Химические свойства металлов

 

Свободные металлы являются восстановителями:

M⁰– ne ^– → M ^{n +}.

Восстановительная способность металлов меняется в широких пределах и служит мерой химической активности, за которую принимается их способность переходить в состояние положительно заряженного иона, теряя при этом электроны.

Металлы взаимодействуют с кислотами, водой, щелочами и солями в соответствии с положением в ряду напряжений.

При взаимодействии металлов с растворами солей вытесняются малоактивные металлы, так как их ионы являются окислителями. Например,

Zn + Pb(NO₃)₂ = Zn(NO₃)₂ + Pb.

Со щелочами взаимодействуют только амфотерные металлы с образованием комплексных солей и выделением водорода:

Zn + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + H₂↑

или в водном растворе:

Zn + 2NaOH + 2Н₂О = Na₂ [Zn(OН)₄] + H₂↑.

Продукты взаимодействия кислот с металлами представлены в табл. 1. Видно, что металлы, стоящие после водорода, не взаимодействуют с кислотами, в которых частицей-окислителем является водород (HCl, H₂SO₄(разб)).

Правила использования данной таблицы рассмотрим на примере взаимодействия магния с концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами. Магний активный металл, поэтому, помимо соли и воды, будет образовываться H₂S при взаимодействии с концентрированной серной кислотой и N₂O при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой:

 

Mg + H₂SO₄ (конц) = MgSO₄ + H₂O + H₂S,

 

Mg + HNO₃ (разб) = Mg(NO₃)₂ + H₂O + N₂O.

Таблица 1

Продукты взаимодействия металлов с водой и некоторыми

кислотами

Реагент	Активные металлы (Li–Al)	Среднеактивные металлы (Ti–H)	Малоактивные металлы (после Н)
H2O	Гидроксид металла + H2 или оксид металла + H2 (при нагревании)	–
HCl	Хлорид металла + H2	–
H2SO4 (разб)	Сульфат металла + H2	–
H2SO4 (конц)	Сульфат металла + H2O + П*
H2S	S	SO2
HNO3 (конц) ρ = 1,45	Нитрат металла + H2O + П*
NO	NO	NO2
HNO3 (разб) r = 1,2	Нитрат металла + H2O + П*
N2O	NO	NO
HNO3 (оч.разб) r = 1,0	Нитрат металла + H2O +NH4NO3	–	–
П* –продукт, зависящий от активности металла; (разб) – разбавленная, (конц) – концентрированная

 

 

Пассивация металла – это процесс торможения и полного прекращения его окисления при взаимодействии с растворами окислителей в результате образования защитной пленки на поверхности.

Некоторые металлы пассивируются на воздухе, взаимодействуя с кислородом и образуя защитные оксидные пленки.

2Pb + O₂ = 2PbO; Pb + O₂ = PbO₂.

При помещении таких металлов в более агрессивную среду (кислоту или щелочь) пленка препятствует взаимодействию металла с окислителями.

а) Пассивация металла в результате образования

нерастворимых солей и гидроксидов на его поверхности

Процесс пассивации металла в результате образования нерастворимых солей или гидроксидов на его поверхности достаточно просто предсказать, пользуясь таблицей растворимости веществ. Если соль или гидроксид металла, который взаимодействует с кислотой, водой или основанием, нерастворимы – металл будет пассивироваться.

Например, если поместить в концентрированную серную кислоту кусочек кадмия или свинца (предварительно очищенный от оксидной пленки), то уравнения проходящих реакций будут схожи:

Cd + H₂SO₄ = CdSO₄ + H₂O + S;

Pb + H₂SO₄ = PbSO₄↓ + H₂O + S.

Однако, если кадмий растворится в кислоте полностью, то окисление свинца вскоре прекратится. Пользуясь таблицей растворимости, можно убедиться, что сульфат кадмия растворимое вещество, а сульфат свинца – нет.

Есть металлы, которые реагируют с разбавленными кислотами, но не реагируют с концентрированными (т. е. безводными) кислотами – серной кислотой и азотной кислотой. Эти металлы – Al, Fe, Cr, Ni и некоторые другие – при контакте с безводными кислотами сразу же покрываются продуктами окисления. Продукты окисления, образующие прочные пленки, могут растворяться в водных растворах кислот, но нерастворимы в кислотах концентрированных.

б) Пассивация металлов в результате образования оксидов

Иногда вместо соли на поверхности металла образуется оксид. Это характерно для взаимодействия металлов с азотной кислотой. В этом случае уравнение ОВР записывается как обычно, но вместо соли в продуктах образуется оксид:

2Al + 2HNO₃ (средн. конц) = Al₂O₃ + H₂O + 2NO;

2Al + 6HNO₃ (конц)= Al₂O₃ + 3H₂O + 6NO₂.

С химической стороны крепкая азотная кислота характеризуется, прежде всего, сильно выраженными окислительными свойствами. При этом основным конечным продуктом восстановления не очень крепкой HNO₃ является NO, а концентрированной – NO₂.

Таблица 2

Продукты пассивации некоторых металлов

 

Реагент	Zn	Al	Be	Cr	Fe
H2O	Zn(OH)2	Al(OH)3	Be(OH)2	Cr(OH)2	Fe(OH)2
H2SO4 (конц)	–	–	BeSO4	CrSO4	FeSO4 Fe2(SO4)3
HNO3 (конц)	–	Al2O3	BeO	Cr2O3	Fe2O3