Химические свойства металлов. Татьяна С., онлайн репетитор по химии написал(a) 01 ноя 2011

Татьяна С., онлайн репетитор по химии написал(a) 01 ноя 2011

· Химия

Строение атомов металлов определяет не только характерные физические свойства простых веществ – металлов, но и общие их химические свойства.

При большом многообразии все химические реакции металлов относятся к окислительно-восстановительным и могут быть только двух типов: соединения и замещения. Металлы способны при химических реакциях отдавать электроны, то есть быть восстановителями, проявлять в образовавшихся соединениях только положительную степень окисления.

В общем виде это можно выразить схемой:
Ме⁰ – ne → Me⁺ⁿ,
где Ме – металл – простое вещество, а Ме⁰⁺ⁿ – металл химический элемент в соединении.

Металлы способны отдавать свои валентные электроны атомам неметаллов, ионам водорода, ионам других металлов, а поэтому будут реагировать с неметаллами – простыми веществами, водой, кислотами, солями. Однако восстановительная способность металлов различна. Состав продуктов реакции металлов с различными веществами зависит и от окислительной способности веществ и условий, при которых протекает реакция.

При высоких температурах большинство металлов сгорает в кислороде:

2Mg + O₂ = 2MgO

Не окисляются в этих условиях только золото, серебро, платина и некоторые другие металлы.

С галогенами многие металлы реагируют без нагревания. Например, порошок алюминия при смешивании с бромом загорается:

2Al + 3Br₂ = 2AlBr₃

При взаимодействии металлов с водой в некоторых случаях образуются гидроксиды. Очень активно при обычных условиях взаимодействуют с водой щелочные металлы, а также кальций, стронций, барий. Схема этой реакции в общем виде выглядит так:

Ме + HOH → Me(OH)_n + H₂↑

Другие металлы реагируют с водой при нагревании: магний при её кипении, железо в парах воды при красном кипении. В этих случаях получаются оксиды металлов.

Если металл реагирует с кислотой, то он входит в состав образующейся соли. Когда металл взаимодействует с растворами кислоты, он может окисляться ионами водорода, имеющимися в этом растворе. Сокращённое ионное уравнение в общем виде можно записать так:

Me + nH⁺→ Meⁿ⁺ + H₂↑

Более сильными окислительными свойствами, чем ионы водорода, обладают анионы таких кислородосодержащих кислот, как например, концентрированная серная и азотная. Поэтому с этими кислотами реагируют те металлы, которые не способны окисляться ионами водорода, например, медь и серебро.

При взаимодействии металлов с солями происходит реакция замещения: электроны от атомов замещающего – более активного металла переходят к ионам замещаемого – менее активного металла. То сеть происходит замещение металла металлом в солях. Данные реакции не обратимы: если металл А вытесняет металл В из раствора солей, то металл В не будет вытеснять металл А из раствора солей.

В порядке убывания химической активности, проявляемой в реакциях вытеснения металлов друг друга из водных растворов их солей, металлы располагаются в электрохимическом ряду напряжений (активности) металлов:

Li → Rb → K → Ba → Sr → Ca → Na→ Mg → Al → Mn → Zn → Cr → → Fe → Cd→ Co → Ni → Sn → Pb → H → Sb → Bi → Cu → Hg → Ag → Pd → Pt → Au

Металлы, расположенные в этом ряду левее, более активны и способны вытеснять следующие за ними металлы из растворов солей.

В электрохимический ряд напряжений металлов включён водород, как единственный неметалл, разделяющий с металлами общее свойство — образовывать положительно заряженные ионы. Поэтому водород замещает некоторые металлы в их солях и сам может замещаться многими металлами в кислотах, например:

Zn + 2 HCl = ZnCl₂+ H₂↑ + Q

Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода, вытесняют его из растворов многих кислот (соляной, серной и др.), а все следующие за ним, например, медь не вытесняют.

СТАНДАРТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

СТАНДАРТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ (нормальный потенциал), значение электродного потенциала, измеренное в стандартных условиях относительно выбранного электрода сравнения (стандартного электрода). Обычно стандартные потенциалы находят в условиях, когда термодинамич. активности а всех компонентов потенциалопределяющей р-ции, протекающей на исследуемом электроде, равны 1, а давление газа (для газовыхэлектродов) равно 1,01 · 10⁵ Па (1 атм). Для водных р-ров в качестве стандартного электрода используютводородный электрод (Pt; H₂ [1,01·10⁵Па], Н⁺ [a=1]), потенциал к-рого при всех т-рах принимается равным нулю (см.Электроды сравнения): стандартный потенциал равен эдс электрохимической цепи, составленной из исследуемого и стандартного электродов. Согласно рекомендациям ИЮПАК (1953), при схематич. изображении цепи (гальванич. ячейки) водородный электрод всегда записывается слева, исследуемый-справа. Потенциал исследуемого электродасчитается положительным, если в режиме "источник тока" слева направо во внеш. цепи движутся электроны, а в р-ре - положительно заряженные частицы. Напр., стандартный потенциал хлорсеребряного электрода равен эдс гальванич. ячейки

