживать небольшие изменения pH в растворе аналита.Характеристики чувствительности датчика определяются степенью, в которой коэффициент чувствительности близок к идеальному отклику Нернста, как предсказано уравнением Нернста (59,14 мВ / pH при 25 ° C). Таким образом, желателен коэффициент чувствительности, близкий к этому нернстовскому значению.

Эмпирическое определение таких характеристик чувствительности MO X экспериментальными методами представляет большой интерес для многих исследователей [7–11]. Теоретическая модель для прогнозирования чувствительности к pH электродов MO X будет иметь дополнительную ценность для оптимизации затрат и времени, затрачиваемых на экспериментальную характеристику.Кроме того, было обнаружено, что чувствительность датчика pH на основе MO X зависит не только от оксида металла, используемого для чувствительного электрода, но и от методов изготовления, которые могут влиять на микроструктуру, пористость, однородность поверхности и кристаллическую структуру. структура материала по наблюдениям Manjakkal et al. [6]. Таким образом, необходимость в модели количественного прогнозирования чувствительности, которая включает в себя как материал электрода, так и варианты изготовления, совершенно очевидна.Кроме того, с учетом текущих исследовательских работ, направленных на рассмотрение смешанных оксидов металлов как возможных более дешевых альтернатив в качестве материалов для сенсорных электродов [12–14], теоретическая модель, которая предсказывает характеристики чистых оксидов металлов, имеет большое значение при выводе таких моделей для смешанных металлов. оксиды.

1.1. Фарадеевский и нефарадеевский подходы

Существуют два широких подхода, один из которых фиксирует фарадеевские, а другой нефарадеевские реакции, в моделировании механизма восприятия датчиков pH MO X .Среди пяти возможных механизмов, предложенных Фогом и Баком [15] в их статье, механизм, который включает ионный обмен с поверхностным слоем оксида, впитывает как фарадеевский, так и нефарадеевский подходы. Оба подхода включают использование уравнения Нернста, которое фиксирует преобразование изменения pH как измеримого изменения разности потенциалов на электродах датчика. Фарадеевские процессы включают перенос заряженных частиц (электронов или ионов) через электрод без постепенного накопления заряда в электроде [16].Эти процессы обычно включают окислительно-восстановительные реакции. Напротив, нефарадеевские процессы включают перенос только ионов без переноса электронов, но с постепенным накоплением заряда. Это позволяет рассматривать нефарадеевские процессы как емкостные [16].

Уместно обсудить ограничения применения фарадеевского подхода к моделированию поведения потенциометрических датчиков. Этот подход предсказывает чувствительность, основанную только на количестве электронов, перенесенных в окислительно-восстановительных реакциях между электродом и электролитом.Это связано с тем, что уравнение Нернста служит связующим звеном между электродным потенциалом и концентрацией участников электродного процесса [17]. Кроме того, это уравнение основано на идеальных условиях поверхности. Одноэлектронная электродная реакция всегда приводит к идеальному коэффициенту наклона 59,14 мВ / pH в качестве чувствительности датчика [6].

Однако, в действительности, можно приблизиться к этому идеальному отклику Нернста через различные методы изготовления только для определенных «активных» переходных оксидов, таких как RuO 2 и IrO 2 [6].Напротив, исследования чувствительности сенсорных электродов, изготовленных с использованием других MO X , таких как TiO 2 , Ta 2 O 5 и CeO 2 , которые включают те же одноэлектронные электродные реакции, дают смешанные результаты: одни заявляют о высокой чувствительности по Нернсту, а другие — к субнернстианской. Различия в методологии изготовления сенсоров были названы возможной причиной этих наблюдений [7, 18]. Однако эти вариации нельзя объяснить только рассмотрением фарадеевских процессов.

Низкотемпературный отжиг приводит к большим размерам зерен, что приводит к уменьшению тока утечки из-за меньшего количества границ зерен [19]. Напротив, высокотемпературный отжиг приводит к получению поликристаллических материалов с меньшими размерами зерен и повышенным током утечки из-за увеличения количества границ зерен [9]. Фарадеевский подход игнорирует этот аспект материальной фазы в поликристаллических материалах, поскольку он предполагает идеальный перенос электронов через поверхность электролита, что приводит к завышению чувствительности таких электродов.Напротив, нефарадеевский подход, такой как теория сайт-связывания, учитывает такие параметры, как общее количество поверхностных гидроксильных групп на единицу площади, N S и диэлектрическую проницаемость материала электрода, , которые позволяют различать различные MO X на основе разностей фаз. Значение N s зависит от кристаллической структуры материала MO X [6].

Поскольку метод изготовления или температура отжига материалов MO X влияет на фазовое превращение материалов [20], любой теоретический подход к определению чувствительности к pH должен учитывать N s и как входные параметры. Кроме того, фарадеевский подход игнорирует ионные взаимодействия между гидроксильными группами, присутствующими на поверхности MO X , и ионами, присутствующими в объеме электролита.Фактическое количество гидроксильных групп на поверхности MO X , доступных для восприятия ионов водорода, таким образом, будет переоценено при таком подходе, что приведет к предсказанию большей, чем ожидалось, чувствительности.

До сих пор был предложен только фарадеевский подход для потенциометрических сенсоров, как показано в работе Аль-Хилли и Вилландера по наностержням ZnO [21], в то время как нефарадеевский подход (теория сайт-связывания) был предложен для сенсоров ISFET [22]. Курцвейл в своей работе [23] отметил, что оксиды металлов, в общем, можно рассматривать как смешанные электронные и ионные проводники из-за их стехиометрии кислородных дефектов.Он утверждал, что моделирования поверхностных явлений на участках ионообменной поверхности само по себе достаточно для объяснения механизма реакции pH оксидов металлов и что нет необходимости включать pH-зависимые окислительно-восстановительные переходы. Однако объем этой работы ограничивался обсуждением оксидов платиновой группы или «активных» переходных оксидов, таких как RuO 2 в этом контексте.

1.2. Новый взгляд на потенциометрическое зондирование

В этой работе был разработан новый взгляд на сложный механизм потенциометрических датчиков pH, чтобы объединить различные наблюдения и теории, сделанные экспериментаторами и теоретиками в этой области.Наша точка зрения рассматривает две группы оксидов металлов; первая группа состоит из активных переходных оксидов и оксидов металлов, полученных методами низкотемпературного отжига, в то время как вторую группу составляют оксиды металлов, полученные методами высокотемпературного отжига и нестехиометрического MO X . Первую группу можно рассматривать как идеальные материалы для датчиков pH, чувствительность которых близка к предсказанному теоретическому значению чувствительности по Нернстану. Разность потенциалов, возникающая, когда эта группа оксидов металлов находится в контакте с раствором электролита, может быть смоделирована с использованием источников фарадеевского и нефарадеевского напряжения, подключенных параллельно, через пространственный заряд и трехслойную емкость, представленные как конденсаторы, соединенные последовательно, как показано Фигура 1.

Источник фарадеевского напряжения представляет собой разность потенциалов, возникающую на чувствительном электроде MO X и электроде сравнения с помощью фарадеевских процессов. Эти процессы относятся к окислительно-восстановительным реакциям, которые происходят на границе раздела поверхности электрода MO X и раствора электролита. Перенос заряда (электронов и ионов), происходящий в этих реакциях, способствует развитию напряжения.Трасатти разработал механизм, который фиксирует этот процесс для RuO 2 [24]. Следующий механизм представляет собой общий фарадеевский процесс: где MO x (OH) y представляет собой оксид металла с более высокой валентностью, а представляет собой оксид металла с более низкой валентностью.

Другой источник напряжения в модели относится к разности потенциалов, создаваемой нефарадеевскими процессами, происходящими между MO X и электродами сравнения. Эти процессы относятся к переносу ионов, который происходит во время реакций поверхностного протонирования / депротонирования и реакций поверхностного комплексообразования.Реакции протонирования / депротонирования происходят между такими частицами, как SOH, SO , и ионы H + в растворе электролита в соответствии со следующим равновесием [25], где S относится к общей металлической составляющей оксида металла. в исследовании:

Поверхностные реакции комплексообразования происходят между такими веществами, как SO , и присутствующими ионами электролита. Равновесие может быть выражено следующим образом с K + и Cl в качестве ионов электролита в качестве примера:

Развиваемое напряжение на чувствительном электроде MO X и электроде сравнения падает в серии емкости на границе раздела электролита MO X , представленные как C SC и C SS , и сам электролит, представленный как C H и C G [ 26, 27].

C SC относится к емкости, развиваемой через слой пространственного заряда электрода MO X , а C SS относится к емкости в поверхностном состоянии. C H относится к емкости слоя Гельмгольца, а C G относится к емкости диффузного слоя Гуи.

Вторая группа оксидов металлов с большей вероятностью дает субнернстианскую чувствительность и, таким образом, может быть названа неидеальными материалами MO X .Сюда входят нестехиометрические оксиды металлов, поскольку уменьшение количества кислородных центров на поверхности электрода, вызванное диффузией кислорода, приведет к уменьшению количества гидроксильных центров на поверхности и, следовательно, к снижению чувствительности к pH [9]. Разность потенциалов, возникающая, когда эта группа оксидов металлов находится в контакте с раствором электролита, может быть смоделирована, как показано на рисунке 2. В этой модели преобладание нефарадеевского процесса (ионного переноса) в возникновении разности потенциалов улавливается одним источник напряжения, который проходит через объемный заряд и трехслойную емкость, представленные в виде конденсаторов, соединенных последовательно.

2. Предлагаемая инженерная модель

Обсуждаемая выше новая перспектива для механизмов потенциометрического измерения pH открывает путь к предложению инженерной модели. Инженерная модель, предложенная в этой работе, направлена ​​на обеспечение общего механизма для прогнозирования реакции pH для различных материалов MO X и методов их изготовления с использованием «трехслойной модели» (TLM), разработанной Davis et al. [28], в качестве основы. Когда поверхность электрода входит в контакт с раствором электролита, на поверхности электрода индуцируется электрический заряд.Этот индуцированный заряд разрушает ионы, присутствующие в электролите, в результате чего ионы с противоположным зарядом адсорбируются на поверхности [29]. Этот слой известен как слой Гельмгольца.

