Хімічні властивості металів

Програмні питання

Поширеність та форми знаходження металів у природі. Методи добування металів: пірометалургія, електрометалургія, гідрометалургія.

Електронна будова атомів металів. Відновні властивості металів. Взаємодія металів з простимі речовинами, водою, розчинами лугів та кислот.

Нагадаємо, що хімічні елементи розподіляються на дві групи: метали і неметали. З фізичної точки зору ще з часів М.В.Ломоносова (1748 р.) метали мають сукупність загальних властивостей: так званий металевий блиск, тобто, сірий колір (виключення – мідь і золото); високі значення тепло- і електропровідностей; як правило, - високу механічну міцність та високі температури плавлення; пластичність – здібність металів під впливом механічних навантажень деформуватись без руйнування (ковкість). Загальність фізичних властивостей металів обумовлена специфічністю металічного зв’язку та особливостями будови металічної решітки. У неметалів такий сукупності загальних властивостей немає.

Також відомо, якщо провести діагональ від Be до At в періодичній таблиці хімічних елементів Д.І.Менделєєва, то головних підгрупах зліва від цієї діагоналі будуть знаходитись метали, а з права – неметали. Неметалів налічується всього 21 – H, B, C, N, O, F, Si, P, S, Cl, As, Se, Br, Te, I, а також інертні елементи - He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Однак, в багатьох країнах виділяють ще одну групу елементів – металоїдів. Сім елементів цієї групи знаходяться вздовж діагоналі, утворюючи так звані “східцi”: B, Si, Ge, Sb, As, Te, At. Хімічні властивості сполук цих елементів характерні як для сполук металів, так і неметалів.

З точки зору електронної будови атоми металів мають невелику кількість електронів на зовнішнім (валентнім) рівні: ns^1-2. Ці електрони слабо взаємодіють з ядром атома (низки значення енергії іонізації та стандартних окисно-відновних потенціалів) і тому вони легко відриваються від нього. Атом метала, таким чином, проявляє властивості відновника і окислюється:

Ме⁰ - ne = Меⁿ⁺

Взагалі до металів, крім s елементів - ns^1-2 (виключення – H, He), відносяться також всі d- і f- елементи (d^1-10 і f^1-14) без виключень, навіть частина р-елементів – з 1-2 електронами на цьому підрівні. Як вже було нагадано, метали, вступаючи в реакції, окислюються. Тому значення їх окисно-відновних ( red-ox або електродних ) потенціалів, (як правило, стандартні значення) мають бути меншими за відповідні значення окисників:

_Ме < _{окисника}

Для студентів енергетиків, електроенергетиків, студентів любого технічного напрямку дуже важливо знати, як той чи інший метал реагує з речовинами, в середовище яких він існує – повітрям, киснем, воднем, азотом, з водою і водневими розчинами лугів, кислот і таке інше. З цими знаннями також зв’язани питання, яки стосуються поведінки металів та їх сплавів і конструкцій, вироблених з різних металів, у воді та в вологому повітрі і водневих середовищах різних речовин – питання електрохімічної корозії.

Взаємодія металів з водою. Атомом-окисником в реакціях з водою є катіон гідрогену, Н⁺, води:

Ме - ne = Me

2 Н₂О + 2e = H + 2ОН^-; = -0,41 В

Тобто, принципово повинні реагувати з водою тільки метали, котрих є меншим за -0,41 Вольт (дивись табл. №). Наприклад:

2Na + 2 Н₂О = 2 NaOH + H₂

Na⁰ - 1e = Na⁺x2

2H⁺+ 2x1e = H₂ x1

Тобто, продуктом відновлення є газоподібний водень, продуктом окислення – розчинні у воді гідроксиди металів. Однак, більшість металів з такими значеннями потенціалів мають на своєї поверхні нерозчинні у воді захисні плівки оксидів. Тому вони не розчиняються – Mg, Al, Zn, Cr, Fe…

Взаємодія металів з розчинами лугів. Якщо ця захисна пливка оксиду має амфотерний характер, то вона буде розчинятись в розчині лугу, і метал буде взаємодіяти з водою. Такими металами є: Be, Zn, Sn, Pb (тільки ці двовалентні), Al, Cr,…(та інші трьохвалентні).

Послідовність стадій взаємодії в таких випадках буде наступною:

1. Розчинення захисної оксидної плівки з утворенням розчинних у воді гидроксокомплексів металу –

ZnO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Zn(OH)₄ ]

Al₂O₃ + 6NaOH + 3H₂O = 2Na₃[ Al(OH)₆]

відповідно для дво- і трьохвалентних металів.

2. Взаємодія металу з водою (окисно-відновна реакція) -

Zn + 2H₂O = Zn(OH)₂ + H₂

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

3. Розчинення осаду гидроксиду у надлишку лугу –

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄ ]

Al(OH)₃ + 3NaOH = Na₃[ Al(OH)₆].

