Химические формулы взаимодействие металлов с водой

Архив уроков › Химия 8 класс

В уроке 28 «Химические свойства воды» из курса «Химия для чайников» узнаем о взаимодействии воды с различными веществами.

При обычных условиях вода является достаточно активным веществом по отношению к другим веществам. Это означает, что со многими из них она вступает в химические реакции.

Взаимодействие с оксидами неметаллов

Если струю газообразного оксида углерода(IV) CO2 (углекислого газа) направить в воду, то часть его растворится в ней (рис. 109).

При этом в растворе протекает химическая реакция соединения, в результате которой образуется новое вещество — угольная кислота H2CO3:

На заметку: Собирая углекислый газ над водой, Дж. Пристли обнаружил, что часть газа растворяется в воде и придает ей приятный терпкий вкус. По сути дела, Пристли впервые получил напиток типа газированной, или содовой, воды.

Реакция соединения происходит также, если к воде прибавить твердый оксид фосфора(V) P2O5. При этом протекает химическая реакция с образованием фосфорной кислоты H3PO4 (рис. 110):

Испытаем растворы, полученные при взаимодействии CO2 и P2O5 с водой, индикатором метиловым оранжевым. Для этого прибавим по 1—2 капли раствора индикатора к полученным растворам.

Цвет индикатора изменится с оранжевого на красный, что говорит о присутствии кислот в растворах.

Значит, при взаимодействии CO2 и P2O5 с водой действительно образовались кислоты H2CO3 и H3PO4.

Оксиды, подобные CO2 и P2O5, которые при взаимодействии с водой образуют кислоты, относят к кислотным оксидам.

Кислотные оксиды — это оксиды, которым соответствуют кислоты.

Некоторые из кислотных оксидов и соответствующих им кислот приведены в таблице 11. Обратите внимание, что это оксиды элементов неметаллов. Как правило, оксиды неметаллов являются кислотными оксидами.

С оксидами металлов вода реагирует иначе, чем с оксидами неметаллов.

Исследуем взаимодействие оксида кальция CaO с водой. Для этого поместим в стакан с водой небольшое количество CaO и тщательно перемешаем. При этом протекает химическая реакция:

в результате которой образуется новое вещество Ca(OH)2, относящееся к классу оснований. Таким же образом реагируют с водой оксиды лития, натрия. При этом также образуются основания, например:

Подробнее с основаниями вы познакомитесь в следующем уроке. Оксиды металлов, которым соответствуют основания, называют основными оксидами.

Основные оксиды — это оксиды, которым соответствуют основания.

В таблице 12 приведены формулы некоторых основных оксидов и соответствующих им оснований. Заметьте, что, в отличие от кислотных оксидов, в состав основных оксидов входят атомы металлов. Большинство оксидов металлов — это основные оксиды.

Несмотря на то что каждому основному оксиду соответствует основание, не все основные оксиды взаимодействуют с водой, подобно CaO, образуя основания.

Взаимодействие с металлами

При обычных условиях активные металлы (K, Na, Ca, Ba и др.) бурно реагируют с водой:

• В этих реакциях выделяется водород и образуются растворимые в воде основания.
• Как химически активное вещество вода вступает в реакции со многими другими веществами, но об этом вы узнаете при дальнейшем изучении химии.
• Краткие выводы урока:

1. Вода — химически активное вещество. Она вступает в реакции с кислотными и основными оксидами, активными металлами.
2. При взаимодействии воды с большинством кислотных оксидов образуются соответствующие кислоты.
3. Некоторые основные оксиды при реакции с водой образуют растворимые основания.
4. При обычных условиях вода реагирует с наиболее активными металлами. При этом образуются растворимые основания и водород.

Надеюсь урок 28 «Химические свойства воды» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Общая характеристика металлов

Если в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп, выделены синим цветом), а справа вверху – элементы-неметаллы (выделены желтым цветом). Элементы, расположенные вблизи диагонали – полуметаллы или металлоиды (B, Si, Ge, Sb и др.), обладают двойственным характером (выделены розовым цветом).