-Pt, Н₂[1,01·10⁵Па]|НС1(а_b=l)|AgCl, Ag|Pt +

Для любой электродной р-ции, включающей перенос n электронов, электродный потенциал определяется ур-нием:

где Е°-стандартный потенциал электрода, R-газовая постоянная, Т-абс. т-ра, F- постоянная Фарадея, а_i-термодинамич. активность частиц (как заряженных, так и незаряженных), участвующих в электродной р-ции, v_i-стехиометрич. коэффициенты (положит. числа для продуктов р-ций и отрицат. числа для исходных в-в, если при записи стехиометрич. ур-ния элек-трохим. процесса электроны входят в левую часть ур-ния, напр. AgCl + е: Ag + С1^-). Значения стандартных потенциалов для ряда электродных процессов в водной среде приведены в таблице в порядке убывания окислит. способности соответствующих систем. Стандартные потенциалы металлов и водорода, расположенные в порядке их возрастания, составляют электрохимический ряд напряжений.

Стандартный потенциал определяется либо непосредственными измерениями эдс соответствующих электрохим. цепей с экстраполяцией на бесконечно разб. р-ры, либо расчетом - по данным о стандартных значениях измененияэнергии Гиббса хим. р-ции DG⁰. В последнем случае р-цию представляют в виде суммы двух (или более) электродных р-ций, одна из к-рых -окис-лит.-восстановит. р-ция с искомым стандартным потенциалом , а другая-с известным стандартным потенциалом. . Если в условной схеме ячейки 1-й электрод записан слева, то

Из ур-ния следует, что стандартные потенциалы, в свою очередь, м.б. использованы для расчета DG⁰ и константы равновесия К р-ции (ln К = — DG°/RT). Значения E⁰, рассчитанные на основе значений DG⁰, представлены в таблице; они далеко не всегда м. б. реализованы в электрохим. цепях из-за того, что предполагаемое равновесиеэлектродной р-ции в действительности может не устанавливаться (это характерно для щелочных, щел.-зем.металлов и большинства орг. в-в в водных р-рах).

В неводных р-рителях стандартные потенциалы также определяют по отношению к потенциалу водородного электрода для каждого отдельного р-рителя. Ведется поиск стандартного электрода, потенциал к-рого можно было бы считать практически не зависящим от природы р-рителя, что позволило бы создать единую шкалу электродных потенциалов. В качестве таких электродов предложены системы: рубидий/ион рубидия, ферроцен/ферроциний-катион и бис(дифенил)хром(I)/ /бис(дифенил)хром(0), потенциалы к-рых из-за большого размера ионов и соотв. малой их сольватации незначительно (по сравнению с потенциалом водородного электрода) зависят от природы р-рителя. Последние два электрода рекомендованы в 1984 ИЮПАК в качестве электродов сравнения в неводных орг. средах.

Выбор электрода сравнения и стандартного состояния исследуемого электрода в системах с расплавами и твердым электролитом в большой мере определяется природой как исследуемого электродного процесса, так и ионного проводника. В широко используемых в качестве электролитов расплавах хлоридов металлов стандартный потенциалберется в хлорной шкале, т. е. в качестве стандартного пользуются хлорным электродом в расплавленном хлориде(графит, Сl₂ [1,01 · 10⁵ Па], MC1_z [расплав]), где М-металл (на практике обычно берут смесь хлоридов металла).Активность катионов М^z+ в индивидуальном расплаве принимается равной 1. В ряде высокотемпературных гальванич. элементов с твердым электролитом в качестве электрода сравнения применяют оксидные электроды, в частности вюститовый (Pt; Fe, FeO).

Электрохимический ряд активности металлов (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения ихстандартных электрохимических потенциалов φ⁰, отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Meⁿ⁺: Meⁿ⁺ + nē → Me

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

Li→Rb→K→Ba→Sr→Ca→Na→Mg→Al→Mn→Zn→Cr→Fe→Cd→Co→Ni→Sn→Pb→H→Sb→Bi→Cu→Hg→Ag→Pd→Pt→Au

Практическое использование ряда напряжений[править | править вики-текст]

Ряд напряжений используется на практике для сравнительной оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот и для оценкикатодных и анодных процессов при электролизе:

· Металлы, стоящие левее, являются более сильными восстановителями, чем металлы, расположенные правее: они вытесняют последние из растворов солей. Например, взаимодействие Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu возможно только в прямом направлении.