TLM фиксирует реакции, происходящие в диффузном, внутреннем и внешнем слоях Гельмгольца. TLM обеспечивает сумму падений потенциала на емкости Гельмгольца В H и емкости диффузного слоя Гуи В G для определенного значения pH.Некоторые параметры модели, необходимые для применения TLM, были оценены с использованием существующих теоретических методов. В нашей инженерной модели полный потенциал электрода для определенного pH выражается как сумма потенциалов В H , В G и падения потенциала на емкости слоя пространственного заряда, В SC . Вклад в потенциал электрода от поверхностных состояний ( V SS ) в этой модели не учитывается.Эта модель устраняет проблему независимого определения параметра внутренней емкости Гельмгольца C 1 , необходимого для применения TLM для датчиков pH, на которые ссылаются теоретики. Это было сделано путем изменения значения параметра емкости C, , , 1, , до тех пор, пока не будет получена инвариантная чувствительность pH для различных ионных сил. Он также предоставляет средства для получения точной оценки фактической чувствительности к pH, эмпирически определенной в ходе экспериментов с помощью чувствительности pH, инвариантной к ионной силе электролита.

Температура отжига материала MO X для изготовления электрода оказывает сильное влияние на фазу MO X на чувствительном электроде [20]. Модель различает характеристики различных фаз оксидов металлов путем выбора подходящей поверхностной плотности гидроксильных центров и диэлектрической проницаемости. Электродные потенциалы рассчитываются с помощью описанного выше метода для определенного диапазона значений pH для конкретной емкости C 1 .Вычисленные электродные потенциалы в зависимости от pH наносятся на график, и для моделирования набора данных используется аппроксимация линейной регрессии. Наклон полученной аппроксимации линейной регрессии представлен как чувствительность электродного материала MO X для выбранных C 1 концентраций электролита в этой работе. Эти наклоны для различных емкостей C 1 и концентраций электролита используются для прогнозирования чувствительности материала MO X .В этой работе анализируются четыре различных оксида металлов: RuO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 и Al 2 O 3 , и их соответствующие различные фазы, определяемые температурой их способа изготовления.

Были и другие предыдущие попытки дать оценку C 1 . Одна из таких работ посвящена независимой оценке C 1 на основе внутренних свойств MO X и раствора электролита [30].В работе предлагается теоретическая модель, предсказывающая C 1 для различных комбинаций оксидов металлов с использованием теории сольватации Борна и внутренних свойств материалов MO X , таких как их диэлектрическая постоянная. Однако эта модель требует использования данных по поверхностному заряду от титрования для получения C 1 посредством экспериментальных подгонок и не обеспечивает управление изменением ионной силы электролита. Поскольку TLM учитывает ионную силу как параметр, значение C 1 , предсказанное с помощью этого метода, при применении в модели приведет к различной чувствительности к pH.Этого следовало ожидать, поскольку утверждается, что концентрации электролита влияют на механизм адсорбции на поверхности электродов [31]. Таким образом, этот метод имеет ограниченное использование в контексте потенциометрического датчика pH, где требуется постоянная чувствительность к pH в зависимости от ионной силы для отражения экспериментальных наблюдений.

Другие исследования также были проведены в аналогичном ключе, например, Хванга и Ленхарта [32], которые оценили зависимость N s от значений емкости C 1 для гематита.Эта работа основана на данных титрования поверхности, полученных в результате экспериментов. Таким образом, результаты и анализ специфичны для гематитового материала. В противном случае такие экспериментальные данные были бы недоступны для универсального MO X для ввода в качестве параметров в TLM, ограничивая объем работы конкретным материалом.

3. Теория

Эта инженерная модель будет использовать исключительно нефарадеевский подход для моделирования механизма реакции pH потенциометрических датчиков pH.Было продемонстрировано, что нефарадеевские процессы объясняют разность потенциалов как между идеальными, так и неидеальными типами MO X , как показано на рисунках 1 и 2.

3.1. Потенциал по емкости слоя Гельмгольца

нефарадеевские процессы были захвачены с использованием того же TLM в качестве основы. Следует отметить, что TLM представляет собой общую термодинамическую модель, которая используется для конкретного захвата адсорбции ионов электролита на поверхности MO X [33], а также реакций протонирования / депротонирования, которые происходят на поверхности электрода.Поверхность MO X занята гидроксильными группами из-за диссоциативной адсорбции воды с последующим вытеснением протонов [34]. Этот процесс более распространен для идеального типа MO X , такого как RuO 2 , что приводит к большему количеству гидроксильных групп в этих оксидах. Равновесие, подобное приведенным выше уравнениям (2) и (3), было получено следующим образом: где K 1 и K 2 представляют собой константы равновесия для реакций депротонирования и протонирования, соответственно.Адсорбированные ионы водорода, могут быть выражены следующим образом с использованием соотношения Больцмана: где представляет собой потенциал в 0-плоскости, а e , k и T представляют собой элементарный заряд частицы, постоянную Больцмана, и температура соответственно. Подставляя уравнения (6) и (8) и уравнения (7) и (8), выражения для K 1 и K 2 могут быть получены следующим образом:

Реакции поверхностного комплексообразования происходят между частицами, такими как как SO и присутствующие ионы электролита.Равновесие выражается следующим образом и представлено как адсорбированные ионы электролита: где K ani и K cat представляют собой константы равновесия соответствующих реакций поверхностного комплексообразования. Подобно адсорбированным ионам водорода, адсорбированные ионы электролита, и, могут быть представлены с использованием соотношения Больцмана следующим образом: где представляет собой потенциал на плоскости. Подставляя уравнения (11) и (14) и уравнения (12) и (13), выражения для K ani и K cat могут быть получены следующим образом:

Объединение реакций протонирования / депротонирования на поверхности с поверхностными реакциями комплексообразования выражения, которые связывают гидроксильные группы (SOH) с адсорбированными ионами электролита и ионами водорода, могут быть получены следующим образом: где и представляют собой константы равновесия для этих реакций.Эти константы равновесия могут быть выражены с помощью разложения Больцмана:

TLM, таким образом, особенно применим для моделирования механизма реакции pH поверхностей металлооксидных электродов. , и представляют потенциалы в 0-плоскости, -плоскости и d -плоскости соответственно. представляет собой сумму падений потенциала на емкости Гельмгольца ( C H ) и емкости диффузного слоя Гуи ( C G ).

,

и представляют собой плотности заряда в 0-плоскости и -плоскости.Их можно выразить следующим образом: где B, может быть выражено как где F представляет собой постоянную Фарадея, а A представляет собой единицу площади поверхности оксида, доступного на единицу объема раствора электролита. представляет плотность заряда на плоскости d , и ее можно выразить следующим образом: где C и z представляют собой объемную концентрацию и заряд рассматриваемого противоиона электролита в диффузном слое. Чтобы электронейтральность сохранялась, должно выполняться следующее выражение:

Внутренний слой Гельмгольца, представленный как промежуточный зазор между 0-плоскостью и плоскостью, имеет емкость C 1 .Внешний слой Гельмгольца, представленный как промежуточный зазор между плоскостью d и плоскостью d , имеет емкость C 2 . Согласно TLM, эти емкости считаются постоянными в областях между плоскостями [28]. Это позволяет связать потенциал в плоскостях с плотностями зарядов в соответствии со следующими соотношениями:

Используя баланс поверхностных масс, плотности участков поверхности ( N s ) связаны с концентрациями различных виды поверхности электрода следующим образом:

Уравнения (9), (10), (19) и (20) могут быть переписаны в терминах концентраций поверхностных частиц, как показано ниже:

TLM требует семи наборов параметры, которые необходимо ввести, а именно: плотность поверхностных гидроксильных центров, N s , константы равновесия поверхностной кислотности, K 1 и K 2 , комплексные константы ионизационного равновесия и, и внутренняя и внешняя емкости Гельмгольца, C 1 и C 2 .Константы равновесия поверхностной кислотности, K 1 и K 2 , могут быть теоретически получены для каждого материала MO X в соответствии с теоретическими уравнениями, полученными Сверженским и Сахаем [25], и могут быть выражены в в соответствии с использованием символов и обозначений в этой работе следующим образом: где представляет параметр, который включает длину связи Полинга материала ( s ) и длину связи металл-гидроксил ( r MOH ).Этот r MOH был вычислен как сумма длины связи металл-кислород ( r MO ) и длины связи O-H, которая была зафиксирована на уровне 1,01 [25].

Система уравнений (21) — (32) может быть решена численно для любого значения pH и концентрации раствора электролита.

3.2. Потенциал на емкости слоя пространственного заряда

Падение потенциала на емкости слоя пространственного заряда ( В, SC ) можно оценить, сначала сосредоточив внимание на ширине слоя пространственного заряда.Выражение для ширины слоя пространственного заряда ( W ) было получено Аль-Хилли и Вилландером [21] следующим образом: где — диэлектрическая проницаемость вакуума, — диэлектрическая проницаемость полупроводника, Н D — плотность донора электронов, V — потенциал электрода и V fb — потенциал плоской зоны. Чтобы оценить значение N D , общий объем элементарной ячейки, MO X в исследовании был получен с использованием параметров решетки элементарной ячейки, выраженных следующим образом:

Параметры решетки (, и) приведены в таблице 1. N D , таким образом, можно выразить следующим образом: где, и представляют процент кислородных вакансий, количество атомов кислорода на элементарную ячейку и количество носителей на вакансию, соответственно. -Значение было зафиксировано на уровне 2,5%, поскольку это была физически реализуемая концентрация вакансий [40] для MO X . -Значение было зафиксировано на значении 2, так как на каждую кислородную вакансию приходилось два электронных носителя. Общее количество атомов кислорода на элементарную ячейку для каждой рассматриваемой в данной работе МО X представлено в таблице 1.Аль-Хилли и Вилландер [21] представили V (0), потенциал на поверхности электрода ( x = 0) следующим образом: где представляет собой ширину слоя Гельмгольца. может быть выражено по Гонгадзе и соавт. [41] следующим образом: где представляет собой диэлектрическую проницаемость раствора электролита, и она представлена ​​в таблице 1. Емкость слоя Гельмгольца, C H , представлена ​​как сумма емкостей внутреннего и внешнего слоя Гельмгольца ( C 1 и C 2 ).Потенциал в 0-плоскости, зафиксированный в TLM, может быть связан с V (0) следующим образом:


MO X λ a (A °) λ b (A °) λ c (A °) ω 905 905 Фаза

RuO 2 4.49 [35] 4,49 [35] 3,10 [35] 4 78,2 Рутил
TiO 2 4,59 [36] 4,59 [36] 2,96 ] 4 78,2 Рутил
TiO 2 3,79 [37] 3,79 [37] 3,79 [37] 4 7835 Anatase. структура отжига
Ta 2 O 5 7.19 [38] 7,19 [38] 3,83 [38] 10 78,2 Все
Al 2 O 3 7,90 [39] 7,90 [39] 7 [

7,90 [39] 6 ​​ 78,2 Все

При условии V V fb = V fb = V можно подставить в уравнение (35), позволяя выразить V SC следующим образом:

Сумма потенциалов через слой Гельмгольца и слой пространственного заряда принимается как полный потенциал электрода, ξ :

Вклад поверхностных состояний в общий электродный потенциал в этой инженерной модели не учитывался.Общий электродный потенциал рассчитывается для каждого значения pH в анализируемом диапазоне pH. Вычисленные электродные потенциалы в зависимости от pH наносятся на график, и для моделирования набора данных используется аппроксимация линейной регрессии. Наклон полученной аппроксимации линейной регрессии представлен как прогнозируемая чувствительность электродного материала MO X в исследовании. В этом исследовании анализируются четыре различных оксида металлов: RuO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 и Al 2 O 3 , а также их соответствующие различные фазы, которые контролировались температурой метода их изготовления. .

