酸化物

酸化物（/ ˈ ɒ k s aɪ d /）は、化学式に少なくとも1つの酸素原子と1つの他の元素^[1]を含む化合物です。「酸化物」自体は、酸素のジアニオン（正味電荷が-2のアニオン）、つまり酸素の酸化状態が-2のO ^{2–イオンです。}地球の地殻の大部分は酸化物で構成されています。純粋な元素と見なされる材料でさえ、酸化物コーティングを形成することがよくあります。たとえば、アルミホイルは、アルミホイルをさらに酸化から保護するAl ₂ O ₃の薄い皮膜（不動態層と呼ばれる）を形成します。^[2]

化学量論

酸化物は、化学量論（反応物と方程式または反応の化学式との間の測定可能な関係）および各化学量論の構造の点で非常に多様です。ほとんどの元素は、複数の化学量論の酸化物を形成します。よく知られた例は、一酸化炭素と二酸化炭素です。^{[2]これは、酸化物と他の元素のみを含む化合物である}二元酸化物に当てはまります。二元酸化物よりもはるかに一般的なのは、より複雑な化学量論の酸化物です。このような複雑さは、他の陽イオン（正に帯電したイオン、つまり電気分解で陰極に引き付けられるイオン）または他の陰イオン（負に帯電したイオン）の導入によって生じます。鉱物の鉄ケイ酸塩であるケイ酸鉄（Fe ₂ SiO _{4 ）}は、三元酸化物の多くの例の1つです。多くの金属酸化物では、多形性や非化学量論性の可能性も存在します。^[3] 例えば、商業的に重要なチタンの二酸化物は3つの異なる構造で存在します。多くの金属酸化物は様々な非化学量論状態で存在します。多くの分子酸化物も多様な配位子とともに存在します。^[4]

簡潔にするために、この記事の大部分は二元酸化物に焦点を当てています。

形成

酸化物は、いくつかの希ガスを除くすべての元素と関連しています。この多様な化合物群の形成経路は、それに応じて数多くあります。

金属酸化物

多くの金属酸化物は、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩などの他の金属化合物の分解によって生成されます。酸化カルシウムの生成では、炭酸カルシウム（石灰石）が加熱により分解し、二酸化炭素を放出します。^[2]

{\ce {CaCO3 -> CaO + CO2}}

空気中の元素と酸素の反応は、特に鉄の商業利用に関連する腐食の重要なステップです。ほとんどすべての元素は、酸素雰囲気で加熱すると酸化物を形成します。たとえば、亜鉛粉末は空気中で燃焼して酸化亜鉛を生成します。^[5]

{\ce {2 Zn + O2 -> 2 ZnO}}

鉱石から金属を生産するには、空気中で金属硫化鉱物を焙焼（加熱）して酸化物を生成することがよく行われる。この方法で、MoS ₂（モリブデン鉱）は、事実上すべてのモリブデン化合物の前駆体である三酸化モリブデンに変換される。 ^[6]

{\ce {2 MoS2 + 7 O2 -> 2MoO3 + 4 SO2}}

貴金属（金やプラチナなど）は酸素との直接的な化学結合に耐性があるため珍重されています。^[2]

{\ce {NiS + 3/2 O2 -> NiO + SO2}}

非金属酸化物

重要かつ一般的な非金属酸化物は二酸化炭素と一酸化炭素です。これらの種は炭素または炭化水素の完全または部分的な酸化によって形成されます。酸素が不足すると一酸化炭素が生成されます。^[2]

{\ce {CH4 + 3/2 O2 -> CO + 2 H2O}}

{\ce {C + 1/2 O2 -> CO}}

酸素が過剰になると二酸化炭素が生成し、経路は一酸化炭素を介して進行します。

{\ce {CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}}

{\ce {C + O2 -> CO2}}

元素窒素（N2）は酸化物に変換するのが難しいですが、アンモニアを燃焼させると一酸化窒素が生成され、これがさらに酸素と反応します _。

{\ce {4 NH3 + 5 O2 -> 4 NO + 6 H2O}}

{\ce {NO + 1/2 O2 -> NO2}}

これらの反応は、汎用化学物質である硝酸の製造に利用されています。 ^[7]