Как видно из рисунка, подавляющее большинство элементов являются металлами.

По своей химической природе металлы – это химические элементы, атомы которых отдают электроны с внешнего или предвнешнего энергетического уровней, образуя при этом положительно заряженные ионы.

Практически все металлы имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов (от 1 до 3) на внешнем энергетическом уровне. Для металлов характерны низкие значения электроотрицательности и восстановительные свойства.

Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (начиная со второго), далее слева направо металлические свойства ослабевают. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются, т.

к увеличивается радиус атомов (за счет увеличения числа энергетических уровней).

Это приводит к уменьшению электроотрицательности (способности притягивать электроны) элементов и усилению восстановительных свойств (способность отдавать электроны другим атомам в химических реакциях).

Типичными металлами являются s-элементы (элементы ИА-группы от Li до Fr. элементы ПА-группы от Мг до Ра). Общая электронная формула их атомов ns 1-2 . Для них характерны степени окисления + I и +II соответственно.

Небольшое число электронов (1-2) на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает легкую потерю этих электронов и проявление сильных восстановительных свойств, что отражают низкие значения электроотрицательности. Отсюда вытекает ограниченность химических свойств и способов получения типичных металлов.

Характерной особенностью типичных металлов является стремление их атомов образовывать катионы и ионные химические связи с атомами неметаллов.

Соединения типичных металлов с неметаллами — это ионные кристаллы «катион металлаанион неметалла», например К + Вг — , Сa 2+ О 2-.

Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами — гидроксидов и солей, например Мg 2+ (OН — ) 2 , (Li + )2СO 3 2-.

Металлы А-групп, образующие диагональ амфотерности в Периодической системе Ве-Аи-Ге-Сб-Ро, а также примыкающие к ним металлы (Га, In, Ти, Sn, Рб, Ви) не проявляют типично металлических свойств.

Общая электронная формула их атомов ns 2 np 0-4 предполагает большее разнообразие степеней окисления, большую способность удерживать собственные электроны, постепенное понижение их восстановительной способности и появление окислительной способности, особенно в высоких степенях окисления (характерные примеры — соединения Тl III , Рb IV , Вi v ). Подобное химическое поведение характерно и для большинства (d-элементов, т. е. элементов Б-групп Периодической системы (типичные примеры — амфотерные элементы Сr и Zn).

Это проявление двойственности (амфотерности) свойств, одновременно металлических (основных) и неметаллических, обусловлено характером химической связи. В твердом состоянии соединения нетипичных металлов с неметаллами содержат преимущественно ковалентные связи (но менее прочные, чем связи между неметаллами).

В растворе эти связи легко разрываются, а соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично).

Например, металл галлий состоит из молекул Ga 2 , в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути (II) АиСи 3 и НgСl 2 содержат сильно ковалентные связи, но в растворе АиСи 3 диссоциирует почти полностью, а НгСи 2 — в очень малой степени (да и то на ионы НгСи + и Сl — ).

Общие физические свойства металлов

Благодаря  наличию свободных электронов («электронного газа») в кристаллической решетке все металлы проявляют следующие характерные общие свойства:

1) Пластичность — способность легко менять форму, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.

2) Металлический блеск и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл светом.

3) Электропроводность . Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов.  При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение «электронного газа».

4) Теплопроводность. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность — у висмута и ртути.

5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.

6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома. Самый легкий — литий (ρ=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (ρ=22,6 г/см3). Металлы, имеющие плотность менее  5 г/см3 считаются «легкими металлами».

7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.

