Възстановяващи свойства- това са основните химични свойства, характерни за всички метали. Те се проявяват при взаимодействие с голямо разнообразие от окислители, включително окислители от околната среда. Като цяло взаимодействието на метал с окислители може да се изрази със следната схема:
Me + Окислител" аз(+X),
Където (+X) е положителната степен на окисление на Me.
Примери за окисляване на метали.
Fe + O 2 → Fe(+3) 4Fe + 3O 2 = 2 Fe 2 O 3
Ti + I 2 → Ti(+4) Ti + 2I 2 = TiI 4
Zn + H + → Zn(+2) Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2
Серия от дейности с метал
Редукционните свойства на металите се различават един от друг. Електродните потенциали E се използват като количествена характеристика на редукционните свойства на металите.
Колкото по-активен е металът, толкова по-отрицателен е неговият стандартен електроден потенциал E o.
Металите, подредени в редица, тъй като тяхната окислителна активност намалява, образуват серия от активности.
Серия от дейности с метал
| аз | Ли | К | ок | Na | Mg | Ал | Мн | Zn | Кр | Fe | Ni | сн | Pb | H 2 | Cu | Ag | Au |
| Аз z+ | Li+ | К+ | Ca2+ | Na+ | Mg 2+ | Ал 3+ | Mn 2+ | Zn 2+ | Cr 3+ | Fe 2+ | Ni 2+ | Sn 2+ | Pb 2+ | H+ | Cu 2+ | Ag+ | Au 3+ |
| Е о, Б | -3,0 | -2,9 | -2,87 | -2,71 | -2,36 | -1,66 | -1,18 | -0,76 | -0,74 | -0,44 | -0,25 | -0,14 | -0,13 | 0 | +0,34 | +0,80 | +1,50 |
Редукцията на метал от разтвор на неговата сол с друг метал с по-висока редукционна активност се нарича циментация. Циментирането се използва в металургичните технологии.
По-специално, Cd се получава чрез редуцирането му от разтвор на неговата сол с цинк.
Zn + Cd 2+ = Cd + Zn 2+
3.3. 1. Взаимодействие на метали с кислород
Кислородът е силен окислител. Той може да окисли по-голямата част от металите, с изключение наAuИПт . Металите, изложени на въздух, влизат в контакт с кислород, така че при изучаване на химията на металите винаги се обръща внимание на особеностите на взаимодействието на метала с кислорода.
Всеки знае, че желязото във влажен въздух се покрива с ръжда - хидратиран железен оксид. Но много метали в компактно състояние при не много високи температури проявяват устойчивост на окисляване, тъй като образуват тънки защитни филми на повърхността си. Тези филми от окислителни продукти предотвратяват контакта на окислителя с метала. Феноменът на образуване на защитни слоеве върху повърхността на метал, които предотвратяват окисляването на метала, се нарича пасивация на метала.
Повишаването на температурата насърчава окисляването на металите с кислород. Активността на металите се повишава във фино смляно състояние. Повечето метали в прахообразна форма изгарят в кислород.
s-метали
Покажете най-голяма редуцираща активностs-метали.Металите Na, K, Rb Cs могат да се запалят във въздуха и се съхраняват в запечатани съдове или под слой керосин. Be и Mg се пасивират при ниски температури на въздух. Но когато се запали, Mg лентата гори с ослепителен пламък.
МеталиIIА-подгрупите и Li, когато взаимодействат с кислорода, образуват оксиди.
2Ca + O2 = 2CaO
4 Li + O 2 = 2 Li 2 O
Алкални метали, с изключение наЛи, когато взаимодействат с кислорода, те не образуват оксиди, а пероксидиаз 2 О 2 и супероксидиMeO 2 .
2Na + O 2 = Na 2 O 2
K + O 2 = KO 2
p-метали
Метали, принадлежащи настр- блокът се пасивира на въздух.
