В. А. Миронова - Методические указания к выполнению лабораторных работ

Лабораторная работа № 8

МЕТАЛЛЫ Цель работы: ознакомиться с общими свойствами металлов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Свойствами металлов обладает большинство элементов, входящих в периодическую систему Д. И. Менделеева (прил. 9). Элементы с металлическими свойствами могут относиться к типу s-, p-, d- или f- элементов.

Все металлы обладают общими так называемыми металлическими свойствами, но каждый элемент проявляет их в соответствии с его положением в периодической системе Д. И. Менделеева, т. е. в соответствии с особенностями строения его атома. В зависимости от того, какой подуровень у атома металла заполняется электронами, проявляются общие химические свойства. Особенностью металлов является их способность к образованию металлической связи, которая определяет их физические свойства.

Металлы служат основным конструкционным материалом в машиностроении и приборостроении. Это объясняется тем, что они подвергаются механической обработке благодаря таким их свойствам, как прочность, пластичность, ковкость, тягучесть, обладают хорошей тепло- и электропроводностью. Металлам присущи также металлический блеск, обусловленный их способностью хорошо отражать свет, и непрозрачность. В высокодисперсном состоянии металлы обычно имеют черный цвет и не блестят. Атомы элементов, обладающих металлическими свойствами, содержат мало электронов на внешних электронных уровнях (1-3), и из-за сравнительно больших размеров атома они находятся на значительном удалении от ядра. Поэтому в химическом отношении все металлы характеризуются сравнительной легкостью отдачи валентных электронов:

Me0 Men + +ne-

и, как следствие, способностью образовывать положительно заряженные ионы. В связи с этим металлы в свободном состоянии способны проявлять только восстановительные свойства, хотя и в различной степени.

Металлы проявляют в своих соединениях только положительную степень окисления, а низшая степень окисления, которой они обладают только в свободном состоянии, равна нулю.

Если металлу присущи несколько степеней окисления, то соединения, в которых он проявляет низшую из них, также обычно являются восстановителями, например соединения меди (I), олова (II), железа (II). Окислителями могут быть те соединения, металлов, в которых степень окисления металла велика: равна номеру группы, в которой находится металл, или близка к нему. На практике в качестве окислителей

61

применяют аммиачный раствор оксида серебра, хлорид железа (III), диоксид свинца, диоксид марганца, хромат и дихромат калия, перманганат калия и др.

Восстановительная способность свободных металлов проявляется при взаимодействии их с элементарными окислителями, обладающими окислительными свойствами.

Большинство металлов легко взаимодействуют с галогенами с образованием высших галогенидов металлов. С кислородом металлы взаимодействуют менее энергично с образованием нормальных оксидов. С азотом многие металлы вообще не взаимодействуют, что объясняется очень большой энергией диссоциации окислителя.

Взаимодействие металлов с кислотами, щелочами и водой различно в зависимости от активности металлов и их специфических свойств, определяемых положением в периодической системе Д. И. Менделеева.

Химически активные металлы вступают во взаимодействие с водой при комнатной температуре с выделением водорода:

Me + nH2O Me(OH)n + n/2H2

Металлы менее активные взаимодействуют с водой лишь при нагревании:

Me + nH2O MeO + n/2H2

Действие воды на металлы усиливается в присутствии растворенного в воде кислорода. Некоторые малоактивные металлы при этом окисляются по схеме:

Me + n/2H2O + n/4O2 Me(OH)n

Со щелочами могут реагировать металлы, дающие амфотерные оксиды, или соединения металлов в высшей степени окисления, в присутствии сильных окислителей:

Me0 + H2O + OH- MeO2- + 3/2H2, 2Me0 + 7Na2O2 + 6H2O 2NaMeO4 + 12NaOH

Такие реакции характерны для V, Nb, W, Mn и других металлов, имеющих высшие степени окисления в соединениях.

Интенсивность действия водных растворов кислот на металлы соответствует положению металлов в ряду стандартных электродных потенциалов (прил. 8) и окислительным свойствам кислот. Чем более разбавлена кислота и чем активнее металл, тем глубже идет восстановление.

Действие кислот, окислительная способность которых обусловлена окислительными свойствами недиссоциированных молекул и даже анионов, на металлы обладает определенными особенностями.

Особенность действия азотной кислоты на металлы состоит в том, что она окисляет металлы без выделения водорода даже из разбавленного раствора. Степень окисления азота в азотной кислоте +5 меняется до +4, +3, +2, +1 и 0, и даже концентрированная азотная кислота действует на все металлы, кроме благородных.

62

Серная концентрированная кислота действует на металлы средней и малой активности только при нагревании, сера восстанавливается с +6 до +4 или до 0.

Концентрированные кислоты, анионы которых не обладают окислительными свойствами, как правило, с металлами не взаимодействуют.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыт 1. Взаимодействие металлов с водой

В четыре пробирки налейте по 6 капель дистиллированной воды, добавьте в каждую пробирку по 1 капле фенолфталеина и опустите в первую пробирку кусочек магния, во вторую - кусочек железа, в третью - кусочек алюминия, а в четвертую - кусочек меди. Наблюдаются ли какиелибо изменения? Нагрейте содержимое пробирок в пламени спиртовки до кипения. Отметьте наблюдаемые изменения в пробирке с магнием. Почему не появилось окрашивание в остальных пробирках? Чем оно вызвано?

Опыт 2. Взаимодействие металлов с кислотами Взаимодействие алюминия с кислотами

Рассмотрим некоторые случаи такого взаимодействия.