Общие химические свойства металлов

Сильные восстановители: Me 0 – nē →  Me n +

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

I. Реакции металлов с неметаллами

• 1)     С кислородом: 2Mg + O 2 →  2MgO
• 2)     С серой: Hg + S →  HgS
• 3)     С галогенами: Ni + Cl 2 – t° →   NiCl 2
• 4)     С азотом: 3Ca + N 2 – t° →   Ca 3 N 2
• 5)     С фосфором: 3Ca + 2P  – t° →   Ca 3 P 2
• 6)     С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы): 2Li + H 2 →  2LiH
• Ca + H 2 →  CaH 2

II. Реакции металлов с кислотами

1. 1)     Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:
2. Mg + 2HCl →   MgCl 2 + H 2
3. 2Al+ 6HCl →  2AlCl 3 + 3H 2
4. 6Na + 2H 3 PO 4 →  2Na 3 PO 4 + 3H 2 ­
5. 2) С кислотами-окислителями:
6. При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется!
7. Zn + 2H 2 SO 4(К) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
8. 4Zn + 5H 2 SO 4(К) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
9. 3Zn + 4H 2 SO 4(К) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O
10. 2H 2 SO 4(к) + Сu → Сu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O
11. 10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3 ) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
12. 4HNO 3 (к ) + Сu → Сu (NO 3 ) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

III. Взаимодействие металлов с водой

• 1)     Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание (щелочь) и водород:
• 2Na + 2H 2 O →  2NaOH + H 2
• Ca+ 2H 2 O →  Ca(OH) 2 + H 2
• 2)     Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:
• Zn + H 2 O  – t° →   ZnO + H 2 ­
• 3)     Неактивные (Au, Ag, Pt) — не реагируют.

IV.    Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:

1. Cu + HgCl 2 →  Hg+ CuCl 2
2. Fe+ CuSO 4 →  Cu+ FeSO 4
3. 

В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси — сплавы , в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком ( латунь ) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем — дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) — это широко известные чугун и сталь.

Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой , в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.

Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание.

Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается.

Рыхлая оксидная пленка (ржавчина ), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.

Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией .

Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Ве, Ви, Со, Фе, Мг и Nb, а в концентрированной азотной кислоте — металлы А1, Ве, Ви, Со, Сг, Фе, Nb, Ni, РЬ, Тх и U.

При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (На + , Са 2+ ,А1 3+ ,Fе 2+ и Fе 3+ )

Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Сu, Аg и Нg — только серной (концентрированной) и азотной кислотами, а Рt и Аи — «царской водкой».

Коррозия металлов

Нежелательным химическим свойством металлов является их коррозия , т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.

Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СО 2 и SО 2 ; создается кислотная среда, и катионы Н + вытесняются активными металлами в виде водорода Н 2 ( водородная коррозия ).

Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов ( контактная коррозия).

Между одним металлом, например Фе, и другим металлом, например Sn или Су, помещенными в воду, возникает гальваническая пара.

Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (Sn, Су), и более активный металл разрушается (корродирует).

Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).

Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении ; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром ( нержавеющая сталь ), имеют высокую коррозионную стойкость.

Общие способы получения металлов в промышленности:

• электрометаллургия , т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов солей;

• пирометаллургия , т. е. восстановление металлов из руд при высокой температуре (например, получение железа в доменном процессе);

• гидрометаллургия , т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора СuSO 4 действием цинка, железа или алюминия).

В природе иногда встречаются самородные металлы (характерные примеры — Аg, Аu, Рt, Нg), но чаще металлы находятся в виде соединений ( металлические руды ). По распространенности в земной коре металлы различны: от наиболее распространенных — Аи, На, Са, Фе, Мг, К, Ти) до самых редких — Ви, In, Аг, Ау, Рт, Ре.

Взаимодействие воды с металлами

Вода обладает разнообразными свойствами. Она может замерзать. Превращаться в пар. С водой человек дружит с рождения. Помимо всего этого она так же может вступать во взаимодействие с металлом. Как? Читайте нашу статью, и Вы узнаете об этом! Вступая в контакт с жидкостью, металлы способны давать самые удивительные реакции! Например: чтобы насытить воду железом её настаивают несколько часов на железе, после чего употребляют во внутрь, а если бросить в стакан с водой щелочной металл то произойдет взрыв. Существует множество разнообразных металлов и каждый случай взаимодействия уникален! Проводите опыты, делайте собственные открытия, а посвятить Вас в основы взаимодействия воды с металлами поможет наша статья!

Как они взаимодействуют?

