Óxidos metálicos: qué son, propiedades, nomenclatura, usos, ejemplos
¿Qué son los óxidos metálicos?
Los óxidos metálicos son compuestos inorgánicos formados por cationes metálicos y oxígeno. Generalmente comprenden un vasto número de sólidos iónicos, en los cuales el anión óxido (O2–) interacciona electrostáticamente con las especies M+. En palabras más sencillas, son los compuestos químicos que resultan de combinar un metal con oxígeno.
M+ es, así, cualquier catión que deriva del metal puro: desde los alcalinos y los metales de transición, a excepción de algunos metales nobles (como el oro, el platino y el paladio), hasta los elementos más pesados del bloque p de la tabla periódica (como el plomo y el bismuto).
En la imagen superior se muestra una superficie de hierro cubierta por costras rojizas. Dichas “costras” son lo que se conoce como herrumbre u orín, que a su vez representan una prueba visual de la oxidación del metal a raíz de las condiciones de su entorno. Químicamente, la herrumbre es una mezcla hidratada de óxidos de hierro (III).
¿Por qué la oxidación del metal trae como consecuencia la degradación de su superficie? Esto se debe a la incorporación del oxígeno dentro de la estructura cristalina del metal.
Cuando esto sucede, el volumen del metal aumenta y se debilitan las interacciones originales, provocando la ruptura del sólido. Asimismo, estas grietas permiten que más moléculas de oxígeno penetren las capas metálicas internas, carcomiendo por entero la pieza desde adentro.
Sin embargo, este proceso ocurre a distintas velocidades y depende de la naturaleza del metal (su reactividad) y de las condiciones físicas que lo rodean. Por lo tanto, existen factores que aceleran o ralentizan la oxidación del metal; dos de ellos son la presencia de humedad y el pH.
¿Por qué? Porque la oxidación del metal para producir un óxido metálico implica una transferencia de electrones. Estos “viajan” de una especie química a otra siempre y cuando el medio lo facilite, ya sea por la presencia de iones (H+, Na+, Mg2+, Cl–, etc.), que modifican el pH, o por las moléculas de agua que aportan el medio de transporte.
Analíticamente, la tendencia de un metal para formar el óxido correspondiente se refleja en sus potenciales de reducción, los cuales revelan qué metal reacciona más rápido en comparación con otro.
El oro, por ejemplo, tiene un potencial de reducción mucho mayor que el hierro, razón por la que brilla con su característico fulgor dorado sin un óxido que lo opaque.
Propiedades de los óxidos metálicos
Las propiedades de los óxidos metálicos varían de acuerdo al metal y cómo este interacciona con el anión O2–. Esto conlleva a que algunos óxidos posean mayores densidades o solubilidades en agua que otros. Sin embargo, todos tienen en común el carácter metálico, el cual se refleja inevitablemente en su basicidad.
En otras palabras: se conocen también como anhídridos básicos u óxidos básicos.
Basicidad
La basicidad de los óxidos metálicos puede comprobarse experimentalmente mediante el empleo de un indicador ácido-base. ¿Cómo? Agregando un pedazo pequeño del óxido a una solución acuosa con un poco de indicador disuelto; este puede ser el jugo licuado de la col morada.
Teniendo entonces el abanico de colores en función del pH, el óxido tornará el jugo a colores azulados, correspondientes a pH básicos (con valores entre 8 y 10). Esto se debe a que la porción disuelta del óxido libera iones OH– al medio, siendo estos en dicho experimento los responsables del cambio de pH.
Así, para un óxido MO que se solubiliza en agua, se transforma en el hidróxido metálico (un “óxido hidratado”) de acuerdo a las siguientes ecuaciones químicas:
MO + H2O => M(OH)2
M(OH)2 => M2+ + 2OH–
La segunda ecuación es el equilibrio de solubilidad del hidróxido M(OH)2. Nótese que el metal tiene carga 2+, lo que también significa que su valencia es de +2. La valencia del metal se relaciona directamente con su tendencia a ganar electrones.
De este modo, mientras más positiva sea la valencia, mayor será su acidez. En el caso de que M tuviera valencia de +7, entonces el óxido M2O7 sería ácido y no básico.
Anfoterismo
Los óxidos metálicos son básicos, sin embargo, no todos tienen el mismo carácter metálico. ¿Cómo saberlo? Ubicando el metal M en la tabla periódica. Mientras más esté a la izquierda de la misma, y en los períodos bajos, más metálico será y por tanto más básico será su óxido.
En la frontera entre los óxidos básicos y ácidos (los óxidos no metálicos) se encuentran los óxidos anfóteros. Aquí la palabra ‘anfótero’ significa que el óxido actúa tanto como base como ácido, lo que es igual a que en disolución acuosa puede formar el hidróxido o el complejo acuoso M(OH2)62+.
