Какие металлы не окисляются в продуктах
В химических реакциях металлы выступают в роли восстановителей и повышают степень окисления, превращаясь из простых веществ в катионы.
Химические свойства металлов различаются в зависимости от химической активности металла. По активности в водных растворах металлы расположены в ряд напряжений.
В этот ряд, составленный русским химиком Н.Н. Бекетовым, включен также неметалл водород. Активность металлов убывает слева направо:
Запомнить! Металлы, стоящие в ЭХ ряду после водорода, называют неактивными металлами.
Металлы, расположенные в ЭХ ряду до алюминия называют сильноактивными или активными металлами.
Общие химические свойства металлов
1) Многие металлы вступают в реакцию с типичными неметаллами – галогенами, кислородом, серой. При этом образуются соответственно хлориды, оксиды, сульфиды и другие бинарные соединения:
с азотом некоторые металлы образуют нитриды, реакция практически всегда протекает при нагревании;
с серой металлы образуют сульфиды – соли сероводородной кислоты;
с водородом самые активные металлы образуют ионные гидриды (бинарные соединения, в которых водород имеет степень окисления -1);
с кислородом большинство металлов образует оксиды – амфотерные и основные. Основной продукт горения натрия – пероксид $Na_2O_2$; а калий и цезий горят с образованием надпероксидов $MeO_2$.
2) Следует обратить внимание на особенности взаимодействие металлов с водой:
Активные металлы, находящиеся в ряду активности металлов до Mg (включительно), реагируют с водой с образованием щелочей и водорода:$Ca + 2H_2O = Ca(OH)_2 + H_2uparrow$
Активные металлы (например, натрий и литий), взаимодействуют с водой со взрывом.
Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:
$6Cr + 6H_2O xrightarrow[]{t, ^circ C} 2Cr_2O_3 + 3H_2uparrow$
Неактивные металлы (Au, Ag, Pt) – не реагируют с водой.
$hspace{1.5cm} xrightarrow []{[Li……Mg]} MOH +H_2uparrow$ активные металлы (до Al)
$H_2O + M xrightarrow []{[Al……Pb} M_xO_y +H_2uparrow$ среднеактивные металлы (от Al до H), только при нагревании
$hspace{1.5cm} xrightarrow []{[Bi……Au]} hspace{1cm} ne hspace{1cm}$ неактивные металлы (после Н)
Более подробно взаимодействие металлов с водой рассмотрено в темах, посвященных химии отдельных групп.
3) С разбавленными кислотами реагируют металлы, стоящие в ЭХР до водорода: происходит реакция замещения с образованием соли и газообразного водорода. При этом кислота проявляет окислительные свойства за счет наличия катиона водорода:
$mathrm{Mg} + 2mathrm{HCl} = mathrm{MgCl}_2 + mathrm{H}_2$
4) Взаимодействие азотной кислоты (любой концентрации) и концентрированной серной кислоты протекает с образованием других продуктов: кроме соли в этих реакциях образуется продукт восстановления серной (или азотной) кислоты. Подробнее см.тему “Взаимодействие азотной кислоты с металлами и неметаллами.
Запомнить! Все металлы, стоящие в ряду левее водорода, вытесняют его из разбавленных кислот, а металлы, расположенные справа от водорода, с растворами кислот не реагируют (азотная кислота – исключение).
5) Активность металлов также влияет на возможность протекания простого вещества металла с оксидом или солью другого металла. Металл вытесняет из солей менее активные металлы, стоящие правее его в ряду напряжений.
Запомнить! Для протекания реакции между металлом и солью другого требуется, чтобы соли, как вступающие в реакцию, так и образующиеся в ходе нее, были растворимы в воде. Металл вытесняет из соли только более слабый металл.
Например, для вытеснения меди из водного раствора сульфата меди подходит железо,
$mathrm{CuSO}_4 + mathrm{Fe} = mathrm{FeSO}_4 + mathrm{Cu}$
но не подходят свинец – так как он образует нерастворимый сульфат. Если опустить кусочек свинца в раствор сульфата меди, то с поверхности металла покроется тонким слоем сульфата, и реакция прекратится
$mathrm{CuSO}_4 + mathrm{Pb} = mathrm{PbSO}_4downarrow + mathrm{Cu}$
Другой пример: цинк легко вытесняет серебро из раствора нитрата серебра, однако реакция цинка со взвесью сульфида серебра, нерастворимого в воде, практически не протекает.
