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Cambiamenti fantastici negli ossidi metallici: sai come estrarre i metalli dai minerali?
Gli ossidi si riferiscono a composti contenenti almeno un atomo di ossigeno e altri elementi nella loro formula chimica. L'ossido stesso è uno stato di ioni ossigeno con una carica netta di -2. Lo stato di ossidazione dell'ossigeno nella sua formula chimica è -2. La crosta terrestre è composta principalmente da ossidi e anche i materiali considerati elementi puri spesso formano pellicole superficiali di ossidi. Ad esempio, il foglio di alluminio formerà un sottile strato di Al2O3 (chiamato strato di passivazione) in un ambiente ossidante per proteggerlo da ulteriore ossidazione.
I percorsi di formazione degli ossidi sono molto diversi e sono strettamente correlati a quasi tutti gli elementi.
Il processo di formazione degli ossidi metallici
La produzione di ossidi metallici è spesso accompagnata dalla decomposizione di altri composti metallici, come carbonati, idrossidi e nitrati. Prendendo come esempio la produzione di ossido di calcio, quando il carbonato di calcio (calcare) viene riscaldato e decomposto, viene rilasciata anidride carbonica:
In un'atmosfera di ossigeno, quasi tutti gli elementi reagiscono con l'ossigeno quando riscaldati, provocando una reazione di ossidazione. Ad esempio, la polvere di zinco brucia nell'aria per produrre ossido di zinco:
Nel processo di raffinazione dei metalli dai minerali, gli ossidi vengono spesso generati dalla arrostimento dei minerali di solfuro metallico. Prendendo come esempio il minerale di molibdeno (MoS2), dopo la tostatura viene trasformato in triossido di molibdeno, che è il precursore di quasi tutti i composti di molibdeno:
I metalli preziosi come l'oro e il platino sono apprezzati per la loro resistenza al legame chimico diretto con l'ossigeno.
Diversità di ossidi non metallici
Tra gli ossidi non metallici, i più importanti e comuni includono l'anidride carbonica e il monossido di carbonio. La formazione di queste sostanze deriva dall'ossidazione completa o parziale del carbonio o degli idrocarburi. In assenza di ossigeno, viene prodotto monossido di carbonio:
CH4 + 3/2 O2 → CO + 2 H2O
In un ambiente con eccesso di ossigeno, viene prodotta anidride carbonica:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
È relativamente difficile convertire l'azoto in ossidi, ma la combustione dell'ammoniaca può generare ossido nitrico, che reagisce ulteriormente con l'ossigeno per formare biossido di azoto.
Strutture e reazioni degli ossidi
Le strutture degli ossidi vanno dalle singole molecole alle strutture polimeriche e cristalline. Gli ossidi solidi solitamente hanno la struttura dei polimeri e, mentre la maggior parte degli ossidi metallici sono solidi cristallini, molti ossidi non metallici sono molecole. Esempi di ossidi molecolari includono anidride carbonica e monossido di carbonio.
La reazione di riduzione degli ossidi è ampiamente utilizzata nella produzione di alcuni metalli. Molti ossidi metallici possono essere ridotti in metalli mediante riscaldamento. Prendiamo ad esempio l'ossido d'argento, si decompone a 200°C:
Nella maggior parte dei casi, gli ossidi metallici vengono ridotti mediante reazione con reagenti chimici. Un agente riducente comunemente utilizzato è il carbonio sotto forma di coke. Ad esempio, il processo di fusione del minerale di ferro comporta molteplici reazioni e l'equazione semplificata è la seguente:
2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2
La dissoluzione degli ossidi spesso migliora il recupero e l'utilizzo del metallo.
Con l'approfondimento della ricerca scientifica, aumenta anche la nostra comprensione degli ossidi. Ciò non è importante solo per la scienza dei materiali, ma svolge un ruolo importante anche in campi come la catalisi, lo stoccaggio dell’energia e la governance ambientale. Man mano che la nostra conoscenza degli ossidi metallici si approfondisce, quali nuove tecnologie possiamo utilizzare per perseguire queste informazioni?
