Какие свойства проявляют металлы при взаимодействии с кислотами
С разбавленными кислотами, которые проявляют
окислительные свойства за счет ионов водорода (разбавленные серная,
фосфорная, сернистая, все бескислородные и органические кислоты и др.)
реагируют металлы:
• расположенные в ряду напряжений до водорода (эти металлы способны
вытеснять водород из кислоты);
• образующие с этими кислотами растворимые соли (на поверхности этих металлов
не образуется защитная солевая
пленка).
В результате реакции образуются растворимые соли и выделяется водород:
2А1 + 6НСI = 2А1С13 + ЗН2↑
Мg
+ Н2SO4 =
МgSО4
+ Н2↑
разб.
Сu
+ Н2SO4 →X(так
как Сu
стоит после Н2)
разб.
РЬ + Н2SO4 →X(так
как РЬSO4
нерастворим
в воде)
разб.
Некоторые кислоты являются окислителями за счет элемента, образующего кислотный
остаток, К ним относятся концентрированная серная, а также азотная кислота
любой концентрации. Такие кислоты называют кислотами-окислителями.
Анионы
данных кислот содержат атомы серы и азота в высших степенях окисления
Окислительные свойства кислотных остатков и
значительно сильнее, чем нона водорода Н, поэтому азотная и концентрированная
серная кислоты взаимодействуют практически со всеми металлами, расположенными в
ряду напряжений как до водорода, так и после него, кроме золота и платины.
Так как окислителями в этих случаях являются ноны кислотных остатков (за
счет атомов серы и азота в высших степенях окисления), а не ноны водорода Н, то
при взаимодействии азотной, а концентрированной серной кислот с металлами
не выделяется водород. Металл под действием данных кислот окисляется до характерной
(устойчивой) степени окисления и образует соль, а продукт восстановления
кислоты зависит от активности металла и степени разбавления кислоты
Взаимодействие серной кислоты с металлами
Разбавленная и концентрированная серные кислоты ведут
себя по-разному. Разбавленная серная кислота ведет себя, как обычная
кислота. Активные металлы, стоящие в
ряду напряжений левее водорода
Li, К, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Cu,
Hg, Ag, Au
вытесняют водород из разбавленной серной кислоты. Мы
видим пузырьки водорода при добавлении разбавленной серной кислоты в пробирку с
цинком.
H2SO4
+ Zn = Zn SO4 + H2 ↑
Медь стоит в ряду напряжений после водорода – поэтому
разбавленная серная кислота не действует на медь. А в концентрированной серной
кислоты, цинк и медь, ведут себя таким образом…
Цинк, как активный металл, может образовывать с
концентрированной серной кислотой сернистый газ, элементарную серу, и даже
сероводород.
2H2SO4 + Zn = SO2↑
+ZnSO4 + 2H2O
Медь – менее активный металл. При взаимодействии с
концентрированно серной кислотой восстанавливает ее до сернистого газа.
2H2SO4
конц. + Cu = SO2↑ + CuSO4 + 2H2O
В пробирках с концентрированной серной кислотой
выделяется сернистый газа.
Следует иметь в виду, что на схемах указаны продукты,
содержание которых максимально среди возможных продуктов восстановления кислот.
На основании
приведенных схем составим уравнения конкретных реакций — взаимодействия меди и
магния с концентрированной серной кислотой:
0 +6
+2 +4
Сu
+ 2Н2SO4
= СuSO4
+ SO2
+ 2Н2O
конц.
0 +6 +2 -2
4Мg
+ 5Н2SO4
= 4МgSO4
+ Н2S
+ 4Н2O
конц.
Некоторые металлы (Fe.
АI, Сr)
не взаимодействуют с концентрированной серной и азотной кислотами при обычной
температуре, так как происходит пассивации металла.
Это явление связано с образованием на поверхности металла тонкой, но очень
плотной оксидной пленки, которая и защищает металл. По этой причине азотную и концентрированную
серную кислоты транспортируют в железных емкостях.