Взаимодействие металла с водой может происходить по разному, в зависимости от металла и воды. Каждый металл обладает своими неповторимыми особенностями.

Так же, может показаться, что формулы очень сложные, однако со временем Вы легко научитесь их читать. Если алюминий, железо вступает в активные реакции с водой, то это значит что в нем присутствуют образующиеся соли. Он окисляется ионами водорода.

Проследить это можно по формуле и записать в виде сокращенной формулировки Me + nH+ → Men+ + H2↑

Вступая в реакцию с водой, в исключительных ситуациях образуются гидроксиды. Очень активно в спокойных условиях вступают в реакцию с влагой щелочные металлы, например Литий (Li), натрий (Na) , Калий (К), Рубидий (Rb) , Цезий (Cs), Франций (FR).

• Щелочные металлы вступают в очень бурную реакцию с водой. Отследить процесс взаимодействия металлов с водой можно по формулам:
• NaH + H2O ® NaOH + H2
• NaH + HCl ® NaCl + H2

Разные активные реакции металлы выдают так же при различных условиях. Например, в состоянии покоя и при комнатной температуре реакция может быть одна, а в других условиях взаимодействие проявляться по разному: Тихо, спокойно, бурно.

Активные металлы способны вступать во взаимодействие с водой при обычных условиях согласно схеме: 2Me + 2nH2O → 2Me(OH)n + nH2 .Итогом окисления как правило становится гидроксид Me(OH)n (где n-степень окисления металла).

Приведем пример: Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑

Металлы же со средней степенью активности вступают во взаимодействие с водой при нагревании по схеме: 2Me + nH2O Me2On + nH2 . Итогом такой реакции становится появление оксида металла. Его формула — Me2On (где n-степень окисления металла) .

Пример взаимодействие активных металлов с водой

Металлы так же используют при изготовлении кухонной утвари. К примеру алюминиевая сковородка, металлический корпус чайника, лопасти блендера. Тут важна стойкость металла. Самой известной реакцией металла на воду является окисление самой обыкновенной стали на воздухе и в воде.

Железо в таком случае разрушается, ржавеет. Происходящие при этом процессы являются весьма сложными и удивительным природным процессом. Если же окисление происходит в морской воде, то процесс ускоряется, этому способствует определенная концентрация соли находящаяся в составе воды.

Противостоять образованию ржавчины можно при использовании разнообразных лаков, призванных защитить от коррозии металла и перехитрить химические законы! Так же, вода вступая в реакцию с нагретым металлом способна образовывать накипь.

Это явление можно наблюдать на частях чайника сделанных из алюминия или стали, который давно не чистили. Такой чайник достаточно прокипятить с лимонной кислотой и он снова будет как новый!

Иногда образование накипи не связано с активными металлами, а имеет немного другую природу. В частности, накипь может появляться из-за солей жесткости в воде. В таком случае нужно купить качественный фильтр для жесткой воды.

Взаимодействие металлов с водой

⇐ ПредыдущаяСтр 55 из 64Следующая ⇒

Окисление металлов водой с термодинамической точки зрения может быть охарактеризовано не только энергиями Гиббса образования, но также электродными потенциалами. Элементом – окислителем в воде является водород, окислительная способность которого оценивается, исходя из концентрации гидратированных ионов Н+.

В воде концентрация (точнее активность) ионов Н+ равна 10-7‑ моль/л. Следовательно, электродный потенциал системы 2Н+/Н2 в воде вычисляется по формуле Нернста (t=25 0С)

= 0.059∙lg B = (-0.416 – lg PH2)B.

Из формулы видно, что окислительная способность воды тем больше, чем меньше парциальное давление водорода – продукта восстановления воды. При парциальном давлении водорода , равном 1 атм, окислительная способность воды характеризуется потенциалом, равным -0,416 В, т.е.

вода может при этом окислять металлы, элетродный потенциал которых меньше этого значения. Однако в реальных условиях парциальное давление водорода гораздо меньше 1 атм, так что можно считать способными окисляться водой все металлы, стоящие до водорода в ряду напряжений.