4. Методология
4.1. Общий электродный потенциал по отношению к изменению pH

Для анализа потенциометрической чувствительности датчика pH необходимо определить общий электродный потенциал ξ металлооксидного датчика pH. Это может быть выражено как сумма разностей потенциалов в слое Гельмгольца и на границе раздела, как показано в уравнении (42).

Потенциал на слое Гельмгольца V H может быть определен путем численного решения системы уравнений (21) — (32) для каждого изменяющегося значения pH с использованием нелинейного решателя.В этой работе для этой цели использовался Python fsolve, который реализует численные методы изогнутого контура. Затем по уравнению (41) можно рассчитать разность потенциалов в слое пространственного заряда.

Построив график зависимости общего потенциала электрода от pH, можно определить чувствительность датчика pH MO X для конкретного набора параметров, вводимых в TLM. Исключены экстремально кислый и щелочной режимы pH. Для этого анализа был выбран диапазон pH от 2 до 11.За исключением C 1 , остальные параметры TLM, обсуждаемые в разделе 4.1, оставались постоянными для каждого экспериментального запуска. Эти параметры приведены в таблице 2. Кроме того, внутренние параметры, необходимые для определения констант равновесия кислотности поверхности в соответствии с уравнениями (33) и (34), также представлены в таблице 2.

9023 9023 9023 9023 9023

9023 9023 9023 9023

02

9023 9023 9023 9023 9023


MO X Электролит N s ε s (14 s 9035 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 журнал K 1 журнал K 2 журнал K cat журнал K ani KCl 12.6 [42] 55,2 [43] 0,2257 [44, 45] 8,5845 2,1831 1,9 2,2 6,6845 4,3831
9023 9023

Ta 2 O 5 KCl 4 50 [46]

5 7 906

0,22768 0,4077 1,9 2,2 5,3768 2,6077
6 ​​ 9023

] 0,2581 [39, 50] 7,8602 1,0470 1,9 2,2 5,9602 3,2470
12 [51] 6 9023 9023 9023 9023 9023 9023


TiO 2 KCl 2.7 [52] 80 [53] 0,2256 [54, 55] 8,4689 2,0685 1,9 2,2 6,5689 4,2685
5 235

7 35 [53] 0,2264 [54, 55] 8.7802 2.3701 1,9 2,2 4,85701
12,5 [52] 35 0,2260 [54, 55] 8,7943 2,3890 1,9 2,2 6,8943 2,2 6,8943 4,5890 4,5890

35 8.6000 2.2000 2,5 2,3 6,1000 4,5000

Al 2 9023 9023
Al 2 9014 4 [51] 10,43 [25] 0,1913 [25] 11,4840 5,5190 1,9 2,2 9,5840 7,7190
1,3 56235

a Экспериментальный прогон, проведенный с использованием C 1 ёмкость 30 мкм 12038 µm, как указано b Первая указанная ссылка относится к координационному числу MO X для определения s . Последующие ссылки предназначены для определения длины связи металл-кислород ( r MO ).

Комплексные константы ионизационного равновесия были рассчитаны с использованием уравнений (19) и (20) с соответствующими константами равновесия поверхностной кислотности и константами равновесия адсорбции электролита, K cat и K ani .log K cat и log K ani были зафиксированы на 1,9 и 2,2, как указано в литературе [28], для электролита KCl, который использовался в качестве электролита в исследовании для всех экспериментальных запусков.

Емкость Гельмгольца внешнего слоя C 2 поддерживалась постоянной на уровне 20 Ф / см 2 для каждого цикла, поскольку она считалась неизменной для различных оксидных электродов [57]. Поскольку температура изготовления определяет количество поверхностных гидроксильных центров, присутствующих на металлооксидном электроде [20], было необходимо изменять значения плотности гидроксильных центров, N s , для оксидов металлов везде, где это возможно.RuO 2 , оксид металла с малой шириной запрещенной зоны, известный своей превосходной чувствительностью к pH [58], имеет тенденцию иметь более высокие значения N s , поскольку при диссоциации воды на поверхностях рутила RuO 2 образуются большие количества гидроксильных групп, чем другие поверхности рутила, такие как TiO 2 , например [59].

Кроме того, гидратированная и негидратированная формы RuO 2 имеют тенденцию иметь разные плотности центров. Плотность сайтов для негидратированной формы RuO 2 из 12.642 сайта / нм 2 было извлечено непосредственно из литературы [42]. Чтобы оценить плотность центров гидратированной формы RuO 2 , вклад в плотность центров от реакций диссоциации воды был добавлен к плотности центров негидратированного оксида металла. Для этого количество молекул воды, которые обычно адсорбируются на поверхности рутила (0,05 воды /) [60], и процент диссоциации воды, которая происходит на поверхности рутила RuO 2 (50%) [59], были извлечены из литература.Произведение этих значений умножается на 2, чтобы представить тот факт, что две гидроксильные группы образуются для каждой молекулы воды, которая диссоциирует. Это приводит к добавлению 5 сайтов / нм 2 к плотности негидратированных сайтов, в результате чего всего 17,642 сайтов / нм 2 . Эти вариации были зафиксированы в экспериментальных сериях. Для Ta 2 O 5 и Al 2 O 3 два различных режима фаз, а именно поликристаллическая фаза, отожженная при низких температурах, и поликристаллическая фазы, подвергнутые высокотемпературному отжигу, были захвачены с более высокой плотностью центров и меньшей значения плотности сайта соответственно.Поскольку нет конкретных экспериментальных данных для значений плотности сайтов Ta 2 O 5 , два различных значения плотности сайтов 10 сайтов / нм 2 и 12 сайтов / нм 2 были опробованы в низкотемпературной среде. -отжигаемый режим. Два различных значения плотности сайтов 4 и 6 сайтов / нм 2 были опробованы в режиме высокотемпературного отжига. Отсутствие консенсуса среди экспериментаторов в отношении значений плотности сайтов для TiO 2 очевидно из широкого диапазона значений, предложенных экспериментаторами [52].

Кроме того, из литературы очевидно, что поверхностные гидроксильные группы уменьшаются с температурой отжига, в результате чего три отдельные фазы TiO 2 , рутил, анатаз и поликристаллические фазы, подвергнутые низкотемпературному отжигу, моделируются с увеличением сайта значения плотности. Две различные плотности сайтов, 2,7 и 5 сайтов / нм 2 , были опробованы для фазы рутила, в то время как плотность отдельных сайтов 7 сайтов / нм 2 и 12,5 сайтов / нм 2 была опробована для анатаза и низкотемпературные отожженные поликристаллические фазы соответственно.

Соответствующие значения статической диэлектрической проницаемости были извлечены из литературы для соответствующих фаз, как показано в таблице 2. Для TiO 2 значение для поликристаллической фазы после низкотемпературного отжига было оценено как аналогичное значению. фазы анатаза [61]. В ходе отдельного анализа было обнаружено, что изменение значения оказывает очень незначительное влияние на значение при применении TLM и, таким образом, имеет ограниченное влияние на характеристики чувствительности датчика pH.

4.2. Определение

C 1 Емкость внутреннего слоя Гельмгольца

Емкость внутреннего слоя Гельмгольца, C 1 , является параметром TLM, который не имеет каких-либо надежных, прогнозирующих, теоретических процедур оценки, которые можно было бы использовать. Предварительные попытки были предприняты теоретиками, такими как Сверженский, Сахай и Димитри [25, 30], с использованием теории электростатики и сольватации для оценки емкости C 1 для различных комбинаций оксидов металлов и электролитов.Другие, такие как Yates et al. [62], предполагалось, что значение емкости C, , 1, имеет фиксированное значение для всех оксидов и электролитов, чтобы достичь согласия между расчетами и экспериментально полученными значениями поверхностного заряда, и потенциала диффузного слоя,, данных.

Однако эти методы определения емкости C 1 не включают в себя понятие неизменной чувствительности pH при различной ионной силе растворов электролитов.В экспериментальных исследованиях сенсоров pH на основе оксидов металлов чувствительность выражается в терминах Нернстианского выражения [10]. Выражение Nernstian, в основном основанное на окислительно-восстановительном потенциале, не включает влияние изменения ионной силы на чувствительность к pH. Напротив, TLM в первую очередь основан на реакциях переноса ионов, происходящих на поверхности металлооксидного электрода, что приводит к изменению чувствительности к pH в зависимости от ионной силы растворов электролитов.

Таким образом, была выдвинута гипотеза, что должна существовать инвариантная чувствительность к ионной силе для некоторой конкретной емкости C 1 , которая преодолевает проблему разной чувствительности, предсказываемой TLM для разной ионной силы раствора электролита.Поэтому параметр емкости C, , 1 в TLM варьировался в широком диапазоне значений, и соответствующая полученная чувствительность pH была нанесена на график как функция емкости C 1 . Эту процедуру повторяли для нескольких значений ионной силы, а именно 0,1, 0,3 и 0,5 М, чтобы охватить диапазон, для которого действительны соответствующие параметры, такие как константы равновесия кислотности поверхности K 1 и K 2 [ 28].

