10.3. 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. 11.3.1. Видно, что металлы, стоящие после водорода, не взаимодействуют с кислотами, в которых частицей-окислителем является водород (HCl,H₂SO_4(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 H₂Sпри взаимодействии с концентрированной серной кислотой иN₂Oпри взаимодействии с разбавленной азотной кислотой:

Mg + H₂SO_{4 (конц)} = MgSO₄ + H₂O + H₂S,

Mg + HNO_{3 (разб)} = Mg(NO₃)₂ + H₂O + N₂O.

Таблица 11.3.1

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)  = 1,2	Нитрат металла + H2O+ П*
	N2O	NO	NO
HNO3(оч.разб)  = 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 + 2HNO_{3 (средн. конц)} = Al₂O₃ + H₂O + 2NO;

2Al + 6HNO_{3 (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 11.3.2