Общие химические свойства металлов обобщены в таблице:
| Уравнение реакции | Продукты реакции | Примечания |
|---|---|---|
| с простыми веществами – неметаллами | ||
| с кислородом | ||
$4Li + O_2 = 2Li_2O$ | оксиды $O^{-2}$ | |
$2Na + O_2 = Na_2O_2$ | пероксиды $(O_2)^{-2}$ | только натрий |
$K + O_2 = KO_2$ | надпероксиды $(O_2)^{-2}$ | надпероксиды при горении образуют K, Rb, Cs |
| с водородом | ||
$Ca + H_2 = CaH_2$ | гидриды | щелочные металлы 0 при комнатной температуре; остальные металлы – при нагревании |
| с галогенами | ||
$2Fe + 3Cl_2 =2Fe^{+3}Cl_3$ | хлориды и др. | при взаимодействии с хлором и бромом (сильные окислители) железо и хром образуют хлориды в степени окисления +3 |
| с серой | ||
$Fe + S = FeS$ | сульфиды | при взаимодействии с серой и иодом железо приобретает степень окисления +2 |
| с азотом и фосфором | ||
$3Mg + N_2 = Mg_3N_2 $ | нитриды | * при комнатной температуре с азотом реагируют только литий и магний |
$3Ca + 2P = Ca_3P_2$ | фосфиды | |
| с углеродом | ||
$4Al + 3C = Al_4C_3$ | карбиды | |
| с водой | ||
$2Na^0 + 2H_2O = 2NaOH + H_2 $ | Основание + $H_2$ | щелочные металлы |
$ Zn^0 + H_2O = ZnO + H_2$ | Оксид + $H_2$ | среднеактивные металлы, при нагревании |
$Au, Ag, Pt+ H_2O /ne $ | не реагируют | неактивные металлы (после Н) |
| с окисдами менее активных металлов | ||
| $2Al + 3ZnO = Al_2O_3 + 2Zn$ | др оксид + др.металл | |
| с солями менее активных металлов | ||
$Fe+ CuSO_4 = Cu + FeSO_4$ | Др. соль + др. металл |
|
| $Cu + AlCl_3 ne$ | ||
| с кислотами | ||
$Fe + 2HCl = FeCl_2 + H_2 $ $6Na + 2H_3PO_4 = 2Na_3PO_4 + 3H_2 $ | Др. соль +водород | Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H реагируют с разбавленными кислотами (кроме $HNO_3$) |
$Cu + 2H_3PO_4 ne$ | ||
Источник
Зачастую можно встретить мнение, что к драгоценным металлам относятся те, которые не окисляются воздухом и не подвержены коррозии. Однако оно ошибочно, поскольку та же медь и ртуть не вступают в реакцию с кислородом при нормальных условиях, однако к драгоценным металлам не относятся. В категорию драгоценных металлов отнесено хорошо известное нам золото, серебро и платина, а также палладий, родий, рутений, иридий, осмий.
В мировом масштабе доля добычи драгоценных металлов составляет порядка 0,00005% вследствие небольшого содержания в земной коре. Для примера, доля родия в земной коре составляет несколько тонн. Поэтому их второе название – благородные – оправдывает с одной стороны их дефицитность, а с другой – устойчивость к окислению и коррозионным процессам.
Группа драгоценных металлов объединяется общими химическими свойствами, а именно:
• не окисляемостью под воздействием кислорода при н. у.;
• устойчивостью к действию кислот, исключение составляет серебро;
• сохранностью во влажной среде и на воздухе (исключение составляет серебро, чернеющее со временем с образованием чёрного сульфида серебра).
Химическая устойчивость этих металлов позволила использовать их в разнообразных сферах, в то время как физические характеристики – “открыли дорогу” в ювелирное дело. Каждый из них обладает своими неповторимыми качествами и свойствами:
• Золото отличается мягкостью и пластичностью, кроме того оно обладает высокой тепло- и электропроводимостью, а также ковкостью.