· Металлы, стоящие в ряду левее водорода, вытесняют водород при взаимодействии с водными растворами кислот-неокислителей; наиболее активные металлы (до алюминия включительно) — и при взаимодействии с водой.

· Металлы, стоящие в ряду правее водорода, с водными растворами кислот-неокислителей при обычных условиях не взаимодействуют.

· При электролизе металлы, стоящие правее водорода, выделяются на катоде; восстановление металлов умеренной активности сопровождается выделением водорода; наиболее активные металлы (до алюминия) невозможно при обычных условиях выделить из водных растворов солей.

Таблица электрохимических потенциалов металлов[править | править вики-текст]

Металл	Катион	φ⁰, В	Реакционная способность	Электролиз (на катоде):
Li	Li⁺	-3,0401	реагирует с водой	выделяется водород
Cs	Cs⁺	-3,026
Rb	Rb⁺	-2,98
K	K⁺	-2,931
Ra	Ra²⁺	-2,912
Ba	Ba²⁺	-2,905
Fr	Fr⁺	-2,92
Sr	Sr²⁺	-2,899
Ca	Ca²⁺	-2,868
Eu	Eu²⁺	-2,812
Na	Na⁺	-2,71
Sm	Sm²⁺	-2,68
Md	Md²⁺	-2,40	реагирует с водными растворами кислот
La	La³⁺	-2,379
Y	Y³⁺	-2,372
Mg	Mg²⁺	-2,372
Ce	Ce³⁺	-2,336
Pr	Pr³⁺	-2,353
Nd	Nd³⁺	-2,323
Er	Er³⁺	-2,331
Sm	Sm³⁺	-2,304
Pm	Pm³⁺	-2,30
Fm	Fm²⁺	-2,30
Dy	Dy³⁺	-2,295
Tb	Tb³⁺	-2,28
Gd	Gd³⁺	-2,279
Es	Es²⁺	-2,23
Ac	Ac³⁺	-2,20
Dy	Dy²⁺	-2,2
Pm	Pm²⁺	-2,2
Cf	Cf²⁺	-2,12
Am	Am³⁺	-2,048
Cm	Cm³⁺	-2,04
Er	Er²⁺	-2,0
Pr	Pr²⁺	-2,0
Eu	Eu³⁺	-1,991
Ho	Ho³⁺	-2,33
Tm	Tm³⁺	-2,319
Lu	Lu³⁺	-2,28
Sc	Sc³⁺	-2,077
Pu	Pu³⁺	-2,031
Lr	Lr³⁺	-1,96
Cf	Cf³⁺	-1,94
Es	Es³⁺	-1,91
Th	Th⁴⁺	-1,899
Fm	Fm³⁺	-1,89
Np	Np³⁺	-1,856
Be	Be²⁺	-1,847
U	U³⁺	-1,798
Al	Al³⁺	-1,700
Md	Md³⁺	-1,65
Ti	Ti²⁺	-1,63	конкурирующие реакции: и выделение водорода, и выделение металла в чистом виде
Hf	Hf⁴⁺	-1,55
Zr	Zr⁴⁺	-1,53
Pa	Pa³⁺	-1,34
Ti	Ti³⁺	-1,208
Yb	Yb³⁺	-1,205
No	No³⁺	-1,20
Ti	Ti⁴⁺	-1,19
Mn	Mn²⁺	-1,185
V	V²⁺	-1,175
Nb	Nb³⁺	-1,1
Nb	Nb⁵⁺	-0,96
V	V³⁺	-0,87
Cr	Cr²⁺	-0,852
Zn	Zn²⁺	-0,763
Cr	Cr³⁺	-0,74
Ga	Ga³⁺	-0,560
Ga	Ga²⁺	-0,45
Fe	Fe²⁺	-0,441
Cd	Cd²⁺	-0,404
In	In³⁺	-0,3382
Tl	Tl⁺	-0,338
Co	Co²⁺	-0,28
In	In⁺	-0,25
Ni	Ni²⁺	-0,234
Mo	Mo³⁺	-0,2
Sn	Sn²⁺	-0,141
Pb	Pb²⁺	-0,126
H₂	H⁺
W	W³⁺	+0,11	низкая реакционная способность	выделение металла в чистом виде
Ge	Ge⁴⁺	+0,124
Sb	Sb³⁺	+0,240
Ge	Ge²⁺	+0,24
Re	Re³⁺	+0,300
Bi	Bi³⁺	+0,317
Cu	Cu²⁺	+0,338
Po	Po²⁺	+0,37
Тс	Тс²⁺	+0,400
Ru	Ru²⁺	+0,455
Cu	Cu⁺	+0,522
Te	Te⁴⁺	+0,568
Rh	Rh⁺	+0,600
W	W⁶⁺	+0,68
Tl	Tl³⁺	+0,718
Rh	Rh³⁺	+0,758
Po	Po⁴⁺	+0,76
Hg	Hg₂²⁺	+0,7973
Ag	Ag⁺	+0,799
Pb	Pb⁴⁺	+0,80
Os	Os²⁺	+0,850
Hg	Hg²⁺	+0,851
Pt	Pt²⁺	+0,963
Pd	Pd²⁺	+0,98
Ir	Ir³⁺	+1,156
Au	Au³⁺	+1,498
Au	Au⁺	+1,691