Если металл проявляет переменные степени окисления, то с кислотами, являющимися
окислителями за счет ионов Н+, он образует соли, в которых его
степень окисления ниже устойчивой, а с кислотами-окислителями — соли, в которых
его степень окисления более устойчива:
0 +2
Fе+Н2SO4=
FеSO4+Н2
0 разб. +3
Fе+Н2SO4=
Fе2(SO4)3 + 3SO2 + 6Н2O
конц
И.И.Новошинский
Н.С.Новошинская
Химия
не забудь….) поделиться с друзьями
Источник
Среди металлов традиционно выделяют несколько групп. Входящие в их состав представители характеризуются отличной от других металлов химической активностью. Такими группами являются:
- благородные металлы (серебро, золото, платина);
- щелочные металлы (металлы, образованные элементами (I)А группы периодической системы);
- щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий, радий).
Простые вещества, обладающие металлическими свойствами, в химических реакциях всегда являются восстановителями. Положение металла в ряду активности характеризует то, насколько активно данный металл способен вступать в химические реакции (т. е. то, насколько сильно у него проявляются свойства восстановителя).
Ряд активности металлов
| (Li, K, Ba, Ca, Na, ) | (Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb) | H2 | (Cu, Hg, Ag, Pt, Au) |
активные металлы | металлы средней активности | неактивные металлы |
1. Чем левее стоит металл в этом ряду, тем более сильным восстановителем он является.
2. Каждый металл способен вытеснять из растворов солей те металлы, которые в ряду активности стоят после него (правее).
3. Металлы, находящиеся в ряду активности левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.
4. Щелочные и щелочноземельные металлы в любых водных растворах взаимодействуют прежде всего с водой.
Общие химические свойства металлов
Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами
1. Металлы взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды.
Металл + кислород → оксид.
Например, при взаимодействии магния с кислородом образуется оксид магния:
2Mg0+O02→2Mg+2O−2.
Видеофрагмент:
Обрати внимание!
Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют.
2. Металлы взаимодействуют с галогенами (фтором, хлором, бромом и иодом), образуя галогениды.
Металл + галоген → галогенид металла.
Например, при взаимодействии натрия с хлором образуется хлорид натрия:
2Na0+Cl02→2Na+1Cl−1.
3. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.
Металл + сера → сульфид металла.
Например, при взаимодействии цинка с серой образуется сульфид цинка:
Zn0+S0→Zn+2S−2.
Видеофрагмент:
Взаимодействие цинка с серой
4. Активные металлы при нагревании реагируют с азотом, фосфором и некоторыми другими неметаллами.
Например, при взаимодействии лития с азотом образуется нитрид лития:
6Li0+N02→2Li+13N−3.
При взаимодействии кальция с фосфором образуется фосфид кальция:
3Ca0+2P0→Ca+23P−32.
Взаимодействие со сложными веществами
1. Щелочные и щелочноземельные металлы взаимодействуют с водой при обычных условиях, образуя растворимое в воде основание (щёлочь) и водород.
Активный металл + вода → щёлочь + водород.
Например, при взаимодействии натрия с водой образуются гидроксид натрия и водород:
2Na0+2H+12O−2→2Na+1O−2H+1+H02.
Видеофрагмент:
Взаимодействие натрия с водой
Обрати внимание!
Некоторые металлы средней активности реагируют с водой при повышенной температуре, образуя оксид металла и водород.
Например, раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe_3O_4 и водород:
3Fe0+4H+12O−2→Fe+2O−2⋅Fe+32O−23+4H02.
2. Mеталлы, стоящие в ряду активности металлов левее водорода, взаимодействуют с растворами кислот, образуя соль и водород.
Металл + кислота → соль + водород.
Например, при взаимодействии алюминия с серной кислотой образуются сульфат алюминия и водород:
2Al0+3H+12S+6O−24→Al+32(S+6O−24)3+3H02.