При изгаряне в кислород
- металите от IIIA подгрупа образуват оксиди от вида Аз 2 O 3,
- Sn се окислява до SnO 2 , а Pb - до PbO
- Би отива при Bi2O3.
d-метали
Всичкиd-период 4 металите се окисляват от кислород. Най-лесно се окисляват Sc, Mn, Fe. Особено устойчиви на корозия са Ti, V, Cr.
При изгаряне в кислород от всичкиd
При изгаряне в кислород от всичкиd-от елементите от период 4 само скандий, титан и ванадий образуват оксиди, в които Me е в най-високо състояние на окисление, равно на номера на групата.Останалите периоди 4 d-метали, когато се изгарят в кислород, образуват оксиди, в които Me е в междинни, но стабилни степени на окисление.
Видове оксиди, образувани от d-метали с период 4 при изгаряне в кислород:
- MeOобразуват Zn, Cu, Ni, Co. (при T>1000°C Cu образува Cu 2 O),
- Аз 2 O 3, образуват Cr, Fe и Sc,
- MeO 2 - Mn и Ti,
- V образува висш оксид - V 2 О 5 .
При изгаряне в кислородd-металите от периоди 5 и 6, като правило, образуват висши оксиди, изключение правят металите Ag, Pd, Rh, Ru.
Видове оксиди, образувани от d-метали от периоди 5 и 6 по време на изгаряне в кислород:
- Аз 2 O 3- форма Y, La; Rh;
- MeO 2- Zr, Hf; Ir:
- Аз 2 O 5- Nb, Ta;
- MeO 3- Мо, У
- Аз 2 O 7- Tc, Re
- MeO 4 - Ос
- MeO- Cd, Hg, Pd;
- Аз 2 О- Ag;
Взаимодействие на метали с киселини
В киселинни разтвори водородният катион е окислител. Катионът Н+ може да окислява металите в серията активност до водород, т.е. с отрицателни електродни потенциали.
Много метали, когато се окисляват, се превръщат в катиони в киселинни водни разтвориаз z + .
Анионите на редица киселини са способни да проявяват окислителни свойства, които са по-силни от Н +. Такива окислители включват аниони и най-често срещаните киселини з 2 ТАКА 4 ИHNO 3 .
NO 3 - анионите проявяват окислителни свойства при всяка концентрация в разтвора, но редукционните продукти зависят от концентрацията на киселината и естеството на метала, който се окислява.
SO 4 2- анионите проявяват окислителни свойства само в концентрирана H 2 SO 4.
Редукционни продукти на окислители: H +, NO 3 - , ТАКА 4 2 -
2Н + + 2е - =H 2
ТАКА 4
2-
от концентрирана H2SO4 ТАКА 4
2-
+ 2е -
+ 4
з +
=
ТАКА 2
+ 2
з 2
О
(възможно е също образуване на S, H 2 S)
NO 3 - от концентрирана HNO 3 НЕ 3 - + e -
+ 2H + =
NO 2 + H 2 O
NO 3 - от разреден HNO 3 НЕ 3 - + 3е -
+4H+=NO+2H2O
(възможно е също образуване на N 2 O, N 2, NH 4 +)
Примери за реакции между метали и киселини
Zn + H 2 SO 4 (разреден) " ZnSO 4 + H 2
8Al + 15H 2 SO 4 (k.) " 4Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 S + 12H 2 O
3Ni + 8HNO 3 (разреден) " 3Ni(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
Cu + 4HNO 3 (k.) " Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Продукти от окисление на метали в киселинни разтвори
Алкалните метали образуват катион тип Me +, s-металите от втората група образуват катиониАз 2+.
Когато се разтворят в киселини, p-блок металите образуват катионите, посочени в таблицата.
Металите Pb и Bi се разтварят само в азотна киселина.
| аз | Ал | Ga | в | Tl | сн | Pb | Би |
| Мез+ | Ал 3+ | Ga 3+ | В 3+ | Tl+ | Sn 2+ | Pb 2+ | Би 3+ |
| Ео, Б | -1,68 | -0,55 | -0,34 | -0,34 | -0,14 | -0,13 | +0,317 |
Всички d-метали от 4 периода, с изключение на Cu , могат да се окисляват от йониH+ в киселинни разтвори.