27. 2. Классификация дисперсных систем

По размеру частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные системы (взвеси) с размером частиц более 500 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоиды) с размерами частиц от 1 до 500 нм.

Дисперсные системы классифицируют также по степени взаимодействия между дисперсионной средой и дисперсной фазой. Если такое взаимодействие выражено очень слабо, систему называют лиофобной (в случае воды - гидрофобной). Примером гидрофобной системы может служить «баритовая каша» - осадок сульфата бария, получаемый смешиванием растворов, содержащих катион бария и сульфат-анион. Если же дисперсная фаза и дисперсионная среда «тяготеют» друг к другу (например, образуют водородные связи), образуется лиофилъная (гидрофильная) дисперсионная система. Такие системы образуются самопроизвольно и очень устойчивы. К ним относятся растворы высокомолекулярных соединений, например белков. Многие глобулярные белки диспергированы в водных растворах до отдельных молекул, но, поскольку их размеры составляют десятки нанометров, раствор нельзя считать истинным - это дисперсная система.

Разновидность дисперсных систем.

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Название дисперсной системы	Примеры дисперсных систем
Газ	Жидкость	Аэрозоль	Туман,облака, карбюраторная смесь бензина с воздухом в двигателе автомобиля.
Твердое вещество	Аэрозоль	Дым, смог, пыль в воздухе
Жидкость	Газ	Пена	Газированные напитки, взбитые сливки
Жидкость	Эмульсии	Молоко, майонез, жидкие среды организма (плазма крови, лимфа), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма)
Твердое вещество	Золь, суспензия	Речной и морской ил, строительные растворы, пасты.
Твердое вещество	Газ	Твердая пена	Керамика, пенопласты, полиуретан, поролон, пористый шоколад.
Жидкость	Гель	Желе, желатин, косметические и медицинские средства (мази, тушь, помада)
Твердое вещество	Твердый золь	Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы.

28. Строение коллоидной мицеллы

Лиофобные коллоиды обладают очень высокой поверхностной энергией и являются поэтому термодинамически неустойчивыми; это делает возможным самопроизвольный процесс уменьшения степени дисперсности дисперсной фазы (т.е. объединение частиц в более крупные агрегаты) – коагуляцию золей. Тем не менее золям присуща способность сохранять степень дисперсности – агрегативная устойчивость, которая обусловлена, во-первых, снижением поверхностной энергии системы благодаря наличию на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания частиц дисперсной фазы, имеющих одноименный электрический заряд.

Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы – может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:

AgNO₃ + KI ––> AgI + KNO₃

Коллоидная мицелла золя иодида серебра (см. рис. 4.9) образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag+ или иодид-ионов. Если реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет адсорбировать иодид-ионы; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag+. В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими, а сам заряженный кристалл – ядром мицеллы. Заряженное ядро притягивает из раствора ионы с противоположным зарядом – противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов адсорбируется на поверхности ядра, образуя т.н. адсорбционный слой противоионов; ядро вместе с адсорбированными на нем противоионами называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные противоионы, число которых определяется, исходя из правила электронейтральности мицеллы, составляют диффузный слой противоионов; противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции – десорбции.