Видеофрагмент:
Реакция алюминия с серной кислотой
3. Металлы реагируют с солями менее активных металлов в растворе, образуя соль более активного металла и менее активный металл в свободном виде.
Более активный металл + соль → соль более активного металла + менее активный металл.
Например, при взаимодействии железа с сульфатом меди((II)) образуются сульфат железа((II)) и медь:
Fe0+Cu+2S+6O−24→Fe+2S+6O−24+Cu0.
Видеофрагмент:
Взаимодействие железа с сульфатом меди
Источник
При взаимодействии соляной и разбавленной серной кислоты с металлами окислителем является ион водорода Н . Поэтому они взаимодействуют с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода. При этом образуется соль и выделяется водород:
Металлы переменной валентности, проявляющие переменную степень окисления, соляной и разбавленной серной кислотами окисляются, как правило, до низших степеней окисления, например:
Свинец практически не взаимодействует с соляной и разбавленной серной кислотами, так как на его поверхности образуется плотная нерастворимая пленка хлорида или сульфата свинца (II).
В концентрированной серной кислоте окислителем являются суль- фаг-ионы , в которых сера находится в степени окисления +6. Окисляя металл, серная кислота восстанавливается до сероводорода, серы и оксида серы (IV).
При взаимодействии концентрированной серной кислоты с активными металлами образуются соль, вода и преимущественно сероводород:
Малоактивные металлы восстанавливают концентрированную серную кислоту преимущественно до БСЬ, например:
а металлы средней активности – преимущественно до серы:
Металлы переменной валентности концентрированной НгБС^ окисляются, как правило, до высшей степени окисления, например:
Благородные металлы с концентрированной серной кислотой не взаимодействуют ни при каких условиях. Некоторые металлы (А1, Бе, Сг, N1, Тц V и др.) не взаимодействуют с концентрированной серной кислотой при обычных условиях (пассивируются), но взаимодействуют при нагревании.
Большое практическое значение имеет пассивация железа: концентрированную серную кислоту можно хранить в ёмкостях из обычной нелегированной стали.
Свинец с концентрированной серной кислотой взаимодействует с образованием растворимой кислой соли (гидросоли), оксида серы (IV) и воды:
В азотной кислоте, независимо от её концентрации, окислителем являются нитрат-ионы N0,, содержащие азот в степени окисления +5. Поэтому при взаимодействии металлов с азотной кислотой водород не выделяется. Азотная кислота окисляет все металлы за исключением самых неактивных (благородных). При этом образуются соль, вода и продукты восстановления азота (+5): 1ЧН4МОз, Ы2, N20, N0, НЫ02, Ы02. Свободный аммиак не выделяется, так как он взаимодействует с азотной кислотой, образуя нитрат аммония:
При взаимодействии металлов с концентрированной азотной кислотой (30-60 % НЬЮз) продуктом восстановления НЫОз является преимущественно оксид азота (IV), независимо от природы металла, например:
Металлы переменной валентности при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой окисляются до высшей степени окисления. При этом те металлы, которые окисляются до степени окисления +4 и выше, образуют кислоты или оксиды. Например:
В концентрированной азотной кислоте пассивируются алюминий, хром, железо, никель, кобальт, титан и некоторые другие металлы. После обработки азотной кислотой эти металлы не взаимодействуют и с другими кислотами.
При взаимодействии металлов с разбавленной азотной кислотой продукт её восстановления зависит от восстановительных свойств металла: чем активнее металл, тем в большей степени восстанавливается азотная кислота.
Активные металлы восстанавливают разбавленную азотную кислоту максимально, т.е. образуются соль, вода и ЫН4ЫОз, например:
52
При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой металлов средней активности образуются соль, вода и азот или N2O, например:
При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами образуются соль, вода и оксид азота (II), например:
Но уравнения реакций в данных примерах условны, так как в действительности получается смесь соединений азота, причем, чем выше активность металла и ниже концентрация кислоты, гем ниже степень окисления азота в том продукте, которого образуется больше других.