• Необходимо учитывать, что на способность металла реагировать с водой оказывает влияние растворимость в воде оксидных пленок и образующихся гидроксидов металлов.
• Из сказанного выше следует, что с водой могут реагировать только металлы:
• 1) которые могут окисляться водой;
• 2) оксиды и гидроксиды которых растворяются в воде.

К таким металлам относятся щелочные и щелочноземельные, а также некоторые редкоземельные и актинидные металлы. Лантоноиды очень реакционоспособны. Все металлы непосредственно взаимодействуют с водой, выделяя водород (медленно на холоду, быстро при нагревании).

В свободном состоянии лантаноиды по большинству свойств сходны с лантаном (Ge – Eu) или иттрием (Gd – Lu). Гидроксиды скандия и его аналоги имеют основной характер, довольно слабо выраженный у Sc(OH)3, но по ряду Sc – Y – La быстро усиливающийся, так что La(OH)3 является уже сильным основанием.

Основность гидроксидов лантаноидов понижается с увеличением атомного номера, как и следует ожидать из уменьшения ионного радиуса:

1. ослабление основных свойств Э(ОН)3
2. Элемент La Ge Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho
3. Радиус иона Å 1,22 1,17 1,16 1,15 1,13 1,13 1,11 1,09 1,07 1,05
4. Er Tm Yb Lu
5. 1,04 1,04 1,00 0,99
6. Уменьшение радиуса иона Э3+

Актиний является истинным представителем III группы, он отличается от лантана лишь закономерно повышенной активностью. Торий по химической реакционной способности можно сравнить с металлами группы лантаноидов. Реагирует с кипящей водой (см. табл. 5).

Металлы, расположенные в начале ряда напряжения (от лития до алюминия) восстанавливают водород из воды с образованием щелочи. Металлы, менее активные (от марганца до железа), восстанавливая из воды водород, образуют оксиды (Mn3O4, CrO2, Fe3O4) при высокой температуре (см. табл. 4).

⇐ Предыдущая50515253545556575859Следующая ⇒

Date: 2015-09-24; view: 732; Нарушение авторских прав

Химические свойства металлов

Металлы занимают в Периодической таблице левый нижний угол. Металлы относятся к семействам s-элементов, d-элементов, f-элементов и частично – р-элементов.

Самым типичным свойством металлов является их способность отдавать электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Причём металлы могут проявлять только положительную степень окисления.

Ме – ne = Men+

1. Взаимодействие металлов с неметаллами

• а) Взаимодействие металлов с водородом.
• С водородом непосредственно реагируют щелочные и щелочноземельные металлы, образуя гидриды.
• Например:
• 2Na + H2 = NaH
• Ca + H2 = CaH2
• Образуются нестехиометрические соединения с ионной кристаллической структурой.
• б) Взаимодействие металлов с кислородом.
• Все металлы за исключением Au, Ag, Pt окисляются кислородом воздуха.
• Пример:
• 2Na + O2 = Na2O2 (пероксид)
• 4K + O2 = 2K2O
• 2Mg + O2 = 2MgO
• 2Cu + O2 = 2CuO
• в) Взаимодействие металлов с галогенами.
• Все металлы реагируют с галогенами с образованием галогенидов.
• Пример:
• 2Al + 3Br2 = 2AlBr3
• В основном это ионные соединения: MeHaln
• г) Взаимодействие металлов с азотом.

1. С азотом взаимодействуют щелочные и щелочноземельные металлы.
2. Пример:
3. 3Ca + N2 = Ca3N2
4. Mg + N2 = Mg3N2 – нитрид.
5. д) Взаимодействие металлов с углеродом.

Соединения металлов и углерода – карбиды.

Они образуются при взаимодействии расплавов с углеродом. Активные металлы образуют с углеродом стехиометрические соединения:

4Al + 3C = Al4C3

Металлы – d-элементы образуют соединения нестехиометрического состава типа твердых растворов: WC, ZnC, TiC – используются для получения сверхтвёрдых сталей.