Эту точку инвариантности можно наблюдать как при низких, так и при высоких значениях емкости C 1 . Поэтому крайне важно различать, какое значение емкости C 1 обеспечивает чувствительность pH, инвариантную для истинной ионной силы, для конкретной фазы оксида металла. Ожидалось, что оксид металла, полученный путем высокотемпературного отжига, будет развивать большую емкость Гельмгольца в растворе электролита из-за более низкой поверхностной плотности участков.Более низкая плотность сайтов означает более низкие активные центры для протонирования / депротонирования. Это позволяет накапливать заряды вдоль внутренней и внешней плоскостей Гельмгольца, вызванные накоплением ионов из объема раствора электролита. Накопление этих ионов, которые в противном случае принимали бы участие в реакциях переноса ионов, является причиной увеличения емкости C 1 в высокотемпературной отожженной фазе. Следовательно, диапазон емкости C, , 1, варьировался в соответствии с фазой оксида металла.

Для высокотемпературных отожженных оксидов металлов, находящихся в поликристаллической фазе, емкость C 1 варьировалась в широком диапазоне (от 10 Ф / см 2 до 800 Ф / см 2 в некоторых случаях), так как эти материалы, как известно, обладают высокой емкостью [63]. Напротив, для поликристаллических фазовых материалов, подвергнутых низкотемпературному отжигу, емкость C 1 изменялась в относительно более низком диапазоне (от 0,01 Ф / см 2 до 150 Ф / см 2 ).Порог 150 Ф / см 2 был основан на максимальной емкости C 1 , используемой в литературе [28] для аналогичного исследования, которое включает применение TLM в режиме низкотемпературного отжига.

5. Результаты и обсуждение
5.1. Потенциометрический анализ с использованием

C 1 Емкости из литературы

Теоретический потенциометрический анализ был проведен путем численного решения предложенной инженерной модели для электрода из TiO 2 на основе параметров, полученных от Dimitri [30], чья работа предлагала использовать из C 1 емкость 120 Ф / см 2 для этой конкретной системы.

На рис. 3 показан общий потенциал электрода ( ξ ) в зависимости от pH при различных значениях ионной силы (0,1 M, 0,3 M и 0,5 M) для этой системы. На рис. 3 показано превосходное совпадение точек данных с линией аппроксимации линейной регрессии, как видно из высокого значения R 2 , превышающего 0,999 для всех ионных сил электролита. Наклоны трех различных режимов ионной силы также отличаются друг от друга, причем наклон на 0,3 M больше, чем 0.Уклон 1 м на 5,93% и уклон 0,5 м больше 0,3 м и 0,1 м на 2,26% и 8,32% соответственно. Перехваты y для аппроксимаций линейной регрессии также отличаются друг от друга: отрезок отрезка 0,3 м больше отрезка отрезка 0,1 м на 5,45% и отрезок отрезка 0,5 м больше 0,3 м и 0,1 м на 2,07% и 7,63%, соответственно.

Наклоны линий регрессии отражают чувствительность датчиков pH. Можно видеть, что при использовании значения емкости C 1 , выбранного Сверженским, наблюдается тенденция к увеличению чувствительности к pH с увеличением ионной силы.Это не согласуется с экспериментальными установками, которые не включают изменения ионной силы электролита для измерения чувствительности к pH. Во многом это связано с тем, что эти измерения основаны на идеальном уравнении Нернстана, которое не учитывает изменения ионной силы электролита. Этих результатов следовало ожидать, поскольку работа Сверженского не включает понятие инвариантной чувствительности к pH с различной ионной силой электролита. Также следует отметить, что предсказанная чувствительность к pH не согласуется с экспериментально наблюдаемым значением 58.21 мВ / pH [64] сообщается для системы TiO 2 после низкотемпературного отжига.

5.2.

C 1 Изменение емкости

Широкий диапазон значений емкости C 1 был применен к TLM для получения неизменной чувствительности pH к разным ионным силам. Диапазон емкостей C 1 , используемых для высокотемпературных и низкотемпературных отожженных фаз, отличался тем, что меньший диапазон требовался для низкотемпературных отожженных фаз и больший диапазон для высокотемпературных отожженных фаз. .

Абсолютные наклоны полученных аппроксимаций линейной регрессии были нанесены на график в зависимости от их соответствующих значений емкости C 1 для диапазона C 1 значений емкости от 0 до 150 Ф / см ионная сила (0,1 M, 0,3 M и 0,5 M) для TiO 2 , Ta 2 O 5 и Al 2 O 3 , как показано на рисунке 4. Подгонка полинома девятого порядка была применяется к каждому набору данных со значениями R 2 , превышающими 0.999 на любую посадку.

Абсолютная чувствительность металлооксидного электрода уменьшается с увеличением значений емкости. C 1 значений емкости. Чувствительность быстро падает с 0 до 10 Ф / см 2 с последующим постепенным падением с увеличением емкости. Падение чувствительности увеличивается при более низких значениях ионной силы для трех оксидов металлов. Регрессия подходит для трех значений ионной силы (0,1 M, 0,3 M и 0,5 M), которые пересекаются при низком значении емкости с соответствующей чувствительностью pH 59.1080, 59,1081, 59,1075 и 59,1050 мВ / pH для TiO 2 , Ta 2 O 5 ( N с = 10), Ta 2 O 5 ( N s = 12) и Al 2 O 3 соответственно. Точные значения емкости C 1 , при которых достигается эта инвариантная чувствительность, представлены в таблице 3. Нет изменений в чувствительности по оксидам металлов и предельных вариаций в значениях емкости C 1 .Также можно заметить, что среди трех оксидов металлов Ta 2 O 5 ( N s = 10) испытывает наибольшее падение чувствительности во всем диапазоне емкости с уменьшением на 13,869 мВ / pH в диапазоне C 1 емкость по сравнению с Ta 2 O 5 ( N с = 12) с уменьшением на 12,712 мВ / pH, TiO 2 с снижение на 11,021 мВ / pH, а Al 2 O 3 с уменьшением на 7.041 мВ / pH.

9023 9023 9023 9023 9023 9356 9356 Ta темп.


MO x Электролит Метод отжига N s с pHpzc C 1 × 10 –6 (Ф / см 2 ) Расчетная абсолютная чувствительность к pH (мВ / pH) Экспериментальная абсолютная чувствительность к pH (мВ / pH) % разница между расчетными и экспериментальными результатами

RuO 2 KCl High temp.(негидратированный) 12,6 55,2 5,526 0,0140 59,1082 57,0 [11] 3,699
Высокая темп. (негидратированный) 17,6 55,2 5,527 0,0197 59,1094 60,69 [10] 2,604

4 50 3.922 298,53 34,6144 35,3 [12] 1,942
Высокая температура. 6 ​​ 50 3,930 423,93 36,5067
Низкая темп. 10 25 4,594 0,00686 59.1081 59,0 [9] 0,183
Низкая темп. 12 25 4.594 0,0124 59,1075 59,0 [9] 0,182

TiO 2 KCl Высок. Темп. 2,7 80 5,294 322,46 30,0011 30,0 [8] 0,004
Высок. 5 80 5,283 518,7 33,9604
Высок. 7 35 5,618 728,21 35,5242 37,73 [65] 5,846
Низкая темп. 12,5 35 5,733 0,0175 59,105 58,21 [64] 1,538

Al 9023 9023 9023 9023 12,04 10,43 8,645 0.0247 59.105
Высокая темп. 1,3 10,43 8,777 130,83 29,6951

Анализ, аналогичный к вышеупомянутой температуре что абсолютные наклоны аппроксимации линейной регрессии ξ в зависимости от анализа pH были нанесены на график против их соответствующих значений емкости C 1 для различных ионных сил (0.1 M, 0,3 M и 0,5 M) для RuO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 и Al 2 O 3 , как показано на рисунках 5 и 6. Тот же полином Подгонка девятого порядка применялась к каждому набору данных со значениями R 2 , превышающими 0,999 для каждого подбора.

Аналогично фазе, подвергшейся низкотемпературному отжигу, абсолютная чувствительность металлооксидного электрода уменьшается с увеличением выбора значения емкости для фаз после высокотемпературного отжига.RuO 2 демонстрирует поведение, подобное его аналогам в низкотемпературной отожженной фазе, в том, что наблюдается большее снижение чувствительности с увеличением выбора значения емкости для более низкой ионной силы электролита и точки инвариантности чувствительности по Нернстану 59,1094 мВ / pH для низкой емкости C 1 . Это ожидается из-за его высокой плотности центров [42, 66] даже в его высокотемпературной отожженной рутиловой фазе по сравнению с другими оксидами металлов, такими как TiO 2 [59].Его исключительная чувствительность к pH по сравнению с другими оксидами металлов отмечена многими экспериментаторами [10, 11]. Как и ожидалось, гидратированный электрод из RuO 2 показал незначительное улучшение чувствительности на 0,0012 мВ / pH по сравнению с негидратированным электродом из RuO 2 . Об этом улучшении также сообщалось в литературе, хотя наблюдается большее улучшение чувствительности, составляющее около 3 мВ / pH. Процедура изготовления может влиять на несколько факторов, таких как точечные и поверхностные дефекты на электроде, которые могли способствовать наблюдаемой повышенной чувствительности.TLM и определение K 1 и K 2 включают только два параметра ( N s и), которые отражают процесс изготовления, и, таким образом, ожидаются незначительные отклонения от литературных значений. . Тем не менее, как теоретически полученные, так и приведенные в литературе значения чувствительности близки к нернтовскому значению.

Для других оксидов металлов наблюдается поведение, противоположное поведению низкотемпературной отожженной фазы, поскольку наблюдается большее снижение чувствительности к pH с увеличением выбора значения емкости для более высокой ионной силы электролита.Кроме того, точка инвариантности чувствительности к pH наблюдается при гораздо более высоких емкостях C 1 . Следовательно, чувствительность к pH для этих оксидов металлов в этой фазе является субнернстанской.

