1.3. Общие химические свойства металлов

Восстановительная способность металлов. Химиче­ские свойства обусловлены характерной способностью атомов металлов образовывать элементарные положительные ионы, отдавая свой электрон

Me → Меⁿ⁺ + nе

Металлы проявляют свои восстановительные свойства в реакциях взаимодействия с различными окислителями, в каче­стве которых могут выступать элементарные вещества, вода, щелочи, кислоты, соли менее активных металлов и т.д.

Взаимодействие металлов с элементарными окисли­телями. При взаимодействии металлов с элементарными окис­лителями атомы окислителя восстанавливаются, образуя отри­цательные элементарные ионы. В идеальных условиях реакция идет самопроизвольно, если энергия сродства к электрону окислителя Е_ср. превышает энергию ионизации металла Е_ион. Тепловой эффект реакции будет равен разности этих энергий.

Me - ё = Ме⁺- Е_ион.

X + ё = X + E_ср.

Me + X = Ме⁺Х^- + Е_ср -Е_ион

Однако в реальных условиях реакция осложнят а про­цессами сублимации металла, диссоциации молекул окисшие ля и кристаллизации продукта окисления. Энергии этих про­цессов сказываются на суммарном тепловом эффекте:

2Ме + Х₂ = 2Ме⁺Х^- + 2Е_ср- 2Е_ион. + 2Е_суб. + 2Е_крист

Особенно сильно сказывается влияние энергии диссоциа­ции молекул окислителя. Поэтому окисление металлов галоге­нами часто происходит легче, чем кислородом, а окисление азотом - с очень большим трудом, несмотря на большую энер­гию сродства к электрону у кислорода и азота. Те же законо­мерности проявляются при взаимодействии металлов с серой.

Взаимодействие металлов с солями, водой и щелоча­ми. Если погрузить пластинку цинка в раствор CuSO₄ или РЬ(СН_зСОО)₂, то легко заметить выделение меди в первом случае и свинца во втором.

Zn + CuSO₄ = Сu + ZnS04

Zn + Рb(СН_зСОО) = Zn(CH₃COO)₂ + Pb

Zn - 2e = Zn²⁺; Zn - 2e = Zn²⁺

Cu²⁺ + 2e = Сu Pb²⁺ + 2e = Pb

Однако ни медь, ни свинец вытеснить цинк из его солей не могут. Следовательно, восстановительная способность цин­ка или его химическая активность как металла вьппе.

Изучая взаимодействие металлов с ионом водорода в кислых растворах, замечаем, что цинк и свинец могут вытес­нить водород из растворов кислот, а медь не может.

Zn + 2Н⁺ = Zn²⁺ + Н₂

Pb + 2Н⁺ = Pb²⁺ + Н₂

В то же время свинец вытесняет медь из растворов солей, а наоборот реакция не идет, т.е. мы можем эти три металла расположить в некоторый ряд в порядке уменьшения их актив­ности:

Zn...Pb...H...Cu

Оказывается, что металлы высокой химической активно­сти (сильные восстановители) могут разлагать воду с вытесне­нием водорода при комнатной температуре:

Me + Н₂О → МеОН + 1/2Н₂

Me -ё → Ме⁺

Н⁺ + ё → Н°

Так реагируют с водой щелочные и щелочноземельные металлы.

Менее активные металлы вступают в реакцию с водой \ при нагревании, образуя гидроксиды или оксиды по реакции:

Me⁰ + Н₂0 = МеО + Н₂

Ме° - 2е = Ме²⁺

2Н⁺ + 2е = Н₂

Так, например, реагирует с водяным паром железо при высоких температурах.

Со щелочами могут реагировать металлы, дающие амфотерные оксиды

Me + 2Н₂О + 2ОН^- - [Me (ОН)₄] ^2- + Н₂.

По такой схеме происходит реакция с растворами щелочи двухвалентных металлов - бериллия и цинка.