2. Взаимодействие металлов с водой

• Активные металлы более активно реагируют с водой, разлагая воду с выделением водорода.
• Na + 2H2O = H2↑ + 2NaOH
• Менее активные металлы медленно разлагают воду и процесс тормозится из-за образования нерастворимых веществ.

3. Взаимодействие металлов с растворами солей

Такая реакция возможна, если реагирующий металл активнее, чем находящийся в соли:

Zn + CuSO4= Cu0↓ + ZnSO4

= – 0,76 B., = + 0,34 B.

Металл, обладающий более отрицательным или менее положительным стандартным электродным потенциалом, вытесняет другой металл из раствора его соли.

4. Взаимодействие металлов с растворами щелочей

Со щелочами могут взаимодействовать металлы, дающие амфотерные гидрооксиды или обладающие высокими степенями окисления в присутствии сильных окислителей. При взаимодействии металлов с растворами щелочей, окислителем является вода.

1. Пример:
2. Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2↑
3. 1 Zn0 + 4OH– – 2e = [Zn(OH)4]2– окисление
4. Zn0 – восстановитель
5. 1 2H2O + 2e = H2 + 2OH– восстановление
6. H2O – окислитель
7. Zn + 4OH– + 2H2O = [Zn(OH)4]2– + 2OH– + H2↑
8. Металлы, обладающие высокими степенями окисления, могут взаимодействовать со щелочами при сплавлении:
9. 4Nb +5O2 +12KOH = 4K3NbO4 + 6H2O

5. Взаимодействие металлов с кислотами

• Это сложные реакции, продукты взаимодействия зависят от активности металла, от вида и концентрации кислоты и от температуры.
• По активности металлы условно делятся на активные, средней активности и малоактивные.
• Кислоты условно делятся на 2 группы:

I группа – кислоты, обладающие невысокой окислительной способностью: HCl, HI, HBr, H2SO4(разб.), H3PO4, H2S, окислитель здесь H+. При взаимодействии с металлами выделяется кислород (H2↑).

С кислотами первой группы реагируют металлы, обладающие отрицательным электродным потенциалом.

II группа – кислоты, обладающие высокой окислительной способностью: H2SO4(конц.), HNO3(разб.), HNO3(конц.). В этих кислотах окислителями являются анионы кислоты: . Продукты восстановления аниона могут быть самыми разнообразными и зависят от активности металла.

1. H2S↑ – c активными металлами
2. 6+ +8е
3. H2SO4 +6е S0↓ – с металлами средней активности

• SO2↑ – c малоактивными металлами
• NH3 ( NH4NO3 )– c активными металлами
• 5+ +8e
• HNO3 +4,5e N2O, N2 – с металлами средней активности
• разб.
• +3e
• NO – c малоактивными металлами

HNO3(конц.) – NO2↑ – c металлами любой активности.

Если металлы обладают переменной валентностью, то с кислотами I группы металлы приобретают низшую положительную степень окисления: Fe → Fe2+, Cr → Cr2+. При взаимодействии с кислотами II группы – степень окисления +3: Fe → Fe3+, Cr → Cr3+, при этом никогда не выделяется водород.

Некоторые металлы (Fe, Cr, Al, Ti, Ni и др.) в растворах сильных кислот, окисляясь, покрываются плотной оксидной плёнкой, которая защищает металл от дальнейшего растворения (пассивация), но при нагревании оксидная плёнка растворяется, и реакция идёт.

Малорастворимые металлы, обладающие положительным электродным потенциалом, могут растворяться в кислотах I группы, в присутствии сильных окислителей.

Электрохимический ряд напряжений металлов (ЭРН)

Ряд напряжений металлов широко используется в неорганической химии. В частности, результаты многих реакций и даже возможность их осуществления зависят от положения некоторого металла в ЭРН. Обсудим этот вопрос подробнее.

Взаимодействие металлов с кислотами

Металлы, находящиеся в ряду напряжений левее водорода, реагируют с кислотами — неокислителями. Металлы, расположенные в ЭРН правее Н, взаимодействуют только с кислотами — окислителями (в частности, с HNO3 и концентрированной H2SO4).

