氧化物是指氧与电负性比氧小的元素所生成的二元化合物。除了稀有气体外,几乎所有元素都能形成氧化物。过氧化物、超氧化物虽然也是二元化合物,但从它们的结构和性质来说,是与普通化合物不同的化合物。自然界中,许多元素都以氧化物的形式存在于各种岩石和矿物中,这与氧化物的性质有密切关系。
氧化物的熔点总的来说,与氯化物的相似。金属性强的元素的氧化物,如Na2O、CaO、BaO等,是离子晶体,熔点、沸点都较高。非金属元素的氧化物,如SO2、N2O5、CO2等是共价化合物,固态时是分子晶体,熔点、沸点低。金属性不太强的元素的氧化物是过渡型化合物,其中氧化数低的氧化物,如Cr2O3、FeO、MnO等,偏向于离子型,熔点较高;高氧化数的氧化物,如CrO3、MoO3、Mn2O7,等,由于“金属离子”与“氧离子”相互作用强烈而偏向于共价型分子晶体,熔点、沸点较低。应当指出,与氯化物不同,硅的氧化物SiO2(石英)是原子晶体,熔点1610℃,沸点较高;与硅相邻的铝的氧化物Al2O3(刚玉)偏向于离子型,而MgO则是离子晶体,它们的熔点、沸点较高。
第二、第三和第四周期元素氧化物中最高熔点、沸点的氧化物是第ⅡA族元素的氧化物,即BeO和MgO;而在第五、第六周期中是ⅣB族元素的氧化物,即ZrO2和HfO2。最低熔点、沸点的氧化物在第二、第三和第四周期中,是ⅣA~ⅦA族元素的氧化物,如CO2、SO3、Cl2O等;在第五、第六周期中则是第Ⅷ族氧化物,如RuO4、OsO4等。这种情况可用离子键、离子极化和晶体结构理论进行解释。
与氯化物另一不同点,反映在氧化物的硬度上。一般说来离子型或偏向于离子型的金属氧化物不但熔点较高,而且硬度也较大。表5-12中列出了一些金属氧化物和SiO2的硬度。
表5-12 一些金属氧化物和二氧化硅的硬度(金刚石=10)
氧化物 | BaO | SrO | CaO | MgO | TiO2 | Fe2O3 | SiO2 | Al2O3 | Cr2O3 |
硬度 | 3.3 | 3.8 | 4.5 | 5.5~6.5 | 5.5~6 | 5~6 | 6~7 | 7~9 | 9 |
各种氧化物广泛地应用于工业的各部门。氧化铝、三氧化二铬、氧化铁、氧化镁、二氧化铈等氧化物熔点高,热稳定性好,并有较大的硬度,常用作磨料。工业上所使用的耐火材料的主要成分是一些高熔点氧化物。例如硅砖含SiO2>93%,黏土砖含SiO250%~60%、Al2O330%~48%,镁砖含MgO>87%,高铝砖含Al2O3>48%。这类耐火材料的缺点是强度较差。若在耐高温氧化物中加入一些耐高温金属属(如Al2O3+Cr,ZrO2+W等),以细粉状均匀混合,加压成型后再烧结,就能能得到昵有金属的强度又有陶瓷的耐高温等特性的材料,叫做金属陶瓷。金属陶瓷密度较小,硬度较大,耐磨,导热性较好,不会由于骤冷骤热的影响而脆裂。高熔点氧化物的绝热性也好,很多保温材料(绝热材料)的主要成分就是氧化镁、氧化铝、二氧化硅等氧化物。例如硅藻土是非晶体SiO2,蛭石含SiO238%~42%,其余为Fe2O3、Al2O3等,石棉的主要成分为CaO·3MgO·4SiO2。这些材料密度较小,小气孔很多,在相互交错的气孔内,空气易被吸附而处于相对的静止状态,形成了很好的绝热体。火箭、导弹和超音速飞机的外壳、燃烧室和喷气管等处的温度往往高达几千度,如以这些氧化物为原料敷在金属表面上形成涂层具有很高的绝热能力,能保护金属表面不受高温腐蚀。