21.2. Химические свойства металлов Отношение металлов к кислороду воздуха

Наиболее активные металлы (литий, натрий, калий, цезий, барий, кальций) очень легко реагируют с кислородом воздуха на холоде. Менее активные металлы (алюминий, хром, марганец и др.) при окислении на воздухе покрываются плотной оксидной пленкой, которая предохраняет их от дальнейшего взаимодействия с кислородом. При высокой температуре эти металлы сгорают, а иридий, золото в прямую реакцию с кислородом не вступают.

Отношение металлов к воде

Металл в виде простого вещества является восстановителем, причем восстановительные свойства его выражаются тем сильнее, чем меньше стандартный потенциал металла (Е^о).

Вода как окислитель реагирует по уравнению

2Н₂О +2е = Н₂ + 2ОН^-

Для восстановления молекул воды в нейтральной среде (концентрация ионов водорода при 25^о С равна 10^-7 моль/л) надо приложить потенциал, равный -0,414 В (рассчитывается по уравнению Нернста). Следовательно, теоретически металлы, имеющие потенциал более отрицательный, чем -0,414 В, должны вытеснять водород из воды. Практически же из всех металлов при обыкновенной температуре легко реагируют с водой лишь щелочные (литий, натрий, калий, рубидий, цезий) и щелочноземельные (кальций, стронций, барий) металлы, поскольку их оксидные пленки и продукты взаимодействия – гидроксиды – растворимы в воде. Они не предохраняют металл от её действия. Активность взаимодействия этих металлов с водой по ряду активности слева направо ослабляются. Например,

2Na + 2H₂O = 2NaOH +H₂ (реакция протекает бурно);

Са + 2H₂O = Са(ОН)₂ + Н₂

Роль окислителя в этих реакциях выполняет вода, о чем свидетельствует выделение водорода.

Менее активные металлы – магний, алюминий, цинк, железо – окисляются труднее. Для разложения ими воды требуется более или менее высокая температура. Отсутствие видимого взаимодействия других активных металлов с водой при обычной температуре объясняется, главным образом, нерастворимостью естественных оксидных пленок или получающихся продуктов. Например,

Al + H₂O не реагируют

Это обусловлено наличием на поверхности алюминия очень плотного тонкого слоя химически инертной оксидной пленки, которая ни при каких условиях не взаимодействует с водой.

Ве + H₂O = Ве(ОН)₂ +Н₂

Бериллий окисляется водой, но реакция тотчас же приостанавливается ввиду образования защитной пленки гидроокиси, не растворимой в воде.

Однако при нагревании некоторые из активных металлов (Mg, Mn, Ti, Zn, Cr, Fe) могут взаимодействовать с водой. Но реакция взаимодействия этих металлов при нагревании протекает также по-разному. Это зависит от активности металла и растворимости их оксидов и гидроксидов. Так, магний и марганец при нагревании энергично взаимодействуют с водой, а титан реагирует лишь с кипящей водой и то медленно. Цинк взаимодействует лишь с перегретым паром, а хром и железо вступают в реакцию с водяными парами только при температуре красного каления.

Таким образом, для растворения металла в воде необходимо три условия:

1. чтобы естественная оксидная пленка металла растворялась в воде;

2. чтобы Е^о металла был меньше, чем 0,414 В;

3. чтобы продукт взаимодействия металла с водой растворялся в воде.