Composti dell’ossigeno: reazioni

I composti dell’ossigeno si trovano in tutto l’universo e sono presenti in varie combinazioni con diversi elementi.

L’ossigeno è un gas essenziale nei processi di combustione, utilizzato nei processi di ossidazione ed è indispensabile nella vita dell’uomo che utilizza l’ossigeno nella respirazione.

Reazioni

Reazioni con gli elementi

Esso reagisce direttamente a temperatura ambiente o a temperature elevate con tutti gli elementi tranne i gas nobili, gli alogeni e i metalli di transizione del secondo e terzo periodo.
L’ossigeno forma gli ossidi con i metalli meno reattivi e con i non metalli mentre forma perossidi e superossidi con i metalli più reattivi.

Reazioni con i composti

Reagisce con alcuni composti portando, a volte, all’ossidazione di uno degli elementi contenuti nel composto. Ad esempio il solfuro di idrogeno in cui lo zolfo ha numero di ossidazione -2 reagisce con l’ossigeno per dare biossido di zolfo in cui il numero di ossidazione dello zolfo è +4:
2 H₂S_(g) + 3 O_2(g) → 2 H₂O_(g) + 2 SO_2(g)

Può anche reagire con gli ossidi in cui l’elemento presenta il numero di ossidazione più basso come, ad esempio reagisce con P₄O₆ in cui il fosforo ha numero di ossidazione +3 per dare P₄O₁₀ in cui il fosforo ha numero di ossidazione +5:

P₄O₆ + 2 O₂ → P₄O₁₀

Composti

Tra i composti dell’ossigeno binari  vi sono i subossidi, gli ossidi, i perossidi e i superossidi.

Subossidi

I subossidi sono composti dell’ossigeno in cui l’elemento legato all’ossigeno che presenta numero di ossidazione – 2 si trova in quantità maggiori rispetto a quella presente in un ossido.

Ad esempio il subossido del boro è B₆O il che implica la presenza di legami tra gli atomi dell’elemento meno elettronegativo come avviene tipicamente nei cluster. Un particolare subossido è quello di carbonio.

È usato nella sintesi dei malonati, avente formula C₃O₂ e struttura O=C=C=C=O.  In esso sono presenti 4 legami cumulativi ed è quindi un cumulene.

Ossidi

Gli ossidi, in cui l’ossigeno si trova come O^2-, sono composti binari costituiti da un elemento e da ossigeno; a seconda del comportamento che tali sostanze hanno con l’acqua si distinguono in ossidi acidi, basici e anfoteri.

Un ossido che combinandosi con l’acqua dà un acido è detto ossido acido. Un ossido che combinandosi con l’acqua dà una base è detto ossido basico. Invece gli ossidi costituiti da alcuni metalli come zinco, alluminio e piombo possono comportarsi sia da acido che da base e vengono detti anfoteri.

Gli ossidi acidi sono costituiti da non metalli appartenenti ai gruppi 14, 15, 16 e 17 che reagiscono con l’acqua per dare acidi e con le basi per dare sali.

Gli ossidi basici sono costituiti da metalli dei gruppi 1 e 2 sono composti ionici e contengono lo ione O^2- che reagisce con l’acqua per dare OH^– secondo la reazione:

O^2-_(aq) + H₂O_(l) → 2 OH^–_(aq)

Gli ossidi anfoteri possono agire sia da acidi che da basi. Un tipico esempio di ossido anfotero è costituito dall’ossido di alluminio Al₂O₃

In ambiente acido l’ossido di alluminio dà luogo alla formazione di esaacquoalluminio secondo la reazione:
Al₂O_3(s) + 3 H₂O_(l) + 6 H₃O⁺_(aq) → 2 [Al(H₂O)₆]³⁺_(aq)

Mentre in ambiente basico dà luogo alla formazione di tetraidrossialluminato secondo la reazione:
Al₂O_3(s) + 3 H₂O_(l) + 2 OH⁻_(aq) → 2 [Al(OH)₄]⁻_(aq)

Ad eccezione dell’ossido di mercurio (II) HgO è possibile ottenere gli ossidi dei metalli dei gruppi dal 2 al 15 bruciando la sostanza in presenza di aria.

I membri più pesanti di ogni gruppo ovvero quelli per i quali è maggiore l’effetto della coppia inerte formano un ossido in cui il numero di ossidazione del metallo è di due unità minore rispetto al numero di ossidazione tipico del gruppo.

Pertanto, ad esempio, il tallio, il piombo e il bismuto danno i rispettivi ossidi Tl₂O dove Tl ha numero di ossidazione +1, PbO dove Pb ha numero di ossidazione +2 e Bi₂O₃ dove Bi ha numero di ossidazione +3.

Gli elementi dei gruppi 1 e 2 sono molto reattivi pertanto si combinano con l’azoto contenuto nell’aria formando miscele di ossidi e nitruri e, in taluni casi anche perossidi e superosssidi.

Perossidi

I perossidi sono caratterizzati dalla presenza di un legame ossigeno-ossigeno detto gruppo perossidico in cui il numero di ossidazione dell’ossigeno è -1.

Essi hanno elevata reattività e per la capacità ossidante sono impiegati in molte reazioni chimiche. I perossidi tendono generalmente a decomporsi in presenza di calore, catalizzatori o promotori.

Il perossido più noto è il è perossido di idrogeno noto come acqua ossigenata che ha formula H₂O₂. A temperatura ambiente si decompone in presenza di molti ioni di metalli pesanti, in particolare il ferro presenti anche in tracce, secondo la reazione:
2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂

Superossidi

Nei composti dell’ossigeno detti  superossidi è presente lo ione O₂^– che presenta un solo elettrone spaiato e carica negativa netta -1 ed esibisce il fenomeno del paramagnetismo.

Il numero di ossidazione di ciascun ossigeno presente nello ione è – ½. I superossidi di alcuni metalli alcalini come il superossido di potassio si ottengono dalla combustione del potassio fuso in puro ossigeno.

Il superossido di sodio, invece può essere ottenuto solo dal perossido di sodio Na₂O₂ con O₂ secondo la reazione:
Na₂O₂ +  O₂ → 2 NaO₂

I superossidi di metalli alcalini allo stato solido possono decomporsi secondo la reazione endotermica

2 NaO₂ → Na₂O₂ +  O₂ 

e possono essere utilizzati come fonte di ossigeno.