Так як перша ступінь реакції дає лише незначну кількість продуктів, то складання рівнянь двох останніх реакцій приводить до сумарного рівняння процесу взаємодії металу з розчином лугу:

Zn + 2NaOH +2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄ ] + H₂

Zn - 2e = Zn²⁺x1

2H₂O + 2x1e = H₂ + 2OH^-x1

2Al(OH)₃ + 6NaOH + 6H₂O = 2Na₃[ Al(OH)₆] + 3H₂

Al⁰ - 3e = Al³⁺x2

2H₂O + 2x1e = H₂ + 2OH^- x3

Тобто, продуктом відновлення є газоподібний водень, продуктом окислення – розчинні у воді гідроксокомплекси ціх металів.

Тіж самі метали взаємодіють із розтопленими лугами (при нагріванні) в відсутності води. Іоном-окисником в цих випадках буде Н⁺ лугу, а продуктом окиснення – солі кислот, яки відповідають амфотерним гідроксидам – Ме(ОН)₂ та Ме(ОН)₃:

Zn + 2KOH = K₂ZnO₂ + H₂;

2Al + 6KOH = 2K₃AlO₃ + 3H₂;

Взаємодія металів з розчинами кислот ‘’ неокисників ‘’ (HCl, H SO , H PO , CH COOH…), тобто розчинами кислот - слабких окисників в порівнянні з розчинами кислот – сильних окисників. Атомом-окисником знову ж таки є катіон гідрогену, але з більшим значенням окисно-відновного потенціалу, ніж у воді - 0. Тому в таких розчинах повинні розчинятись метали, стандартні red-ox потенціали менші нуля Вольт, тобто ті метали, яки знаходяться в ряду напруг металів до гідрогену:

Fe + H SO = FeSO₄ + H₂ ; = -0,44 B

2Al + 3H SO = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂ ; = -1,66 B

Cu + HCl =, так як = + 0,34 B

Однак, в деяких випадках (Pb, Sn,…), реакція, котра принципово мала б перебігати, не здійснюється, або перебігає з дуже малими швидкостями по причинам поганій розчинності солі і таке інше.

Взаємодія металів з розчинами кислот – сильних окисників. При реакціях металів з водними розчинами кислот-окисників, таких як H SO , та НNO , НNO , потрібно пам’ятати, що атомами окисниками в цих випадках є атоми кислото-утворюючих елементів - S , N . Продуктами окислення будуть, як правило, солі металів. Склад продуктів відновлення залежить від активності металів (дивись ряд стандартних red-ox потенціалів металів, табл…..). Дуже активні метали (Li – Mg) відновлюють концентровану сульфатну кислоту до Н S; активні (Ве – Cr) – до S; малоактивні (Fe – Hg) – до SO . Подібним же чином діє розведена нітратна кислота. Відповідними продуктами відновлення нітрогену будуть: NH₄NO₃, N O; N ; NO. Необхидно пам'ятати, що в більшості випадків виділяються всі продукти відновлення, але в різніх співвідношеннях. Ми же пишимо тількі основной з них.

Відповідні схеми:

H₂S + сіль металу + H₂O

+8e Mg

+6e Be

H S⁺⁶ O _конц_. S + сіль металу + H₂O

+ 2e Fe

SO₂ + сіль металу + H₂O

Неметали окислюються, як правило, до вищих оксидів або до відповідних кислот.

для дуже розведеної N^-3H₄N⁺⁵O₃ + сіль металу + H₂O

+8e 5е х2 Mg N₂ + сіль металу + H₂O

+4e x2 Be

HN⁺⁵ O3_{розвед.} N₂O + сіль металу + H₂O

+3e Fe

SO₂ + сіль металу + H₂O

Концентрована нітратна кислота незалежно від активності металу відновлюється з утворенням NO :

1 Mg + HNO₃_конц. 2 NO₂ + 1 Mg(NO₃)₂ + H₂O

N⁺⁵ +e = N⁺⁴x2

Mg⁰ - 2e = Mg²⁺x1

Всього з права є 4 атома нітрогену, тому перед нітратною кислотой ставимо коефіцієнт 4. Зліва – 4 атомів гідрогену, слід перед водой – 2:

1 Mg + 4 HNO₃_конц. = 2 NO₂ + 1 Mg(NO₃)₂ + 2 H₂O

Перевірка по кількостям оксигену дає по 12. Коефіцієнти розставлені вірно.

Концентровані нітратна та сульфатна кислоти ‘’на холоду ‘’ (без нагрівання) пасивують деякі метали (Al, Cr, Fe, Co, Ni, Ti, Zr,…), тобто переводять їх в неактивний стан, утворюючи на поверхнях металів захисну оксидну плівку, яка не розчиняється у розчині і запобігає перебігу реакції:

Al + 6 HNO_{3 конц.} Al₂O₃ + 6 NO₂ + 3 H₂O

2Al⁰ - 3e x2 = Al³⁺x1

N⁺⁵ + 1e = N⁺¹ x6

В обох частинах рівняння по 18 атомів оксигену, тому коефіцієнти розставлени вірно.

Потрібно також пам’ятати, що розчини кислот - сильних окисників здібні окислювати метали, що стоять в ряду напруг металі тільки по Hg (меркурій) включно. Менш активні метали (Au, Pt, ….) окислюються тільки сумішами розчинів кислот.