Видове катиони, образувани от d-метали с период 4:
- Аз 2+(формират d-метали, вариращи от Mn до Cu)
- Аз 3+ (образуват Sc, Ti, V, Cr и Fe в азотна киселина).
- Ti и V също образуват катиони MeO 2+
В киселинни разтвори Н + може да окислява: Y, La, Cd.
В HNO3 могат да се разтворят: Cd, Hg, Ag. Pd, Tc, Re се разтварят в горещ HNO3.
В гореща H 2 SO 4 се разтварят: Ti, Zr, V, Nb, Tc, Re, Rh, Ag, Hg.
Метали: Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W обикновено се разтварят в смес от HNO 3 + HF.
В царска вода (смес от HNO 3 + HCl) Zr, Hf, Mo, Tc, Rh, Ir, Pt, Au и Os могат да бъдат разтворени трудно). Причината за разтварянето на металите в царска вода или в смес от HNO 3 + HF е образуването на комплексни съединения.
Пример. Разтварянето на златото в царска вода става възможно поради образуването на комплекс -
Au + HNO 3 + 4HCl = H + NO + 2H 2 O
Взаимодействие на метали с вода
Окислителните свойства на водата се дължат наН(+1).
2H 2 O + 2e -" Н 2 + 2OH -
Тъй като концентрацията на H + във водата е ниска, нейните окислителни свойства са ниски. Металите могат да се разтварят във водад< - 0,413 B. Число металлов, удовлетворяющих этому условию, значительно больше, чем число металлов, реально растворяющихся в воде. Причиной этого является образование на поверхности большинства металлов плотного слоя оксида, нерастворимого в воде. Если оксиды и гидроксиды металла растворимы в воде, то этого препятствия нет, поэтому щелочные и щелочноземельные металлы энергично растворяются в воде. Всичкиs-метали, с изключение на Be и Mg лесно се разтварят във вода.
2 Na + 2 ХОХ = з 2 + 2 ОХ -
Na реагира енергично с водата, отделяйки топлина. Освободеният H2 може да се запали.
2H 2 +O 2 = 2H 2 O
Mg се разтваря само във вряща вода, Be е защитен от окисляване чрез инертен неразтворим оксид
P-блок металите са по-малко мощни редуциращи агенти отs.
Сред p-металите редуциращата активност е по-висока в металите от IIIA подгрупа, Sn и Pb са слаби редуциращи агенти, Bi има Eo> 0.
p-металите не се разтварят във вода при нормални условия. Когато защитният оксид се разтвори от повърхността в алкални разтвори с вода, Al, Ga и Sn се окисляват.
Сред d-металите те се окисляват от водакогато Sc и Mn, La, Y се нагряват, желязото реагира с водни пари.
Взаимодействие на метали с алкални разтвори
В алкални разтвори водата действа като окислител..
2H 2 O + 2e - =H 2 + 2OH - Eo = - 0,826 B (pH = 14)
Окислителните свойства на водата намаляват с повишаване на pH поради намаляване на концентрацията на H +. въпреки това някои метали, които не се разтварят във вода, се разтварят в алкални разтвори,например Al, Zn и някои други. Основната причина за разтварянето на такива метали в алкални разтвори е, че оксидите и хидроксидите на тези метали проявяват амфотерни свойства и се разтварят в алкали, елиминирайки бариерата между окислителя и редуциращия агент.
Пример. Разтваряне на Al в разтвор на NaOH.
2Al + 3H 2 O + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na + 3H 2
Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Pb, з 2 , Cu, Ag, Hg, Au
Колкото по-наляво е даден метал в серията от стандартни електродни потенциали, толкова по-силен е редуциращият агент е металът литий, златото е най-слабият и, обратно, златният (III) йон е най-силният окислител; агент, литият (I) е най-слабият.
