Взаимодействие металлов с водными растворами щелочей

При взаимодействии металла с водой в качестве продукта образуется гидроксид металла. Как известно, гидроксиды имеют кислотный (кислоты), основной (основания) и амфотерный характер.

Гидроксиды конструкционных металлов бериллия, алюминия, цинка, олова и свинца имеют амфотерный характер. Поэтому образующийся при взаимодействии с водой нерастворимый гидроксид металла проявляет свойства кислоты и вступает во взаимодействие с основанием (щелочью) образуя соли, растворимые в воде.

Пример 3. Составить уравнение реакции в случае возможности взаимодействия цинка с водным раствором гидроксида натрия.

Решение.

1 Zn –2e = Zn²⁺ e ⁰ = –0,74В

1 2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^- e⁰ = –0,41В.

Zn + 2H₂O = Zn²⁺ + 2OH^- + H₂

Zn + 2H₂O = Zn(OH)₂ + H₂

Э.Д.С. = (–0,41В) – (–0,74В) = +0,33В. Реакция протекает с образованием нерастворимого в воде гидроксида цинка. Реакция прекращается, так как защитная пленка разделяет реагенты. Практически металл цинк не реагирует с водой. Однако в щелочной (основной) среде амфотерный гидроксид цинка проявляет кислотный характер и взаимодействует с основанием

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄] .

Образующаяся соль растворима в воде. Таким образом, защитная пленка разрушается, и металл цинк реагирует с водой.

Суммарная реакция:

Zn + 2H₂O +2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂.

Правильнее говорить, что идет процесс окисления металла водой в щелочной среде:

1 Zn + 4OH^- – 2e = [Zn(OH)₄]^2-

1 2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^-

Zn + 2H₂O + 4OH^- = H₂ + [Zn(OH)₄]^2- + 2OH^-

Zn + 2H₂O + 2NaOH = H₂ + Na₂[Zn(OH)₄].

Взаимодействие металлов с кислотами

Характер взаимодействия, а также состав продуктов зависит от активности металла (восстановителя), активности кислоты (окислителя) и концентрации кислоты.

Металлы классифицируют по активности:

а) активные – электродный потенциал окисления меньше (–1,18В);

б) средней активности–электродный потенциал окисления (от –1,18В до 0,0В);

в) малоактивные – электродный потенциал окисления больше (0,0В).

Кислоты, как известно, диссоциируют на ион водорода (катион) и кислотный остаток (анион). В некоторых кислотах как катион, так и анион могут восстанавливаться. В зависимости от того, какой ион в кислоте является окислителем, возможны следующие направления реакции.

1.Взаимодействие металлов с кислотами, в которых окислителем является ион водорода (H⁺). Это все кислоты, кроме азотной кислоты и концентрированной серной кислоты.

Восстановление окислителя идет по уравнению

2H⁺ + 2e = H₂ .

Электродный потенциал восстановления ионов водорода в стандартных условиях будет равен 0,0В. С такими кислотами взаимодействуют все металлы, электродный потенциал окисления которых меньше нуля.

Пример 4. Составить уравнение реакции в случае возможности взаимодействия цинка с хлороводородной кислотой.

Решение.

1 Zn – 2e = Zn²⁺ e ⁰ = –0,74В

1. 2H ⁺ + 2e = H₂ e⁰ = +0,00В

Zn + 2H ⁺= H₂ + Zn²⁺

Zn + 2HCl = H₂ + ZnCl₂ .

Э.Д.С. = (–0,00В) – (–0,74В) = +0,74В. Реакция протекает с образованием водорода и хлорида цинка, растворимого в воде

Если образующиеся по реакции соли нерастворимы в воде, то защитный слой разделяет реагенты и происходит пассивация металла.

P b + H₂SO_{4 (разбавленная)} = H₂ + PbSO₄ .

2.При взаимодействии металлов с концентрированной серной кислотой окислителем является сульфат-ион (SO₄^2-).

Восстановление окислителя идет по уравнениям:

SO₄^2- + 10H⁺ + 8e = H₂S + 4H₂O e⁰ = +0,30В,

SO₄^2- + 8H⁺ + 6e = S + 4H₂O e⁰ = +0,36В,

SO₄^2- + 4H⁺ + 2e = SO₂ + 2H₂O e⁰ = +0,72В.

С концентрированной серной кислотой взаимодействуют все металлы до серебра, электродный потенциал окисления которого +0,80В. Состав продуктов зависит от активности металла.

H ₂SO₄(конц.) + Me (активн.) H₂S + Me₂(SO₄)_n + H₂O

H₂SO₄(конц.) + Me (среднеактивн.) S + Me₂(SO₄)_n + H₂O

H₂SO₄(конц.) + Me (малоактивн.) SO₂ + Me₂(SO₄)_n + H₂O

Пример 5. Составить уравнение реакции в случае возможности взаимодействия цинка с концентрированной серной кислотой.

Решение. Цинк относиться к среднеактивным металлам

3 Zn – 2e = Zn²⁺ e ⁰ = –0,74В

1 SO₄^2- + 8H⁺ + 6e = S + 4H₂O e⁰ = +0,36В

3Zn + SO₄^2- + 8H⁺ = 3Zn²⁺ + S + 4H₂O

3Zn + 4H₂SO₄ = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O.

Э.Д.С. = (+0,36В) – (–0,74В) = +1,10В. Реакция протекает с образованием серы.

3.При взаимодействии металлов с азотной кислотой любой концентрации окислителем является нитрат-ион (NO₃^-).

Восстановление окислителя идет по уравнениям:

2NO₃^- + 12H⁺ + 10e = N₂ + 6H₂O e⁰ = +1,27В,

2NO₃^- + 10H⁺ + 8e = N₂O + 5H₂O e⁰ = +1,12В,

NO₃^- + 4H⁺ + 3e = NO + 2H₂O e⁰ = +0,96В,

NO₃^- + 2H⁺ + 2e = NO₂ + H₂O e⁰ = +1,05В,

NO₃^- + 10H⁺ + 8e = NH₄⁺ + 3H₂O e⁰ = +0,86В.

С азотной кислотой взаимодействуют все металлы до золота, электродный потенциал окисления которого +1.50В. Причем разбавленная кислота является более сильным окислителем, чем концентрированная кислота.

Состав продуктов зависит от активности металла и концентрации кислоты.

H NO₃(конц.) + Me(различн.активн.) NO₂ + Me(NO₃)n + H₂O,

HNO₃(очень разб.) + Me(активн.) NH₄NO₃ + Me(NO₃)n + H₂O,

HNO₃(разб.) + Me(активн.) N₂ + Me(NO₃)n + H₂O,

HNO₃(разб.) + Me(среднеактивн.) N₂O + Me(NO₃)n+H₂O,

HNO₃(разб.) + Me(малоактивн.) NO + Me(NO₃)n + H₂O.

Пример 6. Составить уравнение реакции в случае возможности взаимодействия цинка с разбавленной азотной кислотой.

Решение. Цинк относиться к среднеактивным металлам

4 Zn – 2e = Zn²⁺ e ⁰ = –0,74В

1 2NO₃^- +10H⁺ + 8e = N₂O + 5H₂O e⁰ = +1,12В.

4Zn + 2NO₃^- + 10H⁺ = 4Zn²⁺ + N₂O + 5H₂O

4Zn + 10HNO₃ = 4Zn(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O

Э.Д.С. = (+1,12В) – (–0,74В) = +1,86В. Реакция протекает с образованием оксида азота (I).