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La diversité des oxydes : pourquoi un même élément peut-il former de nombreux oxydes différents ?
Un oxyde est un composé chimique qui contient au moins un atome d'oxygène et des formules chimiques d'autres éléments. Dans la croûte terrestre, la majeure partie est composée d’oxydes. Même certains matériaux considérés comme des éléments purs forment souvent des oxydes. Par exemple, une feuille d’aluminium forme une fine couche d’oxyde d’aluminium (Al2O3) sur sa surface, appelée couche de passivation, qui la protège d’une oxydation supplémentaire.
La diversité des oxydes se reflète dans leurs différentes compositions et structures chimiques.
La composition chimique et la structure des oxydes varient, ce qui permet au même élément de former de nombreux oxydes différents. Les oxydes de carbone en sont un exemple célèbre. Le dioxyde de carbone (CO2) et le monoxyde de carbone (CO) présentent des oxydes de carbone dans différents états d'oxydation. Ces oxydes binaires ne sont que la pointe de l'iceberg de la diversité des oxydes. En fait, il existe des oxydes plus complexes, et la formation de ces oxydes implique souvent l'intervention d'autres cations ou anions.
Formation d'oxydes
À l’exception de quelques gaz nobles, la plupart des éléments peuvent former des oxydes. Il existe également différentes voies de formation d’oxydes, notamment d’oxydes métalliques. De nombreux oxydes métalliques proviennent de la décomposition d’autres composés métalliques, tels que les carbonates, les hydroxydes et les nitrates. Lors du processus de fabrication de l'oxyde de calcium, le carbonate de calcium se décompose lorsqu'il est chauffé pour libérer du dioxyde de carbone.
CaCO3 ⟶ CaO + CO2
Presque tous les éléments forment des oxydes lorsqu’ils sont chauffés en présence d’oxygène. Par exemple, la poudre de zinc brûle dans l’air pour former de l’oxyde de zinc :
2 Zn + O2 ⟶ 2 ZnO
L'extraction des minerais métalliques implique généralement la combustion des minerais de sulfure métallique dans l'air pour produire des oxydes. Par exemple, le disulfure de molybdène (MoS2) est transformé en trioxyde de molybdène dans ce processus, qui est le précurseur de tous les composés du molybdène.
2 MoS2 + 7 O2 ⟶ 2 MoO3 + 4 SO2
Oxydes métalliques et non métalliques
Parmi les oxydes non métalliques, le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone sont des oxydes très importants et courants. Ces oxydes sont les produits de l'oxydation complète ou partielle du carbone ou des hydrocarbures. En l'absence d'oxygène, du monoxyde de carbone est produit, tandis que l'excès d'oxygène produit du dioxyde de carbone.
CH4 + 3/2 O2 ⟶ CO + 2 H2O
CH4 + 2 O2 ⟶ CO2 + 2 H2O
Le processus de conversion de l'azote en oxydes est également plus difficile, mais lorsque l'ammoniac est brûlé, il produit de l'oxyde nitrique, qui réagit ensuite avec l'oxygène pour produire du dioxyde d'azote :
4 NH3 + 5 O2 ⟶ 4 NO + 6 H2O
NO + 1/2 O2 ⟶ NO2
Structure et réaction des oxydes
Les structures des oxydes varient, des molécules simples aux polymères et aux structures cristallines. Les oxydes métalliques solides forment souvent des structures polymères dans des conditions ambiantes. Alors que la plupart des oxydes métalliques sont des solides cristallins, de nombreux oxydes non métalliques sont des molécules gazeuses, comme le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone.
La réaction de réduction des oxydes métalliques a été largement utilisée dans la production de certains métaux. Les oxydes métalliques sont souvent réduits par chauffage, tandis que certains oxydes nécessitent une réduction chimique, le carbone étant un agent réducteur courant.
2 Fe2O3 + 3 C ⟶ 4 Fe + 3 CO2
En outre, la dissolution des oxydes est également liée à de fortes liaisons M-O. Bien que les oxydes métalliques soient généralement insolubles dans les solvants, ils peuvent être attaqués et produire des anions oxygène en présence d'acides et de bases.
Nomenclature et formule des oxydes
La formule chimique d'un oxyde peut généralement être dérivée de l'état d'oxydation le plus élevé de l'élément. La prévisibilité de ces formules nous permet de comprendre la formation d'une grande variété d'oxydes, voire de tétraoxygènes comme O4.
La formation de O4 reflète également la régularité des oxydes.
Ces divers oxydes nous apportent de riches connaissances chimiques et révèlent de nombreux mystères de la nature. À l’avenir, grâce aux progrès de la science et de la technologie, nous pourrons peut-être découvrir davantage de propriétés des oxydes et même explorer leurs applications potentielles. De combien de formes et de formes d'oxydes disposons-nous que nous ne connaissons pas ?