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы – анионы I^–, противоионы – ионы К⁺) может быть изображена следующим образом:

{[AgI]_m · nI^– · (n-x)K⁺}^x– · x K⁺

При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд:

{[AgI]_m · nAg⁺ · (n-x)NO₃^–}^x+ · x NO₃^–

Рис. 4.9. Строение коллоидной мицеллы

Агрегативная устойчивость золей обусловлена, таким образом, рядом факторов: во-первых, снижением поверхностной энергии дисперсной фазы (т.е. уменьшения движущей силы коагуляции) в результате образования двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания имеющих одноименный заряд коллоидных частиц и противоионов. Еще одна причина устойчивости коллоидов связана с процессом гидратации (сольватации) ионов. Противоионы диффузного слоя сольватированы; эта оболочка из сольватированных противоионов также препятствует слипанию частиц.

26.жесткость воды.ее виды.

58. Жесткость воды и способы ее устранения

Так как кальций широко распространен в природе, его соли в большом количестве содержатся в природных водах. Вода, имеющая в своем составе соли магния и кальция, называется жесткой водой. Если соли присутствуют в воде в небольших количествах или отсутствуют, то вода называется мягкой. В жесткой воде мыло плохо пенится, поскольку соли кальция и магния образуют с ним нерастворимые соединения. В ней плохо развариваются пищевые продукты. При кипячении на стенках паровых котлов образуется накипь, которая плохо проводит теп-лоту, вызывает увеличение расхода топлива и изнашивание стенок котла. Жесткой водой нельзя пользоваться, проводя ряд технологических процессов (крашение). Образование накипи: Са + 2НСО3 = Н2О + СО2 + СаСО3?.

Перечисленные выше факторы указывают на необходимость удаления из воды солей кальция и магния. Процесс удаления этих солей называется водоумягчением, является одной из фаз обработки воды (водоподготовки).

Водоподготовка – обработка воды, используемая для различных бытовых и технологических процессов.

Жесткость воды подразделяется на:

1) карбонатную жесткость (временную), которая вызывается наличием гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется с помощью кипячения;

2) некарбонатную жесткость (постоянную), которая вызывается присутствием в воде сульфитов и хлоридов кальция и магния, которые при кипячении не удаляются, поэтому она называется постоянной жесткостью.

Верна формула: Общая жесткость = Карбонатная жесткость + Некарбонатная жесткость.

Общую жесткость ликвидируют добавлением химических веществ или при помощи катиони-тов. Для полного устранения жесткости воду иной раз перегоняют.

При применении химического метода растворимые соли кальция и магния переводят в нерастворимые карбонаты:

Более модернизированный процесс устранения жесткости воды – при помощи катионитов.

Катиониты – сложные вещества (природные соединения кремния и алюминия, высокомолекулярные органические соединения), общая формула которых – Na2R, где R – сложный кислотный остаток.

При пропускании воды через слой катионита происходит обмен ионов (катионов) Na на ионы Са и Mg: Са + Na2R = 2Na + CaR.

Ионы Са из раствора переходят в катионит, а ионы Na переходят из катионита в раствор. Чтобы восстановить использованный катионит, его необходимо промыть раствором поваренной соли. При этом происходит обратный процесс: 2Na + 2Cl + CaR = Na2R + Ca + 2Cl.

25. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ.

Химические реакции заключаются во взаимодействии реагентов с образованием продуктов реакциию. Не следует, однако, полагать, что направление химической реакции только одно. В действительности, химические реакции протекают и в прямом, и в обратном направлениях:

Реагенты

Продукты

Все химические реакции, в принципе, обратимы.
Это означает, что в реакционной смеси протекает как взаимодействие реагентов, так и взаимодействие продуктов. В этом смысле различие между реагентами и продуктами условное. Направление протекания химической реакции определяется условиями ее проведения (температурой, давлением,концентрацией веществ).
Многие реакции имеют одно преимущественное направление и для проведения таких реакций в противоположном направлении требуются экстремальные условия. В подобных реакциях происходит почти полное превращение реагентов в продукты.

Пример. Железо и сера при умеренном нагревании реагируют между собой с образованием сульфида железа (II), FeS при таких условиях устойчив и практически не разлагается на железо и серу:

Fe + S

FeS

Пример. Реакция синтеза аммиака является обратимой:

N₂ + 3H₂

2NH₃

При 200 атм и 400 0С достигается максимальное и равное 36% (по объему) содержание NH3 в реакционной смеси. При дальнейшем повышении температуры вследствие усиленного протекания обратной реакции объемная доля аммиака в смеси уменьшается.
Прямая и обратная реакции протекают одновременно в противоположных направлениях.

Во всех обратимых реакциях скорость прямой реакции уменьшается, скорость обратной реакции возрастает до тех пор, пока обе скорости не станут равными и не установится состояние равновесия.

В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции становятся равными.