Царской водкой называется смесь концентрированных азотной и соляной кислот. Она применяется для окисления и перевода в растворимое состояние золота, платины и других благородных металлов. Соляная кислота в царской водке затрачивается на образование комплексного соединения окисленного металла. Уравнения реакций золота и платины с царской водкой записываются гак:
В некоторых учебных пособиях встречается другое объяснение взаимодействия благородных металлов с царской водкой. Считают, что в этой смеси между HNO3 и НС1 происходит катализируемая благородными металлами реакция, в которой азотная кислота окисляет соляную но уравнению:
Хлорид нитрозила NOCI непрочен и разлагается но уравнению:
Окислителем металла является атомарный (т.е. очень активный) хлор в момент выделения. Поэтому продуктами взаимодействия царской водки с металлами являются соль (хлорид), вода и оксид азота (II):
а комплексные соединения образуются при последующих реакциях как вторичные продукты:
Источник
ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К КИСЛОТАМ
Чаще всего в химической практике используются такие
сильные кислоты как серная H2SO4, соляная
HCl и азотная HNO3. Далее рассмотрим отношение различных металлов к
перечисленным кислотам.
Соляная кислота (HCl)
Соляная кислота – это техническое название
хлороводородной кислоты. Получают ее путем растворения в воде газообразного
хлороводорода – HCl. Ввиду невысокой его растворимости в воде,
концентрация соляной кислоты при обычных условиях не превышает 38%. Поэтому
независимо от концентрации соляной кислоты процесс диссоциации ее молекул в
водном растворе протекает активно:
HCl H+ + Cl-
Образующиеся в этом процессе ионы водорода H+ выполняют роль окислителя, окисляя металлы,
расположенные в ряду активности левее водорода. Взаимодействие
протекает по схеме:
Me + HCl соль + H2↑
При этом соль представляет собой хлорид металла (NiCl2, CaCl2, AlCl3), в
котором число хлорид-ионов соответствует степени окисления металла.
Соляная кислота является слабым окислителем, поэтому
металлы с переменной валентностью окисляются ей до низших положительных
степеней окисления:
Fe0→Fe2+
Co0→Co2+
Ni0→Ni2+
Cr0→ Cr2+
Mn0→Mn2+идр.
Пример:
2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2↑
2│Al0 – 3e– → Al3+ – окисление
3│2H+ + 2e– → H2 – восстановление
Соляная кислота пассивирует свинец (Pb). Пассивация
свинца обусловлена образованием на его поверхности трудно растворимого в воде
хлорида свинца (II), который защищает металл от дальнейшего воздействия
кислоты:
Pb +
2 HCl → PbCl2↓ + H2↑
Серная кислота (H2SO4)
В промышленности получают
серную кислоту очень высокой концентрации (до 98%). Следует учитывать различие
окислительных свойств разбавленного раствора и концентрированной серной кислоты
по отношению к металлам.
Разбавленная серная кислота
В разбавленном водном
растворе серной кислоты большинство ее молекул диссоциируют:
H2SO4 H+
+ HSO4-
HSO4- H+ + SO42-
Образующиеся ионы Н+
выполняют функцию окислителя.
Как и соляная кислота, разбавленный
раствор серной кислоты взаимодействует только с металлами активнымии средней активности
(расположенными в ряду активности до водорода).
Химическая реакция
протекает по схеме:
Ме + H2SO4(разб.)→ соль + H2↑
Пример:
2 Al
+ 3 H2SO4(разб.) → Al2(SO4)3 + 3 H2↑
1│2Al0
– 6e– → 2Al3+ – окисление
3│2H+ + 2e– → H2 – восстановление
Металлы с переменной
валентностью окисляются разбавленным раствором серной кислоты до низших
положительных степеней окисления:
Fe0→ Fe2+
Co0→ Co2+
Ni0→
Ni2+
Cr0→
Cr2+
Mn0→
Mn2+идр.