El complejo acuoso no es más que la coordinación de n moléculas de agua con el centro metálico M. Para el complejo M(OH2)62+, el metal M2+ está rodeado de seis moléculas de agua, y puede considerarse como un catión hidratado. Muchos de estos complejos manifiestan intensas coloraciones, como las que se observan para el cobre y el cobalto.
Nomenclatura de los óxidos metálicos
Existen tres maneras de nombrar los óxidos metálicos: la tradicional, la sistemática y el stock.
Nomenclatura tradicional
Para nombrar correctamente el óxido metálico de acuerdo a las normas regidas por la IUPAC, es necesario conocer las posibles valencias del metal M. A la mayor (la más positiva) se le asigna al nombre del metal el sufijo –ico, mientras que a la menor, el prefijo –oso.
Ejemplo: dadas las valencias +2 y +4 del metal M, sus óxidos correspondientes son MO y MO2. Si M fuera el plomo, Pb, entonces PbO sería óxido plumboso, y PbO2 el óxido plúmbico. Si el metal tiene una sola valencia, se le nombra su óxido con el sufijo –ico. Así, Na2O es el óxido sódico.
Por otro lado, los prefijos hipo- y per- se agregan cuando hay tres o cuatro valencias disponibles para el metal. De esta manera, el Mn2O7 es el óxido permangánico, debido a que el Mn tiene valencia +7, la mayor de todas.
No obstante, este tipo de nomenclatura presenta ciertas dificultades y suele ser la menos utilizada.
Nomenclatura sistemática
En ella se consideran el número de átomos de M y oxígeno que conforman la fórmula química del óxido. A partir de ellos, se le asignan los correspondientes prefijos mono-, di-, tri-, tetra-, etc.
Tomando como ejemplo los tres óxidos metálicos recientes, el PbO es el monóxido de plomo; el PbO2 el dióxido de plomo; y el Na2O el monóxido de disodio. Para el caso de la herrumbre, Fe2O3, su nombre respectivo es el trióxido de dihierro.
Nomenclatura stock
A diferencia de las otras dos nomenclaturas, en esta tiene mayor importancia la valencia del metal. La valencia se especifica mediante números romanos entre paréntesis: (I), (II), (III), (IV), etc. El óxido metálico se nombra entonces como óxido de metal (n).
Aplicando la nomenclatura stock para los ejemplos anteriores se tiene:
-PbO: óxido de plomo (II).
-PbO2: óxido de plomo (IV).
-Na2O: óxido de sodio. Como tiene valencia única de +1, no se especifica.
-Fe2O3: óxido de hierro (III).
-Mn2O7: óxido de manganeso (VII).
Cálculo del número de valencia
Pero si no se cuenta con una tabla periódica con las valencias, ¿cómo se pueden determinar? Para esto hay que recordar que el anión O2– aporta dos cargas negativas al óxido metálico. A raíz del principio de la neutralidad, estas cargas negativas deben neutralizarse con las positivas del metal.
Por lo tanto, si se conoce por la fórmula química el número de oxígenos, podrá determinarse algebraicamente la valencia del metal para que la suma de las cargas dé cero.
El Mn2O7 tiene siete oxígenos, entonces sus cargas negativas son iguales a 7x(-2)= -14. Para neutralizar la carga negativa de -14, los manganesos deben aportar +14 (14-14=0). Planteando la ecuación matemática se tiene entonces:
2X – 14= 0
El 2 proviene del hecho de que hay dos átomos de manganeso. Resolviendo y despejando X, la valencia del metal:
X= 14/2= 7
Es decir que cada Mn tiene valencia de +7.
¿Cómo se forman los óxidos metálicos?
La humedad y el pH influyen directamente en la oxidación de los metales en sus óxidos correspondientes. La presencia del CO2, óxido ácido, puede disolverse lo suficiente en el agua que cubre la pieza metálica para acelerar la incorporación del oxígeno en forma aniónica a la estructura cristalina del metal.
Esta reacción también puede acelerarse con un incremento de la temperatura, en especial cuando se desea obtener el óxido en poco tiempo.
Reacción directa del metal con el oxígeno
Los óxidos metálicos se forman como producto de la reacción entre el metal y el oxígeno circundante. Esta puede representarse con la ecuación química a continuación:
2M(s) + O2(g) => 2MO(s)
Esta reacción es lenta, ya que el oxígeno presenta un fuerte enlace doble O=O y la transferencia electrónica entre él y el metal es ineficiente.
Sin embargo, se acelera considerablemente con un incremento de la temperatura y el área superficial. Esto se debe a que se aporta la energía necesaria para romper el doble enlace O=O, y al haber mayor área, el oxígeno se desplaza uniformemente por todo el metal, colisionando al mismo tiempo con los átomos metálicos.