Всеки метал е в състояние да редуцира от соли в разтвор онези метали, които са в поредицата от напрежения след него; например желязото може да измести медта от разтворите на неговите соли. Не забравяйте обаче, че алкалните и алкалоземните метали ще реагират директно с водата.
Металите, разположени в серията на напрежение вляво от водорода, са способни да го изместят от разтвори на разредени киселини, докато се разтварят в тях.
Редукционната активност на метала не винаги съответства на позицията му в периодичната таблица, тъй като при определяне на мястото на метала в редицата се взема предвид не само способността му да отдава електрони, но и енергията, изразходвана за разрушаването на метала. кристалната решетка на метала, както и енергията, изразходвана за хидратация на йони.
Взаимодействие с прости вещества
СЪС кислород Повечето метали образуват оксиди - амфотерни и основни:
4Li + O 2 = 2Li 2 O,
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3.
Алкалните метали, с изключение на лития, образуват пероксиди:
2Na + O 2 = Na 2 O 2.
СЪС халогени металите образуват соли на халогеноводородни киселини, напр.
Cu + Cl 2 = CuCl 2.
СЪС водород най-активните метали образуват йонни хидриди - солеподобни вещества, в които водородът има степен на окисление -1.
2Na + H2 = 2NaH.
СЪС сиво металите образуват сулфиди - соли на сероводородна киселина:
СЪС азот Някои метали образуват нитриди почти винаги протича при нагряване:
3Mg + N2 = Mg3N2.
СЪС въглерод се образуват карбиди:
4Al + 3C = Al 3 C 4.
СЪС фосфор – фосфиди:
3Ca + 2P = Ca 3 P 2 .
Металите могат да взаимодействат помежду си, образувайки интерметални съединения :
2Na + Sb = Na 2 Sb,
3Cu + Au = Cu 3 Au.
Металите могат да се разтварят един в друг при високи температури, без да реагират, да се образуват сплави.
Сплави
Сплави се наричат системи, състоящи се от два или повече метала, както и метали и неметали, които имат характерни свойства, присъщи само на металното състояние.
Свойствата на сплавите са много разнообразни и се различават от свойствата на техните компоненти, например, за да стане златото по-твърдо и по-подходящо за изработка на бижута, към него се добавя сребро и сплав, съдържаща 40% кадмий и 60% бисмут има точка на топене 144 °C, т.е. много по-ниска от точката на топене на неговите компоненти (Cd 321 °C, Bi 271 °C).
Възможни са следните видове сплави:
Разтопените метали се смесват помежду си във всякакви съотношения, разтварят се един в друг за неопределено време, например Ag-Au, Ag-Cu, Cu-Ni и други. Тези сплави са хомогенни по състав, имат висока химическа устойчивост и провеждат електрически ток;
Изправените метали се смесват помежду си в произволно съотношение, но при охлаждане се разделят и се получава маса, състояща се от отделни кристали на компоненти, например Pb-Sn, Bi-Cd, Ag-Pb и др.
Каква информация може да се получи от поредица от напрежения?
Диапазон от метални напрежения се използват широко в неорганичната химия. По-специално, резултатите от много реакции и дори възможността за тяхното осъществяване зависят от позицията на определен метал в NER. Нека обсъдим този въпрос по-подробно.
Взаимодействие на метали с киселини
Металите, разположени в серията напрежения вляво от водорода, реагират с киселини - неокислители. Металите, разположени в NER вдясно от H, взаимодействат само с окислителни киселини (по-специално с HNO 3 и концентрирана H 2 SO 4).
Пример 1. Цинкът се намира в NER вляво от водорода, следователно, той може да реагира с почти всички киселини:
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2
Пример 2. Медта се намира в ERN вдясно от H; този метал не реагира с „обикновени“ киселини (HCl, H 3 PO 4, HBr, органични киселини), но взаимодейства с окислителни киселини (азотна, концентрирана сярна):
Cu + 4HNO 3 (конц.) = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Cu + 2H 2 SO 4 (конц.) = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
Бих искал да обърна внимание на важен момент: когато металите взаимодействат с окислителни киселини, не се отделя водород, а някои други съединения. Можете да прочетете повече за това!