Для TiO 2 и Ta 2 O 5 было замечено, что изменение N s оказало влияние на чувствительность к pH. Более низкое значение N s привело к более низкой чувствительности к pH и значению C 1 .Чувствительность для TiO 2 варьировалась от 30,0 до 35,5 мВ / pH для C 1 в диапазоне от 322 до 728 Ф / см 2 для увеличения значений N s значений. Опытный прогон с более низкой плотностью участков для Ta 2 O 5 имел чувствительность к pH 34,6 мВ / pH и значение C 1 , равное 299 Ф / см 2 , в то время как запуск с более высокой плотностью участков имел Чувствительность к pH 36,5 мВ / pH и значение C 1 424 F / см 2 .Единственный эксперимент, проведенный для Al 2 O 3 , дал чувствительность к pH 29,7 мВ / pH при значении C 1 131 Ф / см 2 . Результаты показывают, что среди фаз высокотемпературного отжига Al 2 O 3 является наименее чувствительным датчиком pH, за ним следуют TiO 2 и Ta 2 O 5 . Результаты этих анализов вместе с их ближайшими соответствующими экспериментальными значениями чувствительности, полученными из литературы, представлены в таблице 3.Чувствительность, полученная с помощью модели, в целом находится в диапазоне значений, указанных в литературе. Для Ta 2 O 5 чувствительность, полученная с помощью модели, находилась в нижнем диапазоне литературных значений. Различия между теоретической и экспериментальной чувствительностью можно объяснить потенциальными дефектами, присутствующими в электроде. Эти дефекты могут действовать как потенциальные сайты для присутствия гидроксильных групп, что приводит к увеличению плотности сайтов и, таким образом, к увеличению чувствительности.Процедура изготовления может влиять на несколько факторов, которые не учитываются этой моделью. Это, в свою очередь, может вызвать незначительные отклонения от литературных значений.

При увеличении эффекта емкости C 1 реакции переноса ионов (протонирование / депротонирование) имеют тенденцию быть менее эффективными в отражении изменения pH в растворе электролита. Это связано с тем, что большая емкость C 1 эффективно действует как барьер для свободного переноса ионов между поверхностью электрода и α-слоем.Поскольку изменения pH происходят в объеме раствора электролита, а реакции переноса ионов происходят на поверхности электрода, большая емкость C 1 на границе раздела не позволит большей части ионов, присутствующих в объеме электролита, достичь поверхность электрода. Это привело бы к тому, что более низкая концентрация ионов в объеме могла бы принимать участие в реакциях протонирования / депротонирования, которые происходят на поверхности электрода, что привело бы к более низкой чувствительности, наблюдаемой с увеличением эффекта емкости C 1 .Поведение большего снижения чувствительности к pH с увеличением емкости C 1 для более низких ионных сил электролита, наблюдаемое для низкотемпературных отожженных фаз, контрастирует с тем же поведением, наблюдаемым с более высокими ионными силами электролита для высокотемпературных отожженных фаз. Это служит полезным критерием для определения того, будет ли инвариантная чувствительность pH иметь место при более низкой емкости C 1 или при более высоком выборе емкости C 1 .Когда большее снижение чувствительности к pH наблюдается для более низких ионных сил электролита, это указывает на то, что инвариантная чувствительность к pH, вероятно, будет найдена при выборе низкой емкости C 1 . Напротив, большее снижение чувствительности к pH, наблюдаемое для более высоких ионных сил электролита, указывает на то, что инвариантная чувствительность к pH, вероятно, будет обнаружена при выборе более высокого значения емкости C 1 . Следовательно, значение емкости C 1 необходимо изменять в более широком диапазоне для определения этой чувствительности.Следует отметить, что чувствительность, полученная в результате этого анализа, находится в хорошем соответствии с опубликованными результатами экспериментов, проведенных, как показано в таблице 3. Экспериментаторы, которые использовали методы высокотемпературного отжига (более 850 ° C), такие как трафаретная печать, для изготовления своего металла. оксидные электроды наблюдали субнернстианскую чувствительность к pH для неидеальных электродов MO X .

Наблюдение за неизменным значением чувствительности pH в отношении ионной силы электролита при низком значении емкости для трех различных оксидов металлов в фазе низкотемпературного отжига указывает на то, что эта фаза допускает накопление низкой C 1 емкости.Это, в свою очередь, позволяет наблюдать высокую чувствительность по Нернстану в этих фазах, что согласуется с экспериментальными результатами [9, 64]. Тот факт, что Al 2 O 3 проявляет поведение, подобное поведению двух других оксидов металлов с точки зрения характеристик чувствительности в фазе низкотемпературного отжига, кажется значительным, поскольку это может позиционировать Al 2 O 3 в качестве другого альтернативного материала для датчиков pH из оксидов металлов.

Субнернстанская чувствительность к pH, наблюдаемая в высокотемпературных отожженных фазах, за исключением RuO 2 , указывает на то, что поверхностная плотность участков ( N s ) оказывает значительное влияние на чувствительность Датчик pH.Также можно было заметить, что среди оксидов металлов, подвергнутых высокотемпературному отжигу, за исключением RuO 2 , большее значение N s приводит только к незначительному улучшению чувствительности к pH, но к значительному увеличению C 1 накопление емкости. Это очевидно из наблюдения, где увеличение N s для системы Ta 2 O 5 с 4 до 6 сайтов / нм 2 приводит к увеличению чувствительности pH 5.5% с 34,6 до 36,5 мВ / pH, но увеличение емкости C 1 на 42% с 298,5 до 423,9 Ф / см 2 . Это означает, что не только N s играет роль в чувствительности датчика pH, но также и накопление емкости C 1 . Точная роль N s , влияющая на накопление емкости C 1 и, следовательно, чувствительность к pH, заслуживает дальнейшего изучения.

5.3. Потенциометрический анализ на основе предложенной инженерной модели

На рисунках 7–9 показан общий потенциал электрода в зависимости от pH в различных фазах и различных оксидах металлов на основе емкости C 1 , полученной на основе инженерной модели с инвариантной ионной силой электролита, предложенной в данном документе. Работа. Было показано уравнение аппроксимации линейной регрессии. Наклон уравнения представляет собой чувствительность соответствующей системы MO X . R 2 , значение 1. Напротив, оставшиеся после высокотемпературного отжига фазы на рисунках 7 (c), 7 (d) и 8 имеют несколько более низкое значение R 2 в диапазоне от 0,9784 до 0,9947. . Это особенно заметно при численных прогонах с более низкими значениями N s , такими как на рисунках 8 (b) и 8 (c).Это отклонение от линейности более заметно в точках данных, взятых около pHpzc соответствующих оксидов металлов, которые составляют 3,9 для Ta 2 O 5 , 5,3–5,7 для TiO 2 и 8,8 для Al 2 O 3 . Точка pHpzc является важным параметром, определяющим сродство поверхности электрода к ионам в электролите [67].

В точке pHpzc чистый заряд поверхности электрода равен нулю. В диапазонах низких значений pH (кислотный режим), когда pH раствора ниже pHpzc, поверхность электрода заряжена положительно.Напротив, в более высоких диапазонах pH (основной режим) поверхность электрода заряжена отрицательно [68]. Наблюдается, что кислотный и основной режимы вдали от точки pHpzc имеют более линейную тенденцию, за заметным исключением для Al 2 O 3 , где кислотный режим имеет тенденцию демонстрировать отклонение от линейности.

Эти результаты показывают, что более высокая плотность участков, помимо улучшения величины чувствительности, также обеспечивает постоянство чувствительности в диапазоне pH от 2 до 11.Напротив, более низкая плотность сайтов приводит к меньшей чувствительности в непосредственной близости от pHpzc, чем в кислых и щелочных режимах. Следовательно, при использовании этих оксидов металлов крайне важно найти pHpzc материала оксида металла и определить, находится ли оно в пределах диапазона pH, представляющего интерес для условий конечного использования этого датчика pH.

6. Заключение и дальнейшая работа

Одним из основных препятствий при применении TLM в контексте оценки чувствительности датчиков pH является независимое определение емкости внутреннего слоя Гельмгольца C 1 .В этой работе мы предложили новую методологию для теоретической оценки чувствительности датчиков pH, которая эффективно решает эту проблему путем определения инвариантной точки концентрации электролита в реакции чувствительности на тенденции изменения C 1 . Соответствующее значение C 1 и чувствительность pH в этой точке инвариантности можно рассматривать как характеристики MO X . Процентное различие между расчетными и экспериментально наблюдаемыми значениями было менее 6% для трех MO X (RuO 2 , TiO 2 и Ta 2 O 5 ) и методов отжига, где такая экспериментальная чувствительность были доступны.Как наблюдали для TiO 2 и Ta 2 O 5 , процентная разница между значениями была ниже (менее 2%) для методов низкотемпературного отжига по сравнению с методами высокотемпературного отжига. Последовательное и близкое соответствие определенной таким образом чувствительности pH с экспериментально наблюдаемыми значениями для различных MO X подтверждает правильность методологии и ее полезность.

Предлагаемая инженерная модель и методология различают характеристики различных фаз оксидов металлов путем выбора подходящей поверхностной плотности гидроксильных центров и диэлектрической проницаемости.Таким образом, можно теоретически оценить характеристики металлооксидных электродов, изготовленных различными методами, а именно высокотемпературным и низкотемпературным отжигом. Методы низкотемпературного отжига обеспечивают более высокую плотность центров, что приводит к более высоким значениям чувствительности к pH, в то время как методы высокотемпературного отжига обеспечивают более низкие плотности центров, что приводит к более низкой чувствительности к pH. Это было очевидно из того факта, что чувствительность неплатиновой группы MO X , таких как TiO 2 и Ta 2 O 5 , полученных методами низкотемпературного отжига, по прогнозам, была близка к чувствительности по Нернстану 59 .1050 и 59,1081 мВ / pH. За исключением RuO 2 , «активная» платиновая группа MO X (чувствительность 59,1082 мВ / pH) и другая проанализированная MO X (TiO 2 и Ta 2 O 5 ), изготовленные методами высокотемпературного отжига, по прогнозам, имели субнернстианскую чувствительность 30,0011 и 34,6144 соответственно. Эти выводы, сделанные путем применения модели к трем различным оксидам металлов, а именно, RuO 2 , TiO 2 и Ta 2 O 5 , согласуются с экспериментальными наблюдениями, найденными в литературе.

Модель также была применена к относительно менее исследованному материалу Al 2 O 3 в контексте потенциометрических датчиков pH. Низкотемпературный отжиг Al 2 O 3 является перспективным в качестве жизнеспособного электродного материала с прогнозируемой чувствительностью по Нернстану 59,105 мВ / pH, которая может быть подтверждена экспериментально в будущем. Это потенциально значительный результат, поскольку Al 2 O 3 широко доступен и значительно дешевле по сравнению с другими платиновыми группами MO X , традиционно используемыми для изготовления электродов датчиков.Напротив, высокотемпературный отожженный Al 2 O 3 с прогнозируемой субнернстанской чувствительностью 29,6951 мВ / pH демонстрирует характеристики, аналогичные характеристикам других неплатиновых групп MO X , таких как TiO 2 и Ta 2 O 5 .