Свинец (Pb) не растворяется в серной кислоте
(если ее концентрация ниже 80%), так как образующаяся соль PbSO4 нерастворима и создает на поверхности металла защитную
пленку.
Концентрированная серная кислота
В концентрированном
растворе серной кислоты (выше 68%) большинство молекул находятся в недиссоциированном
состоянии, поэтому функцию окислителя выполняет сера, находящаяся
в высшей степени окисления (S+6). Концентрированная H2SO4 окисляет все металлы, стандартный электродный потенциал которых меньше
потенциала окислителя – сульфат-иона SO42- (0,36 В). В связи с этим, с концентрированной
серной кислотой реагируют и некоторые малоактивные металлы.
Процесс взаимодействия
металлов с концентрированной серной кислотой в большинстве случаев протекает по
схеме:
Me + H2SO4 (конц.) соль
+ вода + продукт восстановления H2SO4
Продуктами
восстановления
серной кислоты могут быть следующие соединения серы:
Практика показала, что при
взаимодействии металла с концентрированной серной кислотой выделяется смесь
продуктов восстановления, состоящая из H2S, S и SO2. Однако, один из этих продуктов образуется в преобладающем
количестве. Природа основного продукта определяется активностью металла:
чем выше активность, тем глубже процесс восстановления серы в серной кислоте.
Взаимодействие металлов
различной активности с концентрированной серной кислотой можно представить
схемой:
Алюминий (Al) и железо (Fe) не реагируют с холодной концентрированной H2SO4, покрываясь плотными оксидными пленками, однако при нагревании реакция
протекает.
Ag, Au, Ru, Os, Rh, Ir, Ptне реагируют с серной кислотой.
Концентрированная серная кислота является сильным
окислителем, поэтому при взаимодействии с ней металлов, обладающих
переменной валентностью, последние окисляются до более высоких степеней
окисления, чем в случае с разбавленным раствором кислоты:
Fe0
→Fe3+,
Cr0→Cr3+,
Mn0→
Mn4+,
Sn0→Sn4+
Свинец (Pb) окисляется до двухвалентного
состояния с образованием растворимого гидросульфата свинца Pb(HSO4)2.
Примеры:
Активный металл
8 A1 + 15 H2SO4(конц.)→4A12(SO4)3
+ 12H2O + 3H2S
4│2Al0 – 6e– →
2Al3+ –
окисление
3│ S6+ + 8e → S2-– восстановление
Металл средней
активности
2Cr + 4 H2SO4(конц.)→
Cr2(SO4)3
+ 4 H2O + S
1│ 2Cr0 – 6e →2Cr3+-
окисление
1│ S6+ + 6e → S0 – восстановление
Металл малоактивный
2Bi + 6H2SO4(конц.)→
Bi2(SO4)3 + 6H2O + 3SO2
1│ 2Bi0 – 6e → 2Bi3+
– окисление
3│ S6+ + 2e →S4+ –
восстановление
Азотная кислота (HNO3)
Особенностью азотной кислоты является то, что азот,
входящий в состав NO3- имеет высшую степень окисления +5 и поэтому обладает
сильными окислительными свойствами. Максимальное значение электродного
потенциала для нитрат-иона равно 0,96 В, поэтому азотная кислота – более
сильный окислитель, чем серная. Роль окислителя в реакциях взаимодействия
металлов с азотной кислотой выполняет N5+. Следовательно, водород H2 никогда не выделяется
при взаимодействии металлов с азотной кислотой (независимо от
концентрации). Процесс протекает по схеме:
Me + HNO3 соль + вода +
продукт восстановления HNO3
Продукты восстановления HNO3:
Обычно при взаимодействии азотной кислоты с металлом образуется
смесь продуктов восстановления, но как правило, один из них является
преобладающим. Какой из продуктов будет основным, зависит от концентрации
кислоты и активности металла.