• Серебро, в отличие от золота, отлично полируется, обладает тягучестью, пластичностью и ковкостью, но из-за образования чёрного цвета сульфида серебра теряет свой серебристо-белый цвет, однако подобный эффект придаёт изделиям из серебра особое очарование.
• Платина уступает по пластичности серебру и золоту, однако обладает цветом, который близок к серебру – за счёт этого её всё чаще стали применять в ювелирном деле, вследствие большей устойчивости к атмосферному воздействию.
• Палладий из всей группы драгметаллов является наиболее гибким, легкоплавким и пластичным. С серебром он сходен своим свойством легко полироваться, а с платиной – устойчивостью к коррозионным процессам. Кроме того, палладий не тускнеет и не окисляется, а значит, идеален для использования в ювелирном деле.
• Родий, в отличие от когорты серебристых металлов, к которым относятся платина, палладий, иридий и другие, имеет голубовато-белый цвет и отличается высокой твёрдостью. К его преимуществам стоит отнести высокую износостойкость и отражательную способность.
• Рутений обладает одновременно двумя противоречивыми свойствами – с одной стороны он твёрдый, с другой – довольно хрупкий металл. Из всей платиновой группы металлов именно рутений является наиболее редким.
• Иридий входит в группу тяжёлых металлов, которые обладают высокой прочностью в виде сплавов, и хрупкостью в чистом виде. К примеру, платина, которая известна своей мягкостью, увеличивает твёрдость как минимум в три раза при добавлении к ней всего лишь 10% иридия.
• Осмий – удивительный по своим физическим свойствам металл, который, относясь к тяжёлым металлам и разделяя это место с иридием, отличается небывалой хрупкостью. Несмотря на то, что осмий мало используется в промышленности, он является незаменимым материалом для фармакологии.
Драгоценные металлы активно используются в ювелирной промышленности, однако нельзя сказать, что сугубо этим и ограничивается сфера их применения. К примеру, свыше 98% родия используется для изготовления автомобильных катализаторов. Применение его в ювелирном производстве является скорее исключением, чем правилом. Примером может служить изготовление кольца из родия с бриллиантовыми вставками по индивидуальному заказу Барака Обамы для своей супруги.
Золото, как известно, является основным материалом для изготовления украшений наравне с серебром. Однако оно также применяется в микроэлектронике, для покрытия зеркальной поверхности, которая используется в дальнем инфракрасном диапазоне и т.д. Серебро используется для изготовления посуды и других предметов интерьера, а также в электронике.
Химическая промышленность – наибольший “поглотитель” иридия, кроме того этот металл используется в стоматологии и ювелирной промышленности в виде сплавов. В то время как осмий применяется в фармацевтической промышленности для изготовления кортизона.
Рутений используется для производства электродов, лабораторной посуды, контактов и проводов, а также печатных схем и резисторов. Палладий, как наиболее дешёвый из драгметаллов, применяется для антикоррозийных покрытий, в производстве автомобильных катализаторов и ювелирной промышленности.
   Вопросы и ответы
Часто во время осуществления сварки или пайки металлов и их сплавов возникают неожиданные проблемы. О многих из них мы и поговорим в разделе «вопросы и ответы»
Перейти в раздел >>
   Технологии работ
Способы резки металла под водой
Сварка угловых и тавровых соединений
Сварочные генераторы постоянного тока
Характеристики источников питания
Электрошлаковая сварка углеродистых сталей
Эмалирование металлов – технология, которая позволяет наносить на поверхность изделий из стали специальный защитный слой, отличающийся великолепными эстетическими свойствами.
Узнать подробности >>
Электроды для дуговой сварки, наплавки, резки
Газоэлектрическая сварка в среде углекислого газа
Самоходные однодуговые сварочные головки
Электрическая сварочная дуга и ее свойства
Почему благородные металлы называются драгоценными?