Предложенная инженерная модель помогает в проведении целенаправленных экспериментов в этой области. Дальнейшее исследование влияния плотности участков при использовании различных методов изготовления поможет лучше оценить чувствительность электрода к pH.Эта работа может быть расширена для исследования характеристик чувствительности смесей смешанных оксидов металлов. Также может быть проведено исследование взаимосвязи между поверхностной плотностью участков и внутренней емкостью Гельмгольца C 1 , поскольку эти два параметра являются основными факторами, влияющими на чувствительность к pH.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Sreemagal Computers (грант № SC / 2020-21 / Sensors / 284060626574) из Sreemagal Science Foundation, Ченнаи, Индия.

Сравнение химической стабильности и коррозионной стойкости пленок оксидов металлов IV группы, образованных термическим и плазменным осаждением атомных слоев

Состав, морфология и структура

Химический состав всех образцов TALD и PEALD на Si после осаждения был исследован методом XPS, как видно на рис.1. Сильные дублетные пики Ti 2p (a), Zr 3d (b) и Hf 4f (c) с соответствующей энергией расщепления 5,7, 2,4 и 1,7 эВ, а также сильные O Сигнал 1s при 529,83 эВ (d, показывает только TALD и PEALD HfO 2 ) подтверждает образование пленок TiO 2 , ZrO 2 и HfO 2 от TALD и PEALD. Здесь слабый пик O 1s при 531,73 эВ может происходить от поверхностного адсорбционного кислорода пленок HfO 2 .

Рисунок 1

Узкое сканирование Ti 2p , Zr 3d и Hf 4f Спектры РФЭС после осаждения TALD и PEALD ( a ) TiO 2 , ( b ) ZrO 2 и ( c ) HfO 2 пленок на Si. ( d ) Типичные XPS-спектры O 1s XPS после осаждения пленок TALD и PEALD HfO 2 на Si.

После отжига при 600 ° C в РФЭС-спектрах пленок ZrO 2 и HfO 2 на Si не наблюдается явных изменений.Однако обнаружено, что после термообработки 450 ° C и 900 ° C сигнал Si 2p появляется на поверхности пленок TiO 2 / Si. На рис. 2 (а) представлены Si 2p-XPS-спектры с узким сканированием на поверхности отожженных пленок TALD- и PEALD-TiO 2 после осаждения при 450 и 900 ° C. На поверхности осажденных образцов TALD и PEALD сигнал Si 2p не обнаруживается. После отжига при 450 ° C на обоих образцах наблюдаются пики Si 2p при 101,98 эВ, связанные с химической связью Ti-O-Si. При дальнейшем повышении температуры отжига до 900 ° C пики Si 2p смещаются в сторону более высокой энергии связи 102.48 эВ, что указывает на то, что больше Si от подложки диффундирует на поверхность пленки TiO 2 и производит больше силиката Ti 23,24 .

Рис. 2

( a ) Si 2p-XPS-спектры узкого сканирования после осаждения при 200 ° C, 450 ° C и 900 ° C отожженных пленок TALD и PEALD TiO 2 , поверхность на Si. Профили глубины XPS для ( b ) после осаждения при 200 ° C, ( c ) 450 ° C и ( d ) 900 ° C отожженных пленок TALD-TiO 2 на Si с использованием ионов Ar + травление.

Данные по составу XPS подтверждают, что атомное соотношение Si: Ti на поверхности пленки составляет 0,25: 1,00 при 450 ° C и 0,31: 1,00 при 900 ° C для образцов TALD, а на поверхности образцов PEALD атомное соотношение Si : Ti составляет 0,28: 1,00 при 450 ° C и 0,55: 1,00 при 900 ° C, соответственно. Содержание элемента Si на поверхности отожженных пленок TiO 2 довольно велико, поэтому анализ глубины XPS на отожженных пленках TALD TiO 2 после осаждения при 450 и 900 ° C проводился с помощью 1000 эВ Ar . Распыление ионов + , чтобы прояснить источник Si, как показано на рис.2 (б – г). Атомное процентное содержание различных элементов регистрировалось каждые 60 с, а скорость травления составляла около 0,56 Å / с. Сигнал Si практически отсутствует для поверхности пленки TiO 2 после осаждения, но на отожженной поверхности пленки TiO 2 отчетливо можно наблюдать ~ 5 ат.% Si. После первого процесса травления содержание Si резко уменьшается до нуля с увеличением содержания Ti и O, соотношение которых составляет 1,8 ~ 2,1, что в основном согласуется со стехиометрическим TiO 2 . Когда доходит до 420 с, Si начинает появляться и постепенно увеличивается, а содержание Ti и O становится низким.Межфазный диффузионный слой (TiO 2 ) m (SiO 2 ) n образуется между пленками TiO 2 и подложкой Si, поскольку пленка TiO 2 термодинамически нестабильна на подложке Si, которая легко диффундирует. в пленку и вступает в реакцию с TiO 2 во время термической обработки, в результате чего образуется силикат Ti 25,26 . Кроме того, с повышением температуры отжига толщина межфазного диффузионного слоя становится больше, что можно проверить с помощью следующего измерения толщины.

FTIR-спектры также использовались для получения информации о химических группах TALD-образцов до и после термического отжига, как показано на рис. 3. Образец после осаждения показывает связь Ti-O при 614 см -1 с Ti-Cl связь на 811 см -1 , связь C-Cl на 739 см -1 и связь C-OH на 1108 см -1 , что указывает на остаток хлора в пленке от предшественника TiCl 4 и поверхностного загрязнения органическим углеродом из-за более низкой температуры осаждения 200 ° C.Помимо связи Ti-O, пленки TiO, отожженные при 450 ° C и 900 ° C 2 , все еще демонстрируют моды Ti-O-Si и Si-O 1024 см −1 и 1148 см −1 с исчезновением связей Ti-Cl, C-Cl и C-OH, подтверждая диффузию элемента Si в пленки и удаление остатка Cl и органического компонента после высокотемпературного отжига.

Рис. 3

FTIR-спектры отожженных пленок TALD TiO 2 после осаждения при 200 °, 450 ° C и 900 ° C.

СЭМ и АСМ были проведены для характеристики морфологии поверхности пленки.Кроме того, толщину пленки можно определить с помощью спектроскопической эллипсометрии и изображений поперечного сечения, полученных с помощью СЭМ. Толщина осажденных и отожженных пленок TALD и PEALD TiO 2 , ZrO 2 и HfO 2 по результатам спектроскопической эллипсометрии перед химическим тестом сведена в Таблицу 1. Очевидно, пленки ZrO 2 и HfO 2 становятся разжижается после отжига, что можно объяснить удалением кислородных вакансий и уплотнением пленок. Однако пленки TiO 2 становятся толще после термической обработки, особенно для образцов с температурой 900 ° C с заметным увеличением толщины.Этот результат также подтверждается изображениями поперечного сечения пленок TALD TiO 2 на Si-подложке, полученных с помощью FESEM, как показано на рис. 4.

Таблица 1 Толщина осажденного и отожженного TiO 2 , ZrO 2 и Пленки HfO 2 , полученные методами TALD и PEALD методом спектроскопической эллипсометрии. Рис. 4

Изображение поперечного сечения пленок TALD TiO 2 , полученных методом FESEM, перед химическим тестом. ( a ) после осаждения при 200 ° C. ( b ) Отжиг при 450 ° C.( c ) 900 ° C отжиг.

Фиг. 5 представляет собой АСМ изображения осажденных и отожженных пленок TALD и PEALD TiO 2 . Благодаря преимуществу технологии ALD, однородности большой площади, пленки после осаждения при температуре 200 ° C и после отжига при температуре 450 ° C имеют небольшую шероховатость со среднеквадратичным значением 0,2 нм, особенно для образцов, сформированных методом TALD. Как видно из рис. 5 (c, f), после 3-часового отжига при 900 ° C в атмосфере N 2 морфология поверхности пленок TALD- и PEALD-TiO 2 сильно изменилась с ростом мелких частиц. и сбор, шероховатость поверхности увеличилась до 1.8 нм и 3,1 нм соответственно. Обычно термическая обработка при высокой температуре может увеличить размер зерна в пленках, что приведет к лучшей кристалличности. Дальнейшее обсуждение структуры образцов будет проводиться в соответствии с данными XRD и XPS.

Рис. 5

АСМ-изображения осажденных и отожженных пленок TALD и PEALD TiO 2 . TALD: ( a ) после осаждения при 200 ° C, ( b ) отжиг при 450 ° C и ( c ) отжиг при 900 ° C; PEALD: ( d ) после осаждения при 200 ° C, ( и ) отжиг при 450 ° C и ( f ) отжиг при 900 ° C.

Аналогичным образом, АСМ-изображения осажденных и отожженных пленок TALD ZrO 2 и HfO 2 представлены на рис. 6. После отжига 600 ° C пленки ZrO 2 имеют относительно плоские поверхности (RMS: 1,42). нм) без легко узнаваемых зерен, что указывает на плохую кристалличность. Паттерн GIXRD на рис. 7 (b) также подтверждает это. В то время как отожженные при 600 ° C пленки HfO 2 содержат довольно много частиц размером 20 ~ 30 нм с улучшенным среднеквадратичным значением 2,56 нм. Результат XRD на рис. 7 (c) показывает, что образовалась стабильная моноклинная фаза HfO 2 .

Рис. 6

АСМ-изображения осажденных и отожженных пленок TALD ZrO 2 и HfO 2 . ( a , c ) As, осажденные при 250 ° C; ( b , d ) Отжиг при 600 ° C.

Рис. 7

Образцы GIXRD после осаждения и отжига ультратонких пленок TALD TiO 2 , ZrO 2 и HfO 2 .

Из-за меньшей толщины пленок оксидов металлов, нанесенных методом ALD, для фазового анализа был введен GIXRD с помощью синхротронного излучения.На рис. 7 показаны диаграммы GIXRD для ультратонких пленок TALD TiO 2, ZrO 2 и HfO 2 после осаждения и отжига. Осажденные образцы TiO 2 при 200 ° C на рис. 7 (а) являются аморфными без каких-либо дифракционных пиков. Образцы, отожженные при 450 ° C, показывают относительно более сильный (101) пик при 25,2 ° и слабые пики (004), (200), (105) и (211), которые могут быть отнесены к фазе анатаза. Кроме того, широкий пик при 27,5 ° соответствует слабой фазе рутила. Таким образом, смесь основной фазы анатаза и слабой фазы рутила существует в пленках TiO 2 при 450 ° C.Тем не менее, после отжига при 900 ° C кристалличность пленки TiO 2 ухудшается, что подтверждается уменьшением интенсивности пика (101) и исчезновением некоторых слабых пиков. Сообщалось, что TiO 2 образует фазу анатаза при термической обработке при температуре от 300 до 500 ° C, а затем превращается в структуру рутила при отжиге при температуре выше 800 ° C 27 . Здесь очевидное фазовое несоответствие можно объяснить сильной диффузией Si между ультратонкими пленками TiO 2 и подложкой Si, что приводит к межфазному диффузионному слою и плохой кристалличности TiO 2 .Между тем, пленки TiO 2 , легированные кремнием, также предотвращают преобразование фазы анатаза в фазу рутила. Результаты XRD хорошо согласуются с упомянутыми выше анализами XPS и FTIR.

