Кислотами

При взаимодействии металлов с соляной и разбавленной серной кислотами окислителем является ион водорода Н⁺. Поэтому с ними взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода. При этом образуется соль и выделяется водород, например:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑

Zn + H₂SO₄(разб) = ZnSO₄ + H₂↑

Металлы переменной валентности, проявляющие переменную степень окисления, соляной и разбавленной серной кислотами окисляются, как правило, до низших степеней окисления, например:

Fe + H₂SO₄(разб.) = FeSO₄ + H₂↑

Свинец практически не взаимодействует с соляной и разбавленной серной кислотами, так как на его поверхности образуется плотная нерастворимая пленка хлорида или сульфата свинца (II).

2.4. Взаимодействие металлов с концентрированной серной кислотой

В концентрированной серной кислоте окислителем являются сульфат -ионы SO₄^2-, в которых сера находится в степени окисления +6. Окисляя металл, серная кислота восстанавливается до сероводорода, серы или оксида серы (IV). Соответствующие полуреакции приведены в таблице (строки 20–22). Чем левее в ряду напряжений находится металл, тем полнее восстанавливается серная кислота.

При взаимодействии с концентрированной серной кислотой активных металлов образуются соль, вода и преимущественно сероводород:

8Na + 5H₂SO₄(конц.) = 4Na₂SO₄ + H₂S↑ + 4H₂O

Малоактивные металлы восстанавливают концентрированную серную кислоту преимущественно до SO₂, например:

Cu + 2 H₂SO₄ (конц.) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

а металлы средней активности – преимущественно до серы:

3Zn + 4 H₂SO₄(конц.) = 3ZnSO₄ + S↓ + 4H₂O

Металлы переменной валентности концентрированной H₂SO₄ окисляются, как правило, до высшей степени окисления, например:

3Sn + 8 H₂SO₄ (конц.) = 3Sn(SO₄)₂ + 2S↓ + 8H₂O

Благородные металлы с концентрированной серной кислотой не взаимодействуют ни при каких условиях. Некоторые металлы (Al, Fe, Сr, Ni, Ti, 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 гидросоли, оксида серы (IV) и воды:

Pb + 3 H₂SO₄ = Pb(HSO₄)₂ + SO₂↑ + 2H₂O

2.5. Взаимодействие металлов с азотной кислотой

Независимо от концентрации окислителем в азотной кислоте являются нитрат - ионы NO₃^-, 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): NH₄₄NO₃, N₂, N₂O, NO, НNО₂, NO₂. Свободный аммиак не выделяется, так как он взаимодействует с азотной кислотой, образуя нитрат аммония:

NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃

При взаимодействии металлов с концентрированной азотной кислотой (30–60 % HNO₃) продуктом восстановления HNO₃ является преимущественно оксид азота (IV), независимо от природы металла, например:

Mg + 4HNO₃(конц.) = Mg(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

Zn + 4HNO₃(конц.) = Zn(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2 H₂O

Hg + 4HNO₃(конц.) = Hg(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2 H₂O

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:

Sn + 4 HNO₃ (конц.) = H₂SnO₃ + 4NO₂↑ + H₂O

2Sb + 10 HNO₃ (конц.) = Sb₂O₅ + 10NO₂↑ + 5 H₂O

Мо + 6 HNO₃ (конц.) = H₂МоO₄ + 6NO₂↑ + 2 H₂O

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 NH₄NO₃, например:

8K + 10HNO₃(разб.) = 8КNO₃ + NН₄NO₃ + 3H₂O

Металлы средней активности при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуют соль, воду и азот или N₂O. Чем левее металл в этом интервале (чем ближе к алюминию), тем вероятнее образование азота, например:

5Мn + 12HNO₃(разб.) = 5Mn(NO₃)₂ + N₂↑ + 6H₂O

4Cd + 10HNO₃(разб.) = 4Cd(NO₃)₂ + N₂O↑ + 5H₂O

Малоактивные металлы при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуют соль, воду и оксид азота (II), например:

3Сu + 8HNO₃ (разб.) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

2.6. Взаимодействие металлов с «царской водкой»

«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. Из сравнения полуреакций 28 и 29 с полуреакциями 30–31 (табл.) видно, что при образовании комплексных соединений золота и платины окислительно-восстановительный потенциал уменьшается, что делает возможным их окисление азотной кислотой. Уравнения реакций золота и платины с «царской водкой» записываются так:

Au + HNO₃ + 4HCl = H[AuCl₄] + NO↑ + 2H₂O

3Pt + 4HNO₃ + 18HCl = 3H₂[PtCl₆] + 4NO↑ + 8H₂O

С «царской водкой» не взаимодействуют три металла: вольфрам, ниобий и тантал. Их окисляют смесью концентрированной азотной кислоты с фтороводородной, так как фтороводородная кислота образует более прочные комплексные соединения, чем соляная. Уравнения реакций при этом таковы:

W + 2HNO₃ + 8HF = H₂[WF₈] + 2NO↑ + 4 H₂O

3Nb + 5 HNO₃ + 21HF = 3H₂[NbF₇] + 5NO↑ + 10 H₂O

3Ta + 5 HNO₃ + 24HF = 3H₃[TaF₈] + 5NO↑ + 10 H₂O

2.7. Взаимодействие металлов с водой

Металлы, расположенные в ряду напряжений до водорода, восстанавливают водород из растворов с концентрацией Н⁺- ионов 1 моль ионов в литре. Так как концентрация ионов Н⁺ в воде составляет 10^-7 моль ионов/л, то, вычисляя по уравнению Нернста потенциал Н⁺ -ионов для воды, получаем:

Следовательно, водород из воды могут вытеснять металлы, расположенные в ряду напряжений левее кадмия – от лития до железа. При комнатной температуре с достаточной скоростью взаимодействуют с водой лишь щелочные и щелочноземельные металлы.

Порошкообразные магний и алюминий взаимодействуют с кипящей водой. Необходимым условием реакции является предварительное удаление оксидной пленки:

MgO + H₂O = Mg(OH)₂

Этот процесс протекает без выделения газа. А далее вода непосредственно взаимодействует с металлом с выделением водорода:

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + Н₂↑

Вода является слабым окислителем, поэтому она окисляет металлы до низших степеней окисления.

Часто наблюдается взаимодействие с водой металлов, расположенных в ряду напряжений правее железа. Оно объясняется присутствием в воде растворенного кислорода, являющегося более сильным окислителем, чем вода.

2.7. Взаимодействие металлов со щелочами

Щелочи являются очень слабыми окислителями, поэтому при взаимодействии металлов с растворами щелочей в роли окислителя вы-ступает вода, потенциал которой в щелочной среде равен –0,83 В:

,

а щелочь является средой или комплексообразователем (полуреакция 2 в табл.). Следовательно, с растворами щелочей могут взаимодействовать амфотерные металлы, образующие гидроксокомплексы, при условии, что потенциалы соответствующих полуреакций более отрицательны, чем –0,83 В (полуреакции 6, 13–19).

Взаимодействие металлов со щелочами можно выразить такой общей схемой:

Ме + Н₂О + щелочь = гидроксокомплексная соль + Н₂↑

Роль щелочи в начале реакции заключается в том, что она растворяет поверхностный оксидный слой амфотерного металла, например:

ZnO + H₂ O + 2KOH = K₂[Zn(OH)₄]

После удаления оксидной плёнки реакция протекает в две стадии:

1) Zn + 2H₂O = Zn(OH)₂ + Н₂↑

2) Zn(OН)₂ + 2КОН = K₂[Zn(OH)₄]

Таким образом, с растворами щелочей взаимодействуют металлы, которые в щелочной среде образуют гидроксокомплексы и потенциалы соответствующих полуреакций которых меньше, чем –0,83 В, а именно:

4Al + 4OH^- – 3е^- = [Al(OH)₄]^-; = –2,33 B

2Be + 6OH^- – 4е^- = [Be₂(OH)₆]^2-; = –2,63 B

Cr + 4OH^- – 3е^- = [Cr(OH)₄]^-; = –1,27 B

Ga + 4OH^- – 3е^- = [Ga(OH)₄]^-; = –1,22 B

Sn + 4OH^- – 2е^- = [Sn(OH)₄]^2-; = –0,91 B

Некоторые металлы (Fe, Ti, Re, Mn и др.) взаимодействуют со щелочами в присутствии более сильного, чем вода, окислителя (KClO₃, KNO₃, O₂ и др.).

Mn + KСlO₃ + 2KOH = K₂MnO₄ + KCl + H₂O

Fe + 3KNO₃ + 2KOH = K₂FeO₄ + 3KNO₂ + H₂O

4Sb + 3O₂ + 4NaOH + 6H₂O = 4Na[Sb(OH)₄]

Металлы, способные взаимодействовать не только с кислотами, но и со щелочами, называются амфотерными. Типичные металлы со щелочами не взаимодействуют.

2.8. Взаимодействие металлов с растворами солей других металлов

Свои особенности имеют реакции металлов с растворами солей других металлов. При изучении таких реакций необходимо учитывать возможность окисления данного металла продуктами гидролиза соли.

Например, при взаимодействии цинка с раствором сульфата меди возможны следующие реакции:

– окисление цинка ионами меди (+2):

Zn + CuSO₄ = Cu + ZnSO₄

– окисление цинка серной кислотой, которая образуется при гидролизе сульфата меди:

2CuSO₄ + 2Н₂О = (CuОН)₂SO₄ + Н₂SO₄ – гидролиз

Zn + Н₂SO₄ = ZnSO₄ + Н₂↑ – окисление

Суммируя эти уравнения, получаем:

2Zn + 3CuSO₄ + 2Н₂О = Cu + (CuОН)₂SO₄ + 2ZnSO₄ + H₂↑

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 200; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!