Основными драгоценными металлами принято считать: серебро, золото и металлы, относящиеся к платиновой группе: платина, рутений, родий, палладий, осмий и иридий. Драгоценные металлы имеют благородные свойства, благодаря их высокой химической устойчивости и красивому блеску. Все благородные металлы практически не окисляются кислородов воздуха. Серебро, золото и платина обладают высокой пластичностью, а металлы группы платины – тугоплавкостью.
Драгоценные металлы были известны человечеству очень давно. В древние времена и до середины средних веков, люди считали, что в природе существует только семь металлов, которые являются проводниками одной из известных на то время планет. Из них были металлы, которые обладали не обычными свойствами. Свойства этих металлов были таковы, что они очень долго блестят на воздухе или при нахождении в воде, не подаются действию на них кислот, едких щелочей и на них не действуют высокие температуры. Из семи металлов древности, благородными и драгоценными считались: серебро и золото. Только начиная с 18 века, небольшой список этих металлов, пополнился открытой в то время благородной платиной и металлами платиновой группы.
Кроме основных благородных металлов, есть еще и другие драгоценные металлы. К этим металлам можно отнести металлы – изотопы, поученные искусственным путем. Например, одним из самых востребованных металлов осмий – 187, самый дорогой калифорний – 252 и редкий благородный металл технеций.
Родий
Сегодня до сих пор многие люди считают – золото, редким и благородным металлом. На самом деле, есть другие более ценные и дорогие металлы. По своей ценности и благородству, первое место занимает платиновый металл – родий. Это металл был открыт в Англии в 1803 году, он имеет серебристый цвет, со слегка голубоватым оттенком. Родий применяется там, где невозможно заменить его другими аналогами. Сегодня стоимость родия составляет 230 долларов за 1 грамм.
Родий это крайне редкий в природе химический элемент. У родия нет своих собственных природных минералов. Этим и объясняется его такая высокая дорогая стоимость. Кроме высокой стоимости этот металл характеризуется высокой устойчивостью к различным химическим воздействиям и высокой температуре. Родий используется очень часто для нанесения родиевых покрытий, на ювелирные украшения из серебра. Такие серебряные украшения ( родированное серебро ), покрытые тонким слоем родия, выглядят ярче, чем серебро и имеют более привлекательный вид. Однако родий это чрезвычайно хрупкий металл.
Платина
На втором месте по ценности занимает – платина. Платина это благородный металл, который был открыт европейцами – первооткрывателями новых земель в Америке. Однако платина была известна еще очень давно. О платине было известно еще в Древней Греции и Египте. Долгое время свойства открытой платины были неизвестны. Люди не знали, как можно было расплавить этот металл, так как температура его плавления была очень высокая. Платина как химический элемент, был представлен только в 1952 году.
Драгоценный металл – платина этот редкий благородный металл, который встречается в природе в виде естественных сплавов с другими металлами. Получение платины это очень трудоемкий и затратный процесс. Платина это высоко инертный металл. На платину не действует, ни одна отдельно взятая кислота. Даже при сильном накаливании, платина не окисляется на воздухе. Сильно прокаленная платина, после остывания сохраняет свой серебристо – белый цвет.
Золото
Золото во всем мире считается главным драгоценным металлом. Этот благородный металл, относят к семи металлам древности, известные еще в эпоху каменного века. Золото в природе встречается в виде золотых самородков, имеющие небольшое количество примесей или в виде естественных сплавов золота с другими металлами, например сплав электрум , содержащий в своем составе золото и серебро или другие металлы: медь и железо.
Золото имеет необычные свойства, отличающие его от других металлов. Оно обладает малым электрическим сопротивлением, хорошо проводит электрический ток и тепло. Золото это высоко-пластичный металл, он хорошо обрабатывается, обладает великолепной ковкостью и тягучестью. Однако золото это металл с большой плотностью и считается тяжелым металлом. Золото по своей прочности и химической стойкости, уступает другим благородным металлам.
Осмий
Самым тяжелым из всех благородных металлов, является драгоценный металл – осмий. Несмотря на его высокую массу, он считается очень хрупким металлом. Осмий это металл серебристо – серого цвета. Осмий был открыт в Англии в 1804 году. В природе в чистом виде, осмий не встречается.
