Химические свойства металлов
Свободные металлы являются восстановителями:
M0– ne– → Mn+.
Восстановительная способность металлов меняется в широких пределах и служит мерой химической активности, за которую принимается их способность переходить в состояние положительно заряженного иона, теряя при этом электроны.
Металлы взаимодействуют с кислотами, водой, щелочами и солями в соответствии с положением в ряду напряжений.
При взаимодействии металлов с растворами солей вытесняются малоактивные металлы, так как их ионы являются окислителями. Например,
Zn + Pb(NO3)2 = Zn(NO3)2 + Pb.
Со щелочами взаимодействуют только амфотерные металлы с образованием комплексных солей и выделением водорода:
Zn + 2NaOH = Na2ZnO2 + H2↑
или в водном растворе:
Zn + 2NaOH + 2Н2О = Na2 [Zn(OН)4] + H2↑.
Продукты взаимодействия кислот с металлами представлены в табл. 1. Видно, что металлы, стоящие после водорода, не взаимодействуют с кислотами, в которых частицей-окислителем является водород (HCl, H2SO4(разб)).
Правила использования данной таблицы рассмотрим на примере взаимодействия магния с концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами. Магний активный металл, поэтому, помимо соли и воды, будет образовываться H2S при взаимодействии с концентрированной серной кислотой и N2O при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой:
Mg + H2SO4 (конц) = MgSO4 + H2O + H2S,
Mg + HNO3 (разб) = Mg(NO3)2 + H2O + N2O.
Таблица 1
Продукты взаимодействия металлов с водой и некоторыми
кислотами
| Реагент | Активные металлы (Li–Al) | Среднеактивные металлы (Ti–H) | Малоактивные металлы (после Н) |
| H2O | Гидроксид металла + H2 или оксид металла + H2 (при нагревании) | – | |
| HCl | Хлорид металла + H2 | – | |
| H2SO4 (разб) | Сульфат металла + H2 | – | |
| H2SO4 (конц) | Сульфат металла + H2O + П* | ||
| H2S | S | SO2 | |
| HNO3 (конц) ρ = 1,45 | Нитрат металла + H2O + П* | ||
| NO | NO | NO2 | |
| HNO3 (разб) r = 1,2 | Нитрат металла + H2O + П* | ||
| N2O | NO | NO | |
| HNO3 (оч.разб) r = 1,0 | Нитрат металла + H2O +NH4NO3 | – | – |
| П* –продукт, зависящий от активности металла; (разб) – разбавленная, (конц) – концентрированная |
Пассивация металла – это процесс торможения и полного прекращения его окисления при взаимодействии с растворами окислителей в результате образования защитной пленки на поверхности.
Некоторые металлы пассивируются на воздухе, взаимодействуя с кислородом и образуя защитные оксидные пленки.
2Pb + O2 = 2PbO; Pb + O2 = PbO2.
При помещении таких металлов в более агрессивную среду (кислоту или щелочь) пленка препятствует взаимодействию металла с окислителями.
а) Пассивация металла в результате образования
нерастворимых солей и гидроксидов на его поверхности
Процесс пассивации металла в результате образования нерастворимых солей или гидроксидов на его поверхности достаточно просто предсказать, пользуясь таблицей растворимости веществ. Если соль или гидроксид металла, который взаимодействует с кислотой, водой или основанием, нерастворимы – металл будет пассивироваться.
Например, если поместить в концентрированную серную кислоту кусочек кадмия или свинца (предварительно очищенный от оксидной пленки), то уравнения проходящих реакций будут схожи:
Cd + H2SO4 = CdSO4 + H2O + S;
Pb + H2SO4 = PbSO4↓ + H2O + S.
Однако, если кадмий растворится в кислоте полностью, то окисление свинца вскоре прекратится. Пользуясь таблицей растворимости, можно убедиться, что сульфат кадмия растворимое вещество, а сульфат свинца – нет.
Есть металлы, которые реагируют с разбавленными кислотами, но не реагируют с концентрированными (т. е. безводными) кислотами – серной кислотой и азотной кислотой. Эти металлы – Al, Fe, Cr, Ni и некоторые другие – при контакте с безводными кислотами сразу же покрываются продуктами окисления. Продукты окисления, образующие прочные пленки, могут растворяться в водных растворах кислот, но нерастворимы в кислотах концентрированных.
б) Пассивация металлов в результате образования оксидов
Иногда вместо соли на поверхности металла образуется оксид. Это характерно для взаимодействия металлов с азотной кислотой. В этом случае уравнение ОВР записывается как обычно, но вместо соли в продуктах образуется оксид:
2Al + 2HNO3 (средн. конц) = Al2O3 + H2O + 2NO;
2Al + 6HNO3 (конц)= Al2O3 + 3H2O + 6NO2.
С химической стороны крепкая азотная кислота характеризуется, прежде всего, сильно выраженными окислительными свойствами. При этом основным конечным продуктом восстановления не очень крепкой HNO3 является NO, а концентрированной – NO2.
Таблица 2
Продукты пассивации некоторых металлов