Mientras mayor sea la cantidad de oxígeno reaccionante, mayor será la valencia o número de oxidación resultante para el metal. ¿Por qué? Porque el oxígeno va arrebatando más y más electrones al metal, hasta que alcanza el número de oxidación más alto.
Esto puede apreciarse para el cobre, por ejemplo. Cuando una pieza de cobre metálico reacciona con una cantidad limitada de oxígeno se forma Cu2O (óxido de cobre (I), óxido cuproso o monóxido de dicobre):
4Cu(s) + O2(g) + Q(calor) => 2Cu2O(s) (sólido rojo)
Pero cuando reacciona en cantidades equivalentes, se obtiene CuO (óxido de cobre (II), óxido cúprico o monóxido de cobre):
2Cu(s) + O2(g) + Q(calor) => 2CuO(s) (sólido negro)
Reacción de sales metálicas con el oxígeno
Los óxidos metálicos pueden formarse a través de la descomposición térmica. Para que sea posible, una o dos moléculas pequeñas deben liberarse del compuesto inicial (una sal o un hidróxido):
M(OH)2 + Q => MO + H2O
MCO3 + Q => MO + CO2
2M(NO3)2 + Q => MO + 4NO2 + O2
Nótese que H2O, CO2, NO2 y O2 son las moléculas liberadas.
Usos de los óxidos metálicos
Debido a la rica composición de metales de la corteza terrestre y al oxígeno de la atmósfera, los óxidos metálicos se encuentran en muchas fuentes mineralógicas, de las cuales pueden obtenerse una base sólida para la fabricación de nuevos materiales.
Cada óxido metálico encuentra usos muy específicos, desde nutricionales (ZnO y MgO) hasta como aditivos de cementos (CaO), o simplemente como pigmentos inorgánicos (Cr2O3).
Algunos óxidos son tan densos, que el crecimiento controlado de sus capas puede proteger una aleación o metal de posteriores oxidaciones. Incluso, estudios han revelado que la oxidación de la capa protectora prosigue como si fuera un líquido que cubre todos los resquicios o defectos superficiales del metal.
Los óxidos metálicos pueden adoptar estructuras fascinantes, ya sea como nanopartículas o como grandes agregados poliméricos.
Este hecho los hace objeto de estudio para la síntesis de materiales inteligentes, debido a su gran área superficial, la cual se aprovecha para diseñar dispositivos que responden al menor estímulo físico.
Asimismo, los óxidos metálicos son la materia prima de muchas aplicaciones tecnológicas, desde espejos y cerámicas con propiedades únicas para los equipos electrónicos, hasta paneles solares.
Ejemplos de óxidos metálicos
Óxidos de hierro
2Fe(s) + O2(g) => 2FeO(s) óxido de hierro (II).
6FeO(s) + O2(g) => 2Fe3O4(s) óxido de hierro magnético.
El Fe3O4, también conocido como magnetita, es un óxido mixto; esto quiere decir que consiste en una mezcla sólida de FeO y Fe2O3.
4Fe3O4(s) + O2(g) => 6Fe2O3(s) óxido de hierro (III).
Óxidos alcalinos y alcalinotérreos
Tanto los metales alcalinos como los alcalinotérreos tienen un solo número de oxidación, por lo que sus óxidos son más “simples”:
-Na2O: óxido de sodio.
-Li2O: óxido de litio.
-K2O: óxido de potasio.
-CaO: óxido de calcio.
-MgO: óxido de magnesio.
-BeO: óxido de berilio (el cual es un óxido anfotérico).
Óxidos del grupo IIIA (13)
Los elementos del grupo IIIA (13) pueden formar óxidos solamente con un número de oxidación de +3. Así, tienen por fórmula química M2O3 y sus óxidos son los siguientes:
-Al2O3: óxido de aluminio.
-Ga2O3: óxido de galio.
-In2O3: óxido de indio.
Y finalmente:
-Tl2O3: óxido de talio.
Referencias
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química (8va ed.). CENGAGE Learning, p 237.
- AlonsoFormula. Metal Oxides. Tomado de: alonsoformula.com
- Regents of the University of Minnesota (2018). Acid-base Characteristics of Metal and Nonmetal Oxides. Tomado de: chem.umn.edu
- David L. Chandler. (03 de abril de 2018). Self-healing metal oxides could protect against corrosion. Tomado de: news.mit.edu
- The Physical States and Structures of Oxides. Tomado de: wou.edu
- Quimitube (2012). La oxidación del hierro. Tomado de: quimitube.com
- Chemistry LibreTexts. Oxides. Tomado de: chem.libretexts.org
- Kumar M. (2016) Metal Oxide Nanostructures: Growth and Applications. In: Husain M., Khan Z. (eds) Advances in Nanomaterials. Advanced Structured Materials, vol 79. Springer, New Delhi