Взаимодействие на метали с вода
Металите, разположени в серията напрежения вляво от Mg, лесно реагират с вода вече при стайна температура, освобождавайки водород и образувайки алкален разтвор.
Пример 3. Натрий, калий, калций лесно се разтварят във вода, за да образуват алкален разтвор:
2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2
2K + 2H 2 O = 2KOH + H 2
Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2
Металите, разположени в диапазона на напрежение от водород до магнезий (включително), в някои случаи взаимодействат с вода, но реакциите изискват специфични условия. Например, алуминият и магнезият започват да взаимодействат с H 2 O само след отстраняване на оксидния филм от металната повърхност. Желязото не реагира с вода при стайна температура, но реагира с водни пари. Кобалтът, никелът, калайът и оловото практически не взаимодействат с Н2О не само при стайна температура, но и при нагряване.
Металите, разположени от дясната страна на ERN (сребро, злато, платина), не реагират с вода при никакви условия.
Взаимодействие на метали с водни разтвори на соли
Ще говорим за реакции от следния тип:
метал (*) + метална сол (**) = метал (**) + метална сол (*)
Бих искал да подчертая, че звездичките в този случай не показват степента на окисление или валентността на метала, а просто позволяват да се направи разлика между метал № 1 и метал № 2.
За да се извърши такава реакция, трябва да бъдат изпълнени едновременно три условия:
- участващите в процеса соли трябва да бъдат разтворени във вода (това може лесно да се провери с помощта на таблицата за разтворимост);
- металът (*) трябва да бъде в серията напрежения вляво от метала (**);
- металът (*) не трябва да реагира с вода (което също лесно се проверява от ESI).
Пример 4. Нека да разгледаме няколко реакции:
Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu
K + Ni(NO 3) 2 ≠
Първата реакция е лесно осъществима, всички горепосочени условия са изпълнени: медният сулфат е разтворим във вода, цинкът е в NER вляво от медта, Zn не реагира с вода.
Втората реакция е невъзможна, тъй като първото условие не е изпълнено (медният (II) сулфид е практически неразтворим във вода). Третата реакция не е осъществима, тъй като оловото е по-малко активен метал от желязото (намира се вдясно в ESR). И накрая, четвъртият процес НЯМА да доведе до утаяване на никел, защото калият реагира с вода; полученият калиев хидроксид може да реагира с разтвора на солта, но това е съвсем различен процес.
Процес на термично разлагане на нитрати
Нека ви напомня, че нитратите са соли на азотната киселина. Всички нитрати се разлагат при нагряване, но съставът на продуктите от разлагането може да варира. Съставът се определя от позицията на метала в серията напрежения.
Нитратите на металите, разположени в NER вляво от магнезия, при нагряване образуват съответния нитрит и кислород:
2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2
По време на термичното разлагане на метални нитрати, намиращи се в диапазона на напрежение от Mg до Cu включително, се образуват метален оксид, NO 2 и кислород:
2Cu(NO 3) 2 = 2CuO + 4NO 2 + O 2
И накрая, по време на разлагането на нитратите на най-малко активните метали (разположени в ERN вдясно от медта) се образуват метал, азотен диоксид и кислород.
Серия от електрохимични активности на метали(серия от напрежения, серия от стандартни електродни потенциали) - последователност, в която металите са подредени в нарастващ ред на техните стандартни електрохимични потенциали φ 0, съответстващи на полуреакцията на редукция на металния катион Me n+: Me n+ + nē → аз
Практическо използване на серията дейности от метали
Редица напрежения се използват в практиката за сравнителна оценка на химичната активност на металите при реакции с водни разтвори на соли и киселини и за оценка на катодните и анодните процеси по време на електролиза:
- Металите вляво от водорода са по-силни редуциращи агенти от металите вдясно: те изместват последните от солните разтвори. Например взаимодействието Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu е възможно само в права посока.