Концентрированная азотная кислота
Концентрированным считают раствор кислоты плотностью ρ > 1,25 кг/м3, что соответствует
концентрации > 40%. Независимо от активности металла реакция взаимодействия
с HNO3 (конц.) протекает
по схеме:
Me + HNO3(конц.)
→ соль + вода + NO2
С концентрированной азотной кислотой не взаимодействуют
благородные металлы (Au, Ru,
Os, Rh,
Ir, Pt), а
ряд металлов (Al, Ti,
Cr, Fe,
Co, Ni) при низкой
температуре пассивируются концентрированной азотной кислотой. Реакция
возможна при повышении температуры, она протекает по схеме, представленной
выше.
Примеры
Активный металл
Al + 6HNO3(конц.) → Al(NO3)3
+ 3H2O + 3NO2↑
1│ Al0 – 3e → Al3+ – окисление
3│
N5+ + e
→ N4+ –
восстановление
Металл средней активности
Fe +
6HNO3(конц.) → Fe(NO3)3 + 3H2O
+ 3NO↑
1│ Fe0 – 3e → Fe3+
– окисление
3│
N5+ + e
→ N4+ – восстановление
Металл
малоактивный
Ag + 2HNO3(конц.)
→ AgNO3 + H2O + NO2↑
1│ Ag0 – e →Ag+ –
окисление
1│ N5+ + e → N4+ – восстановление
Разбавленная азотная
кислота
Продукт восстановления азотной кислоты в разбавленном растворе зависит от активности
металла, участвующего в реакции:
Примеры:
Активный металл
8Al +
30HNO3(разб.) → 8Al(NO3)3 + 9H2O
+ 3NH4NO3
8│ Al0 – 3e → Al3+
– окисление
3│
N5+ + 8e
→ N3- –
восстановление
Выделяющийся в
процессе восстановления азотной кислоты аммиак сразу взаимодействует с избытком
азотной кислоты, образуя соль – нитрат аммония NH4NO3:
NH3 + HNO3 → NH4NO3.
Металл средней
активности
10Cr + 36HNO3(разб.)
→ 10Cr(NO3)3 + 18H2O + 3N2
10│ Cr0 – 3e → Cr3+ – окисление
3│ 2N5+ + 10e
→ N20 – восстановление
Кроме
молекулярного азота (N2) при взаимодействии металлов средней активности с
разбавленной азотной кислотой образуется в равном количестве оксид азота
(I) – N2O. В уравнении реакции нужно писать одно из этих
веществ.
Металл малоактивный
3Ag + 4HNO3(разб.) → 3AgNO3 + 2H2O + NO
3│ Ag0 – e →Ag+ –
окисление
1│
N5+ + 3e
→ N2+ –
восстановление
«Царская водка»
«Царская водка» (ранее кислоты называли водками)
представляет собой смесь одного объема азотной кислоты и трех-четырех объемов
концентрированной соляной кислоты, обладающую очень высокой окислительной
активностью. Такая смесь способна растворять некоторые малоактивные металлы, не
взаимодействующие с азотной кислотой. Среди них и «царь металлов» – золото.
Такое действие «царской водки» объясняется тем, что азотная кислота окисляет
соляную с выделением свободного хлора и образованием хлороксида азота (III),
или хлорида нитрозила – NOCl:
HNO3 + 3 HCl →
Cl2 + 2 H2O + NOCl
Хлорид нитрозила далее разлагается по схеме:
2 NOCl →
2 NO + Cl2
Хлор в момент выделения состоит из атомов. Атомарный
хлор является сильнейшим окислителем, что и позволяет «царской водке»
воздействовать даже на самые инертные «благородные металлы».
Реакции окисления золота и платины протекают согласно
следующим уравнениям:
Au + HNO3 + 4 HCl → H[AuCl4] + NO + 2H2O
3Pt + 4HNO3 + 18HCl → 3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O
На Ru, Os, Rh и Ir «царская водка» не действует.
© Е.А. Нуднoва, М.В. Андрюxова
К оглавлению
Источник