• Пример 1. Цинк расположен в ЭРН левее водорода, следовательно, способен реагировать практически со всеми кислотами:
• Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
• Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
• Пример 2. Медь находится в ЭРН правее Н; данный металл не реагирует с «обычными» кислотами (HCl, H3PO4, HBr, органические кислоты), однако вступает во взаимодействие с кислотами-окислителями (азотная, концентрированная серная):
• Сu + 2HCl ≠
• Cu + 4HNO3(конц.) = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
• Cu + 2H2SO4(конц.) = CuSO4 + SO2 + 2H2O

Обращаю внимание на важный момент: при взаимодействии металлов с кислотами-окислителями выделяется не водород, а некоторые другие соединения. Подробнее об этом можно почитать здесь!

Взаимодействие металлов с водой

1. Металлы, расположенные в ряду напряжений левее Mg, легко реагируют с водой уже при комнатной температуре с выделением водорода и образованием раствора щелочи.
2. Пример 3.

   Натрий, калий, кальций легко растворяются в воде с образованием раствора щелочи:

3. 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
4. 2K + 2H2O = 2KOH + H2
5. Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2

Металлы, расположенные в ряду напряжений от водорода до магния (включительно), в ряде случаев взаимодействуют с водой, но реакции требуют специфических условий. Например, алюминий и магний начинают взаимодействие с Н2О только после удаления оксидной пленки с поверхности металла. Железо не реагирует с водой при комнатной температуре, но взаимодействует с парами воды. Кобальт, никель, олово, свинец практически не взаимодействуют с H2O не только при комнатной температуре, но и при нагревании.

Металлы, расположенные в правой части ЭРН (серебро, золото, платина) не реагируют с водой ни при каких условиях.

Взаимодействие металлов с водными растворами солей

• Речь пойдет о реакциях следующего типа:
• металл (*) + соль металла (**) = металл (**) + соль металла (*)
• Хотелось бы подчеркнуть, что звездочки обозначают в данном случае не степень окисления, не валентность металла, а просто позволяют различить металл № 1 и металл № 2.
• Для осуществления подобной реакции необходимо одновременное выполнение трех условий:

1. соли, участвующие в процессе, должны растворяться в воде (это легко проверить, пользуясь таблицей растворимости);
2. металл (*) должен находиться в ряду напряжений левее металла (**);
3. металл (*) не должен реагировать с водой (что тоже легко проверяется по ЭРН).

1. Пример 4. Рассмотрим несколько реакций:
2. Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu
3. Fe + CuS ≠
4. Pb + FeSO4 ≠
5. K + Ni(NO3)2 ≠
6. Первая реакция легко осуществима, все перечисленные выше условия выполнены: сульфат меди растворим в воде, цинк находится в ЭРН левее меди, Zn не реагирует с водой.

Вторая реакция невозможна, т. к. не выполнено первое условие (сульфид меди (II) практически не растворяется в воде). Третья реакция неосуществима, поскольку свинец — менее активный металл, нежели железо (находится правее в ЭРН). Наконец, четвертый процесс НЕ приведет к осаждению никеля, поскольку калий реагирует с водой; образовавшийся гидроксид калия может вступить в реакцию с раствором соли, но это уже совершенно другой процесс.

Процесс термического распада нитратов

Напомню, что нитраты — это соли азотной кислоты. Все нитраты разлагаются при нагревании, но вот состав продуктов разложения может быть разным. Состав определяется положением металла в ряду напряжений.

• Нитраты металлов, расположенных в ЭРН левее магния, при нагревании образуют соответствующий нитрит и кислород:
• 2KNO3 = 2KNO2 + O2
• В ходе термического разложения нитратов металлов, расположенных в ряду напряжений от Mg до Cu включительно, образуются оксид металла, NO2 и кислород:
• 2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2
• Наконец, при разложении нитратов наименее активных металлов (расположенных в ЭРН правее меди) образуются металл, диоксид азота и кислород:
• Hg(NO3)2 = Hg + 2NO2 + O2