1.Взаимодействие алюминия с разбавленной и концентрированной соляной кислотой

Вдве пробирки положите по кусочку алюминия и добавьте в одну 5-8 капель разбавленной, а в другую — 5-8 капель концентрированной соляной кислоты. Есть ли разница во взаимодействии? Какой газ выделяется? Запишите уравнение реакции.

2.Взаимодействие алюминия с разбавленной и концентрированной серной кислотой

Вдве пробирки поместите по кусочку алюминия и добавьте по 5-8 капель разбавленной 2 %-ной. и концентрированной серной кислоты. Какова активность взаимодействия алюминия с серной кислотой по сравнению с соляной? Осторожно подогрейте обе пробирки на пламени

спиртовки. Какой газ выделяется при взаимодействии с разбавленной H2SO4? Установите по запаху выделение сернистого газа при взаимодействии алюминия с концентрированной серной кислотой, а также наблюдайте выпадение серы при взаимодействии с разбавленной кислотой. Чем вызвана разница во взаимодействии? Напишите уравнения реакций взаимодействия алюминия с кислотами разной концентрации на холоде и при нагревании, учитывая, что серная кислота по мере разбавления восстанавливается до

SO2, H2S или S.

3. Взаимодействие алюминия с разбавленной и концентрированной азотной кислотой

В две пробирки положите по кусочку алюминия и прилейте по 5-8 капель разбавленной и концентрированной азотной кислоты. Наблюдается ли взаимодействие? Осторожно подогреете пробирки. Что выделяется в

63

обоих случаях? Напишите уравнение реакции взаимодействия алюминия с азотной кислотой разной концентрации, учитывая, что азотная кислота по мере разбавления восстанавливается до NO2 или NО.

4. Пассивирующее действие холодной концентрированной азотной кислоты на алюминий

Кусочек алюминия зачистите наждачной бумагой, опустите в пробирку и прилейте 5-10 капель концентрированной азотной кислоты. Через 5 мин слейте кислоту и промойте алюминий водой, после чего внесите 5-10 капель концентрированной соляной кислоты. Будет ли реагировать алюминий так же, как в п. 1? Почему?

Взаимодействие железа с кислотами

Налейте в четыре пробирки по 5-6 капель кислот: 2%-ной НСl, 2%-ной H 2SO4, концентрированной H2SO4, 2%-ной HNO3. В каждую пробирку внесите кусочек железной стружки. Затем добавьте во все растворы по 1 капле 0,01%-ного раствора роданида калия KCNS или аммония NH4CNS. В каких пробирках образовались ионы Fe+3? Какие ионы образовались в пробирках, где не произошло окрашивание? Чем объяснить, что при взаимодействии железа с серной кислотой разной концентрации образуются ионы железа различной степени окисления? Запишите уравнения соответствующих реакций.

Взаимодействие меди с кислотами

В три пробирки налейте по 5-6 капель 2%-ного растворов соляной, серной и азотной кислот. В каждую пробирку внесите кусочек меди.

Что наблюдаете? Нагрейте пробирки на пламени спиртовки. Наблюдайте выделение газа в пробирке с азотной кислотой.

Проделайте аналогичный опыт с концентрированными кислотами. Что отмечается? Напишите уравнения реакций.

Сделайте общий вывод о реакционной способности металлов различной активности с кислотами.

Опыт 3. Взаимодействие металлов с растворами щелочей

В четыре пробирки налейте по 5-6 капель 2%-ного раствора щелочи и поместите в первую два микрошпателя порошка алюминия, во вторую - кусочек цинка, в третью - кусочек железа, а в четвертую - кусочек меди. Что наблюдаете? Подогрейте пробирку в пламени спиртовки. Видны ли изменения? Запишите уравнения реакции для тех металлов, где наблюдалась реакция.

Какие ионы в данных реакциях являются окислителями? Назовите еще 2-3 металла, которые ведут себя подобно алюминию.

Опыт 4. Взаимодействие металлов с растворами солей

В три пробирки налейте по 1/3 их объема: в одну - раствор дихлорида олова, в другую - раствор сульфата меди, а в третью - раствор сульфата магния. Опустите во все пробирки по грануле цинка. Что образуется на

64

поверхности металла? Составьте уравнения реакции. Какими химическими свойствами обладают положительные ионы металлов?

Опыт 5. Анализ сплавов

Открытие железа. На чистую поверхность сплава, содержащего железо, нанесите 3 капли разбавленной азотной кислоты, через минуту добавьте 2 капли концентрированной азотной кислоты. Через 2 мин перенесите этот раствор с помощью пипетки в две микропробирки. В одну из пробирок добавьте 2 капли раствора гексацианоферрата (III) калия. Растворы в пробирках окрашиваются в темно-красный и синий цвета. Составьте уравнения реакций.

Открытие никеля. На чистую поверхность стали нанесите 2-3 капли азотной кислоты. Через 2-3 мин снимите этот раствор полоской фильтровальной бумаги и добавьте каплю раствора диметилглиоксима (реактива Чугаева). Появление розово-красного пятна указывает на наличие никеля.

Открытие алюминия. На чистую поверхность сплава, содержащего алюминий, нанесите 2-3 капли раствора щелочи. Если через 2-3 мин замечается «вскипание» жидкости и выделение газа (какого?), то данный сплав содержит алюминий.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Охарактеризуйте положение алюминия в периодической системе Д. И. Менделеева.

2.Почему, находясь в ряду напряжений намного