Осмий это очень редкий металл платиновой группы, имеющий достаточно высокую стоимость. Высокая цена осмия, ограничивает его использование. Осмий это чрезвычайно хрупкий металл. Его главные достоинства это исключительная твердость и тугоплавкость.
Иридий
Рутений
Рутений это благородный металл, который был открыт 1884 году, названный в честь России. Благородный рутений это самый редкий химический элемент платиновой группы. Рутений обладает ценными свойствами: высокой тугоплавкостью, химической стойкостью, высокой твердостью, сочетающейся с хрупкостью. Элемент – рутений, является катализатором некоторых химических реакций.
Палладий
Палладий это самый легкий драгоценный металл. Он был открыт англичанином Волланстоном в 1803 году, который завес его из Америки. Палладий входит в состав медно-никелевых руд. По сравнению с другими элементами платиновой группы – палладий, это металл сравнительно недорогой и более доступный для применения. Палладий обладает уникальными химическими и физическими свойствами. Это гибкий, пластичный и стойкий к коррозии металл. Уникальные свойства палладия, заключается в его способности растворять в себе водород и исключительно легко плавится.
Серебро
Серебро это благородный и драгоценный металл серебристо – белого цвета. Этот ценнейший металл был известен еще очень давно. Серебро это инертный, слабо реакционный и красивый металл. В природе серебро встречается в виде самородного серебра. Но в самородном состоянии серебро встречается очень редко.
Добыча серебра ведется из серебряных руд, в состав которых входит до 50 процентов серебра. В основном добывается серебро из комплексных или полиметаллических руд. Серебро в полиметаллических рудах, содержится в небольших количествах. Основная добыча серебра , приходиться именно на эти комплексные руды.
Серебро это довольно мягкий и пластичный металл, который легко обрабатывается, плавится, смешивается в сплавы с другими металлами и не окисляется при обычных условиях кислородом. В сравнении, с другими драгоценными металлами, серебро более активно вступает в химические реакции. Серебро обладает очень малым электрическим сопротивлением, хорошо проводит тепло и электрический ток.
Применение драгоценных металлов
Драгоценные металлы, главным образом золото, выполняют и сохраняют функцию денег. Серебро, ранее активно выполнявшее функцию денег, после насыщения рынка постепенно утратило значение, как материал для изготовления денег. Сегодня драгоценные металлы, все больше приобретают значение в различных отраслях промышленности.
Благородные металлы в электротехнической промышленности, идут на изготовление электрических контактов, обладающие большой степенью надежности. Например, серебряные контакты в электрических цепях, имеют высокую коррозийную устойчивость и стойкость при действии на поверхность контактов кратковременной электрической дуги. Сплавы различных драгоценных металлов: сплав серебра с золотом, золота с платиной, серебра с золотом и платиной, используются в технике слабых токов при малых напряжениях.
Драгоценные металлы, обладая большой химической стойкостью, используются в лабораторной технике и химическом машиностроении. Благородные металлы идут на изготовление деталей, которые часто подвергаются действию различной агрессивной среды: электрические нагреватели, реторты, высокотемпературные печи, термопары и аппаратура для изготовления оптического стекла, дистилляторы, автоклавы, печи, ковши, колбы, специальная химическая лабораторная посуда, предназначенная для работы с различными агрессивными кислотами и щелочами.
Благородные металлы используются в медицине для изготовления различного медицинского инструментария, различных деталей к медицинским приборам, протезов, а так же различных препаратов, главным образом изготовленных из серебра.
Золото, легированное германием, кремнием, индием, галлием, селеном и оловом, идет на изготовление контактов в полупроводниковых диодах и транзисторах. Соли серебра ( йодид серебра , бромид серебра , хлорид серебра ), являются сырьем для изготовления светочувствительных материалов.