Сравнивая GIXRD-картины пленок ZrO 2 и HfO 2 после 10-минутного RTA при 600 ° C (рис. 7 (b, c)), очевидно, что пленки HfO 2 изменились с аморфной на моноклинную фазу с резкими пики. Расчетный размер зерна составляет 23,3 нм по уравнению Шерера, что согласуется с наблюдениями АСМ.Хотя при тех же условиях отжига, кристалличность пленок ZrO 2 не так хороша, как у HfO 2 , а слабый и широкий пик диффузии при 30,5 ° указывает на тенденцию кристалличности.

Химическая стабильность в химических жидких средах

Для изучения антикоррозионных свойств оксидов металлов IV группы мы погрузили часть образцов TALD и PEALD сразу после осаждения и отжига в различные химические жидкие среды с диапазоном значений pH, включая кислотные. растворов (1 моль / л H 2 SO 4 , 1 моль / л HCl), щелочного раствора (1 моль / л KOH) и нейтральных растворов (1 моль / л KCl, 18 МОм чистой воды).Толщина пленки определялась с помощью спектроскопической эллипсометрии через определенные промежутки времени. На рисунке 8 показана зависимость изменения толщины от времени погружения для всех пленок TALD / PEALD-TiO 2 после осаждения и после отжига в различных химических средах, чтобы оценить влияние метода отжига и осаждения на стойкость TiO к травлению. 2 фильмов.

Рис. 8

Изменение толщины в зависимости от времени погружения для всех пленок TALD / PEALD TiO 2 после осаждения и после отжига в различных химических жидких средах: ( a ) 1 моль / л / л 2 SO 4 , ( b ) 1 моль / л HCl, ( c ) 1 моль / л KOH, ( d ) 1 моль / л KCl и ( e ) 18 МОм воды.

С точки зрения изменения толщины пленки тонкие пленки TiO 2 в щелочных и нейтральных растворах 1 моль / л KOH и 1 моль / л KCl очень стабильны, и толщина пленки практически не изменилась, даже если -осажденные при 200 ° C без пост-отжига, как показано на рис. 8 (c, d). На рис. 8 (e), образцы TiO 2 после осаждения и отожженные при 450 ° C в воде 18 МОм показывают небольшое увеличение толщины из-за роли гидратации; после 900 ° C после отжига толщина пленки остается постоянной.

Однако осажденные тонкие пленки TiO 2 нестабильны в кислых растворах с медленным растворением во время погружения, что приводит к визуальному изменению цвета отражения пленок. Скорости травления в 1 моль / л H 2 SO 4 и 1 моль / л HCl на рис. 8 (a, b) приведены в таблице 2.

Таблица 2 Скорости травления TALD- и PEALD-TiO 2 пленок в 1 моль / л H 2 SO 4 и 1 моль / л HCl.

Очевидно, водный раствор H 2 SO 4 более коррозионный по отношению к пленкам TiO 2 в момент осаждения, чем раствор HCl при той же молярной концентрации, потому что серная кислота является бинарной сильной кислотой, которая может ионизировать вдвое количество H + соляной кислоты однократной.Более того, скорость травления образцов PEALD после осаждения в кислоте снижается примерно на 41% по сравнению с образцами TALD после осаждения, что можно объяснить тем фактом, что образцы, полученные из PEALD, имеют повышенную плотность пленки и более низкую концентрацию примесей из-за O 2 более высокая поверхностная реактивность плазмы, чем только процесс с тепловой энергией 28 .

После отжига при 450 ° C и 900 ° C в течение 3 часов химическая стабильность ультратонких пленок TALD и PEALD TiO 2 на Si значительно улучшилась при почти неизменной толщине в сильнокислых растворах в течение 20-дневного периода испытаний (рис.8 (а, б). Как описано выше на рис. 2 и 7 (а), результаты РФЭС и РФА подтверждают, что более длительный отжиг при 450 ° C и 900 ° C в течение 3 часов вызывает диффузию Si в пленки TiO 2 с образованием аморфного Ti- силикат, содержащий частичный кристаллический анатаз TiO 2 основная фаза. Аморфный силикат Ti и кристаллический TiO 2 демонстрируют лучшие характеристики защиты от кислотной коррозии, чем аморфный TiO 2 . В частности, формирование ультратонких слоев TiO 2 , легированных 5% Si, на поверхности образцов на рис.2 (c, d) также играет важную роль в повышении кислотостойкости.

Зависимость изменения толщины от времени погружения для всех пленок TALD / PEALD-ZrO 2 после осаждения и после отжига в различных химических средах представлена ​​на рис. 9. За исключением пленок TALD ZrO 2 после осаждения, растворение в 1 моль / л HCl со скоростью травления 1,06 нм / день все остальные образцы ZrO 2 демонстрируют лучшую стабильность в различных водных средах в течение всего 20-дневного испытания, включая отожженные образцы TALD и все образцы PEALD.В данном случае влияние PEALD гораздо более значимо без какого-либо травления, чем в случае TiO 2 плазма O 2 содержит больше реакционноспособных радикалов и ионов, благоприятных для роста устойчивых к коррозии пленок ZrO 2 . Между тем отжиг при высокой температуре может удалить остаточные примеси в пленках, что приведет к тенденции к уплотнению и кристаллизации пленок ZrO 2 . Это оказывает положительное влияние на улучшение антикоррозионных свойств пленок ZrO 2 , как показано на рис.9 (б).

Рисунок 9

Изменение толщины в зависимости от времени для всех 250 ° C после осаждения и 600 ° C-отожженных пленок TALD / PEALD-ZrO 2 в различных химических жидких средах: ( a ) 1 моль / л · ч 2 SO 4 , ( b ) 1 моль / л HCl, ( c ) 1 моль / л КОН и ( d ) 18 МОм вода.

На рисунке 10 показаны характеристики защиты от травления всех пленок TALD и PEALD HfO 2 в различных химических жидких средах. Среди трех видов оксидов металлов IV группы пленки HfO 2 могут быть лучшим кандидатом в качестве барьерного слоя в щелочных средах, потому что после длительного погружения в любые кислотные, щелочные и нейтральные растворы все образцы HfO 2 показывают Незначительное изменение толщины, независимо от TALD и PEALD или до и после отжига.Итак, мы выбрали пленки HfO 2 в качестве одного кандидата для дальнейшего изучения коррозионной стойкости с помощью электрохимических измерений.

Рис. 10

Изменение толщины в зависимости от времени для всех пленок TALD / PEALD-HfO 2 после осаждения при 250 ° C и отожженных при 600 ° C в различных химических жидких средах: ( a ) 1 моль / л · ч 2 SO 4 , ( b ) 1 моль / л HCl, ( c ) 1 моль / л КОН и ( d ) 18 МОм воды.

Электрохимический результат

Мы нанесли 300 циклов пленки HfO 2 (толщиной ~ 36 нм) на нержавеющую сталь 304 (304 SS) с помощью TALD и PEALD.Сообщалось, что антикоррозионные свойства тонких пленок ALD Al 2 O 3 на стали могут быть улучшены с помощью предварительной плазменной обработки H 2 –Ar 29 . В нашем эксперименте 304 SS обрабатывали in-situ 50 с H 2 -Ar плазменным импульсом перед нанесением HfO 2 , чтобы изучить эффект предварительной обработки H 2 .

Поляризационные кривые и графики Боде для данных EIS, измеренных в OCP для 304 SS без покрытия и с покрытием в 1 моль / л KCl, показаны на рис.11. На поляризационных кривых каждого образца можно наблюдать только пик потенциала коррозии, что указывает на то, что покрывающие пленки HfO 2 электрохимически инертны 30 . По сравнению с чистой 304 SS, потенциал коррозии (E corr ) нержавеющей стали 304 с покрытием TALD и PEALD-HfO 2 с предварительной обработкой плазмой H 2 и без нее смещается в сторону более отрицательного потенциала, что приводит к повышению коррозионной стойкости . Плотность тока коррозии (I corr ) — еще один ключевой фактор для оценки кинетики реакции коррозии, которая обычно пропорциональна скорости коррозии и может быть получена с помощью анализа соответствия Тафеля 16,31 .Кроме того, поляризационное сопротивление (R p ) и пористость (P) рассчитаны и представлены в таблице 3 с использованием уравнений 1 и 2.

Рисунок 11

( a ) Поляризационные кривые и ( b ) графики Боде. из необработанной нержавеющей стали 304 SS без покрытия и TALD- и PEALD-HfO 2 Нержавеющая сталь 304 с покрытием с предварительной обработкой плазмой H 2 и без нее.

Таблица 3 Параметры, связанные с поляризационными кривыми на рис. 11 (a) для необработанной нержавеющей стали 304 SS и TALD- и PEALD-HfO 2 из нержавеющей стали 304 SS с предварительной обработкой плазмой H 2 и без нее.

Покрытия HfO 2 приводят к заметному снижению плотности тока коррозии (I corr ) с 1,09 × 10 −7 A / см 2 для чистой нержавеющей стали 304 до ~ 10 −10 A / см 2 с падением на три порядка. Соответственно, сопротивление поляризации (R p ) увеличивается на три порядка. Пористость (P) представляет собой номинальную долю непокрытой поверхности подложки из нержавеющей стали 304 SS, основанную на соотношении поляризационного сопротивления без покрытия HfO 2 и с ним.Чем меньше пористость (P), тем выше коррозионная стойкость. Среди всех образцов PEALD-HfO 2 , покрытый нержавеющей сталью 304 с предварительной обработкой плазмой H 2 , демонстрирует наиболее обнадеживающие антикоррозионные свойства с самым отрицательным потенциалом -0,48 В, самой низкой плотностью тока коррозии 5,25 × 10 -11 А. / см 2 , наибольшее сопротивление поляризации 3,43 × 10 8 Ом · см 2 и наименьшая пористость 0,01. Это можно приписать комбинированной роли предварительной обработки плазмы H 2 и высокой активности плазмы O 2 во время PEALD.Удаление органических загрязнений и улучшение адгезии к нержавеющей стали 304, вызванное предварительной обработкой плазмой H 2 , благоприятно сказываются на антикоррозионных свойствах 29 .