工業的に最も大規模に生産されている化学物質は硫酸である。硫酸は硫黄を二酸化硫黄に酸化することで生成され、二酸化硫黄はさらに三酸化硫黄に酸化される。^[8]

{\ce {S + O2 -> SO2}}

{\ce {SO2 + 1/2 O2 -> SO3}}

最後に、三酸化物は水和反応によって硫酸に変換されます。

{\ce {SO3 + H2O -> H2SO4}}

構造

酸化物は、個々の分子からポリマーや結晶構造まで、さまざまな構造を持っています。標準状態では、酸化物は固体から気体までの範囲になります。金属の固体酸化物は通常、常温ではポリマー構造をとります。^[9]

分子酸化物

いくつかの重要なガス酸化物
二酸化炭素は化石燃料の燃焼によって生成される主な物質です。
一酸化炭素は炭素ベースの燃料の不完全燃焼によって生成される物質であり、多くの有用な化学物質の原料となります。
二酸化窒素は内燃機関から排出される問題のある汚染物質です。
硫黄の主酸化物である二酸化硫黄は火山から放出されます。
亜酸化窒素（「笑気ガス」）は土壌細菌によって生成される強力な温室効果ガスです。

ほとんどの金属酸化物は結晶性固体ですが、多くの非金属酸化物は分子です。分子酸化物の例としては、二酸化炭素や一酸化炭素があります。窒素の単純な酸化物はすべて分子であり、例えばNO、N ₂ O、NO ₂、N ₂ O ₄などです。五酸化リンはより複雑な分子酸化物で、名前は紛らわしいですが、実際の化学式はP ₄ O ₁₀です。四酸化物はまれで、より一般的な例としては、四酸化ルテニウム、四酸化オスミウム、四酸化キセノンなどがあります。^[2]

反応

削減

金属酸化物を金属に還元する反応は、一部の金属の製造において大規模に行われている。多くの金属酸化物は加熱するだけで金属に変わる（熱分解を参照）。例えば、酸化銀は200℃で分解する：^[10]

{\ce {2 Ag2O -> 4 Ag + O2}}

しかし、ほとんどの場合、金属酸化物は化学試薬によって還元されます。一般的で安価な還元剤はコークスの形の炭素です。最も顕著な例は鉄鉱石の製錬です。多くの反応が関与していますが、簡略化された式は通常次のように表されます。^[2]

{\ce {2 Fe2O3 + 3 C -> 4 Fe + 3 CO2}}

いくつかの金属酸化物は還元剤の存在下で溶解しますが、還元剤には有機化合物も含まれます。酸化鉄の還元溶解は鉄循環などの地球化学現象に不可欠です。^[11]

加水分解と溶解

MO結合は一般的に強いため、金属酸化物は溶媒に溶けにくい傾向がありますが、水性酸や塩基によって攻撃される可能性があります。^[2]

酸化物を溶解すると、多くの場合、オキシ_{アニオンが生じる。P 4} O 10に_塩基水溶液を加えると、さまざまなリン酸塩が生じる。MoO ₃に塩基水溶液を加えると、ポリオキソメタレートが生じる。オキシカチオンはあまり発生せず、その例としては、ニトロソニウム（NO ⁺）、バナジル（VO ²⁺）、ウラニル（UO）などがある。2歳以上2）。もちろん、酸化物と他の基の両方を持つ化合物は数多く知られています。有機化学では、これらにはケトンと多くの関連するカルボニル化合物が含まれます。遷移金属については、多くのオキソ錯体とオキシハライドが知られています。^[2]

命名法と公式

化学元素の酸化物の化学式は、その最高酸化状態において予測可能であり、その元素の価電子の数から導かれる。O ₄の化学式、すなわち四酸素でさえ、第16族元素として予測可能である。唯一の例外は銅であり、その最高酸化状態の酸化物は銅(I)酸化物ではなく銅(II)酸化物である。もう一つの例外はフッ化物であり、これは予想されるように F ₂ O ₇として存在せず、 OF ₂として存在する。^[12]

参照

その他の酸素イオンオゾニド、O−3、スーパーオキシド、O−2、過酸化物、O2−2および二酸素、O+2。
亜酸化物
オキソハライド
オキシアニオン
複合酸化物
酸化物の一覧については、カテゴリ:酸化物を参照してください。
塩
湿った電子

参考文献

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