6. Химия металлов

Металлы – это элементы, атомы которых образуют положительные ионы вследствие легкости удаления валентных электронов. Следует отметить, что резкой границы между металлами и неметаллами провести нельзя, так как любой элемент представляет собой единство двух противоположных (металлических и неметаллических) свойств. Химические свойства металлов определяются строением их атомов. Атомы металлов являются восстановителями, и их активность определяется величиной энергии ионизации, то есть энергии, которая затрачивается на отрыв электрона от атома. Чем меньше величина энергии ионизации, тем активнее металл.

В подгруппах S- и Р- элементов (сверху вниз) наблюдается значительное увеличение радиуса атома и снижение энергии ионизации. Самые низкие энергии ионизации (4-5 эВ) имеют щелочные металлы.

В подгруппах d-элементов энергия ионизации повышается за счет лантаноидного сжатия. В связи с этим, в подгруппах s- и p- металлов химическая активность сверху вниз увеличивается, в подгруппах d - металлов убывает.

С соляной кислотой взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода:

2AL + 6HCL → 2ALCL₃ + 3H₂

Металлы, находящиеся в ряду напряжений до водорода, взаимодействуют с разбавленной серной кислотой (исключение: Са, Ва, Рb, сульфаты которых нерастворимые соединения).

С концентрированной серной кислотой взаимодействие металлов осуществляется по следующей схеме:

+ активные Ме = сульфат + H₂S + H₂O

H₂SO₄ + ср.акт. Ме = сульфат + S + H₂O

+ мал.акт. Ме = сульфат + SO₂ + H₂O

На холоде концентрированная серная кислота пассивирует Fe, Ni,Cr и другие металлы, то есть на их поверхности образуется защитная оксидная пленка.

C разбавленной азотной кислотой Металлы взаимодействуют по следующей схеме:

+ активные Ме = нитрат + NH₄NO₃ + H₂O

HNO₃ + ср.акт. Ме = нитрат + N₂O, N₂ + H₂O

+ малоакт. Ме = нитрат + NO + H₂O

Концентрированная азотная кислота взаимодействует с металлами, обычно выделяя NO₂ (бурый газ). При взаимодействии щелочных и щелочноземельных металлов с концентрированной HNO₃ выделяется N₂O (бесцветный газ). Металлы, как правило, имеют максимальную степень окисления и, если она больше +3, металлы образуют оксиды или соответствующие кислоты, а не нитраты:

Mg + 4HNO_3(K) = Hg(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

4Ca +10HNO_3(K) = 4Ca(NO₃)₂ + 4N₂O + 5H₂O

Ge + 4HNO_3(K) = GeO₂ + 4NO₂ + H₂O

При комнатной температуре концентрированная HNO₃ пассивирует AL, Fe, Cr и не окисляет Au, Pt, Ph, Ta, Nb.

Смеси концентрированных кислот HNO₃ + HCl; HNO₃+HF; HNO₃ + H₂SO₄ обладают более сильными окислительными свойствами. Здесь азотная кислота окисляет металлы с образованием NO, вторая кислота (HCl, HF, H₂SO₄) образует с металлами соли или соответствующие комплексные кислоты:

Au + HNO₃ + 3HCL = AuCL₃ + NO + 2H₂O

AuCL₃ + HCL = H[AuCL₄]

3Nb + 5HNO₃ + 21HF = 3H₂[NbF₇] + 5NO + 10H₂O

С растворами и расплавами щелочей взаимодействуют металлы, гидроксиды которых проявляют амфотерные свойства. При взаимодействии активных металлов выделяется водород:

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

Zn + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + H₂

Менее активные металлы взаимодействуют со щелочами в присутствии более сильных окислителей (O₂, KNO₃, KCLO₃ и др.):

2Ta + 5KNO₃ + 2NaOH = 2NaTaO₃ + 5KNO₂ + H₂O

С водой взаимодействуют металлы, стоящие в ряду активности до водорода и образующие оксиды (гидроксиды), растворимые в воде: 2K + 2H₂O = 2KOH +H₂

Sr + 2H₂O = Sr(OH)₂ + H₂

С растворами солей взаимодействуют металлы, которые стоят в ряду напряжений перед металлом, образующим данную соль:

2AgNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Пример 6.1. Закончите уравнения реакций:

Na + H₂O =… Nb + KNO₃ + NaOH = …

Решение. С водой взаимодействуют только активные s – металлы, реакция протекает с выделением водорода. Малоактивные амфотерные металлы реагируют со щелочами в присутствии окислителя: Na + H₂O = H₂ + NaOH

2 Nb +5 KNO₃ + 2 NaOH = 2NaNbO₃ + 5KNO₂ + H₂O

Контрольные вопросы и задания

166. Напишите уравнения реакций взаимодействия цинка со щелочью, разбавленной серной кислотой, концентрированной азотной кислотой. Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

167. Напишите уравнения реакций взаимодействия меди с концентрированной серной , разбавленной и концентрированной азотной кислотами. Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

168. Напишите уравнения реакций взаимодействия железа с разбавленными серной и азотной кислотами. Подберите коэффициенты методом электронного баланса. Почему в сильно концентрированных растворах серной и азотной кислотах железо не растворяется?

169. Напишите уравнения реакций взаимодействия платины со смесью кислот ( HNO₃ + HCl), с расплавом щелочи с окислителем. Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

170. Напишите уравнения реакций взаимодействия кальция с водородом, азотом, углеродом и концентрированной азотной кислотой. Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

171. Напишите уравнения реакций взаимодействия свинца со щелочью, разбавленной азотной и концентрированной серной кислотами. Подберите коэффициенты методом электронного баланса. Почему свинец не растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах, хотя он стоит в ряду напряжений металлов левее водорода?

172. Напишите уравнения реакций взаимодействия алюминия со щелочью, разбавленными азотной и серной кислотами. Подберите коэффициенты методом электронного баланса. Почему в сильно концентрированных растворах серной и азотной кислотах алюминий не растворяется?

173. Напишите уравнения реакций взаимодействия магния с азотом, серой, концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами. Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

174. Напишите уравнения реакций взаимодействия натрия с азотом, концентрированной серной кислотой и разбавленной азотной кислотой. Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

175. Напишите уравнения реакций взаимодействия олова с раствором щелочи, концентрированной и разбавленной азотной кислотой. Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

176. Напишите уравнения реакций взаимодействия калия с азотом, серой, водородом, кислородом, к получившиеся соединения добавьте воду. К окислительно-восстановительным реакциям составьте электронные уравнения.

177. Напишите уравнения реакций взаимодействия цинка с раствором щелочи, с разбавленной и концентрированной азотной кислотой. Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

178. Напишите уравнения реакций взаимодействия золота, палладия, вольфрама со смесью кислот (HNO₃ + HCl ). Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

179. Напишите уравнения реакций взаимодействия бериллия с азотом, водородом, со щелочью и разбавленной азотной кислотой. Подберите коэффициенты методом электронного баланса.

180. Напишите уравнения реакций взаимодействия бария с разбавленной и концентрированной серной кислотой и разбавленной азотной кислотой. Подберите коэффициенты методом электронного баланса.