- Металите в реда отляво на водорода изместват водорода при взаимодействие с водни разтвори на неокисляващи киселини; най-активните метали (до и включително алуминий) - и при взаимодействие с вода.
- Металите в серията вдясно от водорода не взаимодействат с водни разтвори на неокисляващи киселини при нормални условия.
- По време на електролиза металите вдясно от водорода се отделят на катода; редукцията на умерено активни метали е придружена от отделяне на водород; Най-активните метали (до алуминий) не могат да бъдат изолирани от водни солеви разтвори при нормални условия.
Алкалните метали се считат за най-активни:
- литий;
- натрий;
- калий;
- рубидий;
- цезий;
- френски
Металите, които реагират лесно, се наричат активни метали. Те включват алкални, алкалоземни метали и алуминий.
Позиция в периодичната таблица
Металните свойства на елементите намаляват отляво надясно в периодичната таблица. Следователно елементите от групи I и II се считат за най-активни.
ориз. 1. Активни метали в периодичната система.
Всички метали са редуциращи агенти и лесно се разделят с електрони на външно енергийно ниво. Активните метали имат само един или два валентни електрона. В този случай металните свойства се увеличават отгоре надолу с увеличаване на броя на енергийните нива, т.к Колкото по-далеч е един електрон от ядрото на атома, толкова по-лесно е за отделянето му.
Алкалните метали се считат за най-активни:
- литий;
- натрий;
- калий;
- рубидий;
- цезий;
- френски
Алкалоземните метали включват:
- берилий;
- магнезий;
- калций;
- стронций;
- барий;
- радий.
Степента на активност на метала може да се определи от електрохимичната серия от метални напрежения. Колкото по-вляво от водорода е разположен даден елемент, толкова по-активен е той. Металите вдясно от водорода са неактивни и могат да реагират само с концентрирани киселини.
ориз. 2. Електрохимични серии от метални напрежения.
Списъкът на активните метали в химията включва и алуминий, разположен в група III и вляво от водорода. Алуминият обаче е на границата на активните и средно активните метали и не реагира с някои вещества при нормални условия.
Свойства
Активните метали са меки (може да се реже с нож), леки и имат ниска точка на топене.
Основните химични свойства на металите са представени в таблицата.
|
реакция |
Уравнение |
Изключение |
|
Алкалните метали спонтанно се запалват във въздуха при взаимодействие с кислорода |
K + O 2 → KO 2 |
Литият реагира с кислорода само при високи температури |
|
Алкалоземните метали и алуминият образуват оксидни филми във въздуха и спонтанно се запалват при нагряване |
2Ca + O 2 → 2CaO |
|
|
Реагират с прости вещества, за да образуват соли |
Ca + Br 2 → CaBr 2; |
Алуминият не реагира с водород |
|
Реагира бурно с вода, образувайки алкали и водород |
|
Реакцията с литий е бавна. Алуминият реагира с вода само след отстраняване на оксидния филм |
|
Реагират с киселини, за да образуват соли |
Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2; 2K + 2HMnO 4 → 2KMnO 4 + H 2 |
|
|
Взаимодействайте със солни разтвори, като първо реагирате с вода и след това със сол |
2Na + CuCl 2 + 2H 2 O: 2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2; |
Активните метали лесно реагират, така че в природата се срещат само в смеси - минерали, скали.
ориз. 3. Минерали и чисти метали.
Какво научихме?
Активните метали включват елементи от I и II група - алкални и алкалоземни метали, както и алуминий. Тяхната активност се определя от структурата на атома - няколко електрона лесно се отделят от външното енергийно ниво. Това са меки леки метали, които бързо реагират с прости и сложни вещества, образувайки оксиди, хидроксиди и соли. Алуминият е по-близо до водорода и реакцията му с вещества изисква допълнителни условия - високи температури, разрушаване на оксидния филм.
Тест по темата
Оценка на доклада
Средна оценка: 4.4. Общо получени оценки: 388.