Взаимодействие металлов с растворами кислот

 

При взаимодействии с водными растворами кислот металлы проявляют типичные для них восстановительные свойства, кислоты выступают в качестве окислителей. Они делятся на две группы:

· кислоты, окислителями в которых является ион водорода (HCl, HBr, HI, разбавленная серная кислота и др.);

· кислоты, окислителем в которых выступают анионы, содержащие элементы в высшей степени окисления, это концентрированная серная, азотная, хлорная (окислители – анионы SO₄^2-, NO₃^- , ClO₄ ^-) и другие кислоты.

Для протекания любого окислительно-восстановительного процесса

необходимо выполнение условия: окислительно-восстановительный потенциал окислителя больше потенциала восстановителя (j_ок.>j_восст., Dj>0). В соответствии с этим условием в кислотах первой группы (окислитель – ион водорода, j⁰_2H⁺_{¤ H2}= 0 B) растворяются только металлы, характеризующиеся отрицательным стандартным потенциалом. Это металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений, вытеснительный ряд) до водорода.

 

Пример. Рассмотрим взаимодействие магния и серебра с разбавленной серной кислотой.

Выписываем из ряда стандартных окислительно-восстановительных потенциалов потенциалы окислителя и восстановителя (см.приложение 5):

 

j⁰_2H⁺_{¤ H2}= 0 B, j⁰_Mg²⁺_{¤ Mg} = -2,36 B, j⁰_Ag⁺_{¤ Ag}= 0,80 B.

Для магния Dj=0-(-2,36) =2,36 В > 0,

для серебра Dj=0-0,80 = -0,80 В < 0.

Следовательно, магний растворяется, а серебро не растворяется в разбавленной серной кислоте.

Уравнение реакции взаимодействия магния с разбавленной серной кислотой составляем, используя описанный ранее алгоритм.

Mg + H₂SO_4разб. ® Mg²⁺, H₂

1 Mg - 2e ® Mg²⁺

1 2H⁺ + 2e ® H₂

Mg + 2H⁺ ® Mg²⁺ + H₂­

Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + H₂­

Состав продуктов взаимодействия металлов с концентрированной серной и азотной (как концентрированной, так и разбавленной) кислотами определяется активностью металла.

По активности металлы условно делят на три группы: активные металлы, стоящие в ряду стандартных потенциалов (ряд активности - см. приложение 3) до марганца (Li…Al), металлы средней активности – от марганца до свинца (Mn…Pb) – и малоактивные металлы, стоящие после водорода (Cu…Au).

Ниже приведены схемы взаимодействия металлов с концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами:

 

-2

акт. Ме Me _n(SO₄)_m+Н₂О + H₂S­

 

₊₆ ср. акт. Ме Me _n(SO₄)_m + H₂O + S⁰¯

Ме⁰ + H₂SO_{4 конц.}

вос-ль окислитель +4

мало акт. Ме Me _n(SO₄)_m + H₂O + SO₂­

 

 

 

-3

акт. Ме Me (NO₃)_m+Н₂О + NH₄NO₃

0 +1

+5 ср. акт. Ме Me(NO₃)_m + H₂O +N₂(или N₂O)­

Ме⁰ + HNO_3разб. +2

вос-ль окислитель мало акт. Ме Me(NO₃)_m + H₂O + NO­

 

 

С концентрированной азотной кислотой все металлы взаимодействуют согласно схеме:

_{+5 +4}

Me⁰ + HNO_{3 конц.} ® Me _n(NO₃)_m + H₂O + NO₂­.

 

Золото и платина (Au,Pt) растворяются только в «царской водке» - смеси концентрированных соляной и азотной кислот.

Взаимодействие металлов с кислотами в некоторых случаях тормозится образованием нерастворимых оксидных или солевых пленок, препятствующих дальнейшему растворению. Такие пленки называются пассивирующими, а состояние металла – пассивным. В концентрированной холодной серной кислоте пассивируются Fe, Ni, Ti, Cr, Pb, в концентрированной холодной азотной кислоте - Al, Fe, Ni, Ti, Cr, Sn.

 

Взаимодействие металлов с водой

При взаимодействии металлов с водой вода является окислителем, а металл – восстановителем. Возможность взаимодействия, как и для любой ОВР, определяется условием j_{ок -} j_восст. > 0.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ряда металлов, кислорода и водорода в разных средах приведены в таблице –см. приложение 5.

При рассмотрении возможности реакции металла с водой необходимо учитывать не только разность потенциалов окислителя и восстановителя, но и характер образующегося продукта.

 

Пример. Рассмотреть устойчивость к воде алюминия.

Сравниваем потенциалы металла и водорода в нейтральной среде(см. приложение 5):

j⁰2H₂O/H₂= -0,41 B, j⁰Al(OH)₃/Al = -1,88 B;

Dj = -0,41 -(-1,88) = 1,47 B > 0.

Таким образом, условие взаимодействия выполняется. Записываем уравнение реакции:

2 Al - 3e + 3H₂O ® Al(OH)₃ + 3H⁺

 

3 2H₂O + 2e ® H₂ + 2OH^-

2Al + 6H₂O + 6H₂O ® 2Al(OH)₃ + 6H⁺ + 6OH^- + 3H₂­

6H₂O

Молекулярное уравнение:

2 Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ ¯ + 3H₂­.

Образовавшаяся пленка нерастворимого гидроксида Al(OH)₃ плотно прилегает к поверхности металла, защищая его от дальнейшего окисления. Следовательно, алюминий устойчив по отношению к воде. Вследствие образования нерастворимых гидроксидов не реагируют с водой цинк, хром, никель, титан и ряд других металлов.

Практически в воде растворяются только щелочные и щелочноземельные металлы (Li…Fr, Ca…Ra).