Спектры электрохимического импеданса (графики Боде) различных образцов представлены на рис. 11 (б). Свойства покрытия HfO 2 оцениваются от низкой частоты до высокой частоты. По сравнению с чистой 304 SS, все образцы 304 SS с покрытием HfO 2 демонстрируют явное увеличение общего импеданса.Кроме того, образцы из нержавеющей стали 304 SS с покрытием PEALD HfO 2 поддерживают более высокий фазовый угол в широком диапазоне частот от 10 −2 Гц до 10 5 Гц, обеспечивая лучшую защиту от коррозии. Прежде всего, электрохимические результаты, полученные с помощью LSV и EIS, подтверждают, что покрытие PEALD HfO 2 на предварительно обработанной плазмой 304 SS H 2 имеет оптимальную коррозионную стойкость.

Реакции элементов периода 3 и их оксидов

Третий период в периодической таблице представляет интересную химию в форме элементов и их оксидов, которые претерпевают множество реакций.

Период 3 Периодической таблицы

Стол — 1

Группа

1

Группа

2

Группа

3-12

Группа

13

Группа

14

Группа

15

Группа

16

Группа

17

Группа

18

Период 3 11

Na

22.99

12

мг

24,31

13

Al

26,98

14

Si

28.09

15

P

30,97

16

S

32,07

17

класс

35,45

18

Ar

39,95

Электроотрицательность: 0,9 1,2 1.5 1,8 2,1 2,5 3,0 /
Разница в электроотрицательности 2,6 2,3 2,0 1,7 1,4 1,0 0,5 /

Тенденция электроотрицательности низкая → → → → высокая

Электроотрицательность — это химическое свойство, количественная мера того, насколько сильно атом удерживает свои электроны.Тип связи в оксидах может быть определен путем оценки разницы в электроотрицательности между кислородом и элементом. Электроотрицательность кислорода 3,5. Электроотрицательность элементов периода 3 (с использованием шкалы электроотрицательности Полинга) и различия в электроотрицательности каждого элемента и кислорода показаны в таблице 1.

За период, когда мы переходим от левой стороны к правой, то есть от Na к Ar, электроотрицательность увеличивается из-за увеличения количества зарядов на ядре.

В оксидах кислород притягивает электроны к себе в гораздо большей степени, чем металлы (Na, Mg и Al), поэтому атом кислорода оттягивает электроны от атома металла, в результате чего образуются два иона: анион кислорода, O 2- ; катион металла, Na + , Mg 2+ , Al 3+ и ионные связи. Это твердые оксиды, а силы электростатического притяжения удерживают ионы кислорода и металлов в упорядоченных трехмерных структурах, решетках.

Оксиды металлов состоят из гигантских структур с сильным притяжением между ионами.Для разрушения этих аттракционов требуется много тепловой энергии, поэтому эти оксиды твердые и имеют высокие температуры плавления.

Другие элементы периода 3: Si, P, S и Cl больше похожи на кислород по электроотрицательности, поэтому электроны, составляющие связь между атомами, больше разделяются, чем притягиваются одним из них. Таким образом, эти элементы образуют ковалентную связь в своих оксидах.

SiO 2 образует твердую трехмерную сетку, называемую кремнеземом, аналогичную структуре алмаза.Кремнезем очень твердое вещество при комнатной температуре с высокой температурой плавления.

Оксиды фосфора P 4 O 10 а сера SO 2 и SO 3 и хлор — все это небольшие дискретные ковалентные молекулы. Некоторые из этих молекул индивидуальны, а некоторые — полимеры. Между этими молекулами действуют межмолекулярные силы типа дисперсионных сил Ван-дер-Ваальса или диполь-дипольных взаимодействий, и они определяют низкую температуру плавления этого типа оксидов, намного более низкую, чем у оксидов металлов.

При взаимодействии элементов с кислородом образуются продукты — оксиды.

Оксиды всех элементов периода 3, кроме Cl и Ar, могут быть получены одним и тем же методом: сжиганием элемента в воздухе в реакции горения, когда элемент вступает в реакцию с кислородом воздуха с образованием оксида элемента. Ar является благородным газом и не образует оксидов, а Cl не образует оксидов (Cl 2 O, ClO 2 , Cl 2 O 7 ), которые нестабильны и не могут быть получены этим способом.

Наблюдая период 3 Периодической таблицы слева направо, мы можем прийти к некоторым выводам:

  1. Природа связи в оксидах элементов периода 3 меняется с ионной на ковалентную.
  2. Оксиды образуют ионную решетку с ковалентной сеткой с ковалентными молекулами.
  3. Оксиды элементов периода 3 от основных до амфотерных до кислых.

Вода, хотя и очень слабый окислитель, но очень легко и быстро окисляет натрий.Полученный раствор является сильно щелочным и имеет pH 14:

.

2Na (т) + 2H 2 O → 2Na + + 2OH + H 2 (г)

Магний медленно реагирует с холодной водой, но очень экзотермически с горячей водой и паром и дает оксид:

Mg (т) + H 2 O (г) → MgO (т) + H 2 (г)

Реакции окисления:

  1. Натрий 4Na + O 2 → 2Na 2 O
  2. Магний 2Mg + O 2 → 2MgO
  3. Алюминий 2Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3
  4. Кремний Si + O 2 → S i O 2
  5. Фосфор 4P + 5O 2 → 2P 2 O 5 и 4P + 5O 2 → P 4 O 10
  6. Сера S + O 2 → SO 2 и 2S + 3O 2 → 2SO 3

Реакция трех периодических оксидов с водой будет следующей:

  1. Na 2 O (с) + H 2 O (л) → 2Na + (водн.) + 2OH (водн.)
  2. 2MgO (т) + H 2 O (л) → 2Mg 2+ (водн.) + 2OH (водн.)

Гидроксиды этого металла: NaOH и Mg (OH) 2 оба являются основаниями.

  1. Al 2 O 3 не реагирует с H 2 O, сила ионных связей, удерживающих решетку, слишком велика.
  2. SiO 2 не взаимодействует с H 2 Ковалентные связи, удерживающие атомы кремния и кислорода вместе в трехмерной решетке, слишком прочные, чтобы их могли разорвать молекулы воды.
  3. Оксиды неметаллов реагируют с водой с образованием оксикислот (кислоты, в которой кислород присоединен к неметаллу).

P 4 O 10 (с) + 6 H 2 O (л) → 4H 3 PO4 (л)

  1. Триоксид серы бурно реагирует с водой с образованием серной кислоты.

SO 2 (г) + H 2 O (л) → H 2 SO 3 (л)

SO 3 (с) + H 2 O (л) → H 2 SO 4 (л)

Итак, растворы оксидов металлов в воде проявляют свойства оснований, в то время как водные растворы оксидов неметаллов проявляют свойства кислот.

Реакция оксидов периода 3 с кислотами и основаниями и их основной, амфотерный и кислотный характер

Общая тенденция изменения кислотности в оксидах элементов 3-го периода при переходе от левого края (группа 1) к правому (группа 17):

основные оксиды (Группа 1, 2) → амфотерный оксид (Al 2 O 3 ) → кислые оксиды (оксикислоты)

Такую же тенденцию можно увидеть в каждом периоде Периодической таблицы, и мы имеем:

Основания реагируют с кислотами, например HCl:

  1. Оксид натрия реагирует с разбавленной соляной кислотой с образованием соли и воды:

Na 2 O (т.) + 2HCl (водн.) → 2NaCl (водн.) + H 2 O (л)

  1. Оксид магния реагирует с теплой разбавленной HCl с образованием соли и воды.

MgO (т.) + 2HCl (водн.) → MgCl 2 (водн.) + H 2 O (л)

  1. Реакция взаимодействия оксида алюминия и разбавленной горячей соляной кислоты с образованием хлорида алюминия и воды.

Al 2 O 3 + 6HCl (водн.) → 2AlCl 3 + 3H 2 O (л)

Оксид алюминия также реагирует с основаниями. При добавлении концентрированного раствора гидроксида натрия к оксиду алюминия образуются комплексные ионы, такие как ион тетрагидроксоалюмината:

Al 2 O 3 (т) + 2NaOH (водн.) + 3H 2 O (л) → 2NaAl (OH) 4 (водн.)

В этой реакции Al 2 O 3 действует как кислота.

Вывод: Al 2 O 3 имеет амфотерный характер.

  1. Диоксид кремния, оксид металлоида, химически очень инертен и слабокислый. Он реагирует с горячим концентрированным гидроксидом натрия с образованием силиката натрия и воды.

SiO 2 (т) + 2NaOH (л) → Na 2 SiO 3 (л) + H 2 O (г)

Поскольку все неметаллические оксиды Периода 3 являются кислотными, они реагируют с основаниями e.грамм. водный раствор гидроксида натрия в качестве основания. Оксиды фосфора реагируют с водой с образованием кислот, как мы видели, и эти кислоты могут реагировать с гидроксидом натрия в реакции нейтрализации.

  1. Тогда имеем:

H 3 PO 3 (водн.) + 3NaOH (водн.) → Na 3 PO 3 (водн.) + 3H 2 O (l)

H 3 PO 4 (водн.) + 3NaOH (водн.) → Na 3 PO4 (водн.) + 3H 2 O (л)

  1. Диоксид серы реагирует с водным раствором гидроксида натрия с образованием соли (натрия

сульфит) и вода.Триоксид серы бурно реагирует с водой с образованием серной кислоты, которая вступает в реакцию с гидроксидом натрия с образованием соли.

SO 2 (г) + 2NaOH (водн.) → Na 2 SO 3 (водн.) + H 2 O (л)

H 2 SO 4 (водн.) + 2NaOH (водн.) → Na 2 SO4 (водн.) + H 2 O (л)

Артикул:

  1. https: //en.wikibooks.org / wiki / A-level_Chemistry / AQA / Module_5 / Periodicity
  2. https://chem.libretexts.org/Core/Inorganic_Chemistry/Descriptive_Chemistry/
    Elements_Organized_by_Period / Period_3_Elements / Reactions_of_Period_3_Elements

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.