Взаимодействие с кислотами. С кислотами металлы реагируют различно, в зависимости от активности самого ме­талла и окислительных свойств кислоты. С неокисляющими кислотами металлы, стоящие до водорода в ряду напряжений, реагируют с вытеснением водорода. К неокисляющим кисло­там относятся соляная кислота как разбавленная, так и концен­трированная и разбавленная серная кислота. Реакция для сво­бодных металлов и вышеуказанных кислот в общем виде сле­дующая:

Me + 2Н⁺ = Ме²⁺ + Н₂

Me -2е = Ме²⁺

2Н⁺+2е = Н₂

Например: Zn + 2НС1 = ZnCI2 + Н2

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H₂.

В этой реакции свободные металлы - восстановители, а ионы Н⁺- окислители, принимающие электроны от атомов ме­талла.

Концентрированная серная кислота и азотная кислота (разбавленная и концентрированная) являются окисляющими кислотами. В качестве окислителей в них выступают ионы SO₄^2- и NO₃^-

Серная кислота может восстанавливаться до S^2-, S^O или чаще до S⁴⁺. Степень восстановления зависит от активности металла, концентрации кислоты и температуры.

С активными металлами, например с магнием, реакция пойдет с образованием сероводорода:

4Mg + 5H₂SO₄ = 4MgSO₄ + H₂S + 4H₂O

С металлами средней активности, например с цинком, может образоваться сера:

3Zn + 4H₂SO₄ = 3ZnSO₄ + S + 4Н₂O

Неактивные металлы реагируют с концентрированной серной кислотой с образованием сернистого газа S0₂. Напри­мер

Сu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ + 2Н₂O

Ge + 2H₂SO₄ = GeO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

Взаимодействие металлов с азотной кислотой может при­водить к образованию разных продуктов с различными степе­нями окисления азота. Активные металлы при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой восстанавливают азот до NH₃ и его комплексного иона NH₄⁺

4Mg + 10HNO3р = NH4NO3 + 4Mg(NO₃)₂ + 3H₂O.

При нагревании реакция с цинком идет с выделением N₂0:

4Zn + 10HNO3_р = 4Zn(NO₃)₂ + N₂O + 5Н₂O.

С менее активными металлами продуктами реакции яв­ляются NO и NO₂, но чаще всего они выделяются совместно, и преобладание одного из оксидов определяется концентрацией азотной кислоты и температурой процесса

3Cu + 8HNO3_p = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4Н₂O

Сu + 4HNO_3k = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2Н₂O

3Ge + 4HNO_3Р = 3GeO₂ + 4NO + 2Н₂O

Окислительную способность азотной кислоты можно усилить, добавив к ней соляной кислоты («царская водка») или плавиковой кислоты. Эти смеси растворяют самые пассивные металлы - золото и платину.

Au + 4НС1 +HNO_3(p.) - НАuС1₄ + NO + 2Н₂O

Аu + ЗHNOз_k + 4НС1 = HAuCU + 3NO₂ + ЗН₂O

Pt + 4HN0_{3 k} + 6HF = H₂PtF₆ + 4NO₂ + 8H₂O

3Ti + 4HN0_{3(cp.конц.)} + 18HF = 3H₂TiF₆ + 4NO + 8H₂O

Пассивация металлов кислотами происходит в результате образования на их поверхности нерастворимых продуктов

2А1 + 6HNO₃ = А1₂O₃ + 6NO₂ + ЗН₂O

Ti, Cr, Мn, Fe, Со, Ni, Ge также пассивируются азотной кислотой.

3Ge + 4HNO_3p = GeO₂ + 4NO + 2Н₂O

Оксидные пассивирующие пленки могут образовываться и при взаимодействии с концентрированной серной кислотой:

Ge + 2H₂S0₄ = Ge0₂↓ +2S0₂↑ + 2H₂0

На поверхности свинца в растворах серной и плавиковой кислот образуются нерастворимые соли, которые также пасси­вируют его поверхность:

Pb + H₂S0₄ = PbS0₄↓ + Н₂

2А1 + 6HF = 2A1F₃↓ + ЗН₂