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Des changements fantastiques dans les oxydes métalliques : savez-vous comment extraire les métaux des minerais ?
Les oxydes font référence à des composés contenant au moins un atome d'oxygène et d'autres éléments dans leur formule chimique. L'oxyde lui-même est un état d'ions oxygène avec une charge nette de -2. L'état d'oxydation de l'oxygène dans sa formule chimique est -2. La croûte terrestre est principalement composée d'oxydes, et même les matériaux considérés comme des éléments purs forment souvent des films d'oxydes en surface. Par exemple, une feuille d’aluminium formera une fine couche d’Al2O3 (appelée couche de passivation) dans un environnement oxydant pour la protéger d’une oxydation ultérieure.
Les voies de formation des oxydes sont très diverses et sont étroitement liées à presque tous les éléments.
Le processus de formation des oxydes métalliques
La production d'oxydes métalliques s'accompagne souvent de la décomposition d'autres composés métalliques, tels que les carbonates, les hydroxydes et les nitrates. En prenant comme exemple la production d'oxyde de calcium, lorsque le carbonate de calcium (calcaire) est chauffé et décomposé, du dioxyde de carbone est libéré :
CaCO3 → CaO + CO2
Dans une atmosphère d'oxygène, presque tous les éléments réagissent avec l'oxygène lorsqu'ils sont chauffés, entraînant une réaction d'oxydation. Par exemple, la poudre de zinc brûle dans l'air pour produire de l'oxyde de zinc :
2 Zn + O2 → 2 ZnO
Lors du processus de raffinage des métaux à partir des minerais, des oxydes sont souvent générés par le grillage des minerais de sulfure métallique. En prenant comme exemple le minerai de molybdène (MoS2), il est transformé après grillage en trioxyde de molybdène, qui est le précurseur de presque tous les composés du molybdène :
2 MoS2 + 7 O2 → 2 MoO3 + 4 SO2
Les métaux précieux tels que l'or et le platine sont appréciés pour leur résistance à la liaison chimique directe avec l'oxygène.
Diversité des oxydes non métalliques
Parmi les oxydes non métalliques, les plus importants et les plus courants sont le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone. La formation de ces substances résulte de l'oxydation totale ou partielle du carbone ou des hydrocarbures. En l'absence d'oxygène, du monoxyde de carbone est produit :
CH4 + 3/2 O2 → CO + 2 H2O
Dans un environnement avec un excès d'oxygène, du dioxyde de carbone est produit :
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Il est relativement difficile de convertir l'azote en oxydes, mais la combustion de l'ammoniac peut générer de l'oxyde nitrique, qui réagit en outre avec l'oxygène pour former du dioxyde d'azote.
Structures et réactions des oxydes
Les structures des oxydes vont des molécules individuelles aux structures polymères et cristallines. Les oxydes solides ont généralement la structure des polymères et, bien que la plupart des oxydes métalliques soient des solides cristallins, de nombreux oxydes non métalliques sont des molécules. Des exemples d'oxydes moléculaires comprennent le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone.
La réaction de réduction des oxydes est largement utilisée dans la production de certains métaux. De nombreux oxydes métalliques peuvent être réduits en métaux par chauffage. Prenons l'exemple de l'oxyde d'argent, il se décompose à 200°C :
2 Ag2O → 4 Ag + O2
Le plus souvent, les oxydes métalliques sont réduits par réaction avec des réactifs chimiques. Un agent réducteur couramment utilisé est le carbone sous forme de coke. Par exemple, le processus de fusion du minerai de fer implique de multiples réactions, et l'équation simplifiée est la suivante :
2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2
La dissolution des oxydes améliore souvent la récupération et l'utilisation des métaux.
Avec l'approfondissement de la recherche scientifique, notre compréhension des oxydes augmente également. Ceci n’est pas seulement important pour la science des matériaux, mais joue également un rôle important dans des domaines tels que la catalyse, le stockage de l’énergie et la gouvernance environnementale. À mesure que nos connaissances sur les oxydes métalliques s’approfondissent, quelles nouvelles technologies pouvons-nous utiliser ces informations pour poursuivre ?