Взаимодействие металла с кислотой сопровождается переходом металла в состояние иона — это реакция окисления металла ионами кислоты. Так, например, , взаимодействуя с соляной кислотой, отдает 2 электрона ионам водорода и переходит в ион :
Все металлы и неметаллы по химической активности можно расположить в ряд, называемый рядом стандартных электродных потенциалов (см. приложение 6) или рядом напряжений — для металлов:
Из ряда напряжений следует, что все металлы с отрицательной величиной потенциала, стоящие левее водорода, выделяют водород из кислот, анионы которых не проявляют окислительных свойств. При этом интенсивность реакции тем больше, чем левее в ряду напряжений стоит металл. Это объясняется тем, что у иона водорода сродство к электрону больше чем у элементов, стоящих левее водорода. И наоборот, металлы, расположенные правее водорода (нормальные электродные потенциалы которых имеют знак плюс), не вытесняют водород из кислот.
В ряду напряжений каждый металл окисляется ионами всех следующих за ним металлов, имеющих большие потенциалы, чем его, и не окисляются ионами металлов с меньшим потенциалом. Например, реакция
осуществима, а реакция
не идет, так как серебро имеет значительно большую алгебраическую величину стандартного потенциала, чем кальций, серебро расположено в ряду напряжений правее кальция и, следовательно, оно не может вытеснить его из раствора соли.
Восстановительная способность свободных металлов увеличивается от золота к литию, а окислительная способность ионов, наоборот, увеличивается от лития к золоту.
В гальваническом элементе, составленном из двух металлических электродов, анодом (отрицательным полюсом) является более активный металл. При этом чем дальше друг от друга в ряду напряжений расположены эти металлы, тем большее напряжение может давать гальванический элемент.
Однако следует подчеркнуть, что ряд напряжений металлов нельзя рассматривать как абсолютную характеристику свойств металлов, действительную во всех случаях и при всяких условиях. Например, металлический магний не вытесняет цинк из раствора его соли, хотя его потенциал значительно отрицательнее, т. е. имеет значительно меньшую алгебраическую величину стандартного потенциала, чем у цинка.
По величине электродного потенциала можно судить лишь о принципиальной (термодинамической) возможности растворения или осаждения металла. Фактическое значение электродного потенциала нередко зависит от ряда побочных причин и условий, приводящих к отличию его от термодинамического значения.
Несмотря на это, в большинстве случаей ряд напряжений (как будет показано ниже) позволяет правильно определять направление окислительно-восстановительных реакций.
Если металл не окисляется ионом водорода кислоты, то он может взаимодействовать только с такими кислотами, которые являются более сильными окислителями. К таким кислотам относятся азотная (концентрированная и разбавленная), серная (концентрированная), хлорноватистая и некоторые другие. Так, например, взаимодействует с концентрированной азотной кислотой, потому что в ион обладает окислительными свойствами:
Золото и с не взаимодействует, но окисляется царской водкой (смесью трех объемов концентрированной соляной кислоты и одного объема концентрированной азотной кислоты) по следующему суммарному уравнению:
Уравнение реакции окисления царской водкой может быть написано по стадиям:
Следует иметь в виду, что металлы, обычно не выделяющие из кислот водорода, в известных условиях (образуя труднорастворимые соединения или комплексы) все же могут вступать во взаимодействие с кислотами.
Например, медь, не выделяющая водорода из большинства кислот, реагирует с , выделяя водород и образуя труднорастворимую соль — сульфид меди
Металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, теоретически должны вытеснять его не только из кислот, но и из воды. Но вследствие очень малой концентрации ионов водорода , образующихся при диссоциации воды, только наиболее активные металлы реагируют с водой.
Уравнение реакции растворения цинка в щелочи нередко пишут так:
В действительности реакция протекает иначе. Металлический цинк практически не реагирует с водой вследствие образования на его поверхности гидроокиси цинка, препятствующей дальнейшему окислению. Однако в присутствии щелочи растворяется, и цинк начинает выделять водород из воды.
Поэтому химизм растворения (вернее, окисления) цинка в щелочах правильнее выражать уравнениями:
Окисление алюминия и олова в сильных щелочах выражают следующими уравнениями:
В горячем растворе КОН (или ) олово окисляется с нием водорода и образованием калия
Водные растворы алюминатов, вероятно, содержат ионы . Примерами гидроксоалюминатов, кроме , могут служить ; их состав стехиометрически может быть представлен так: ,
При нагревании гидроксосоли теряют воду и переходят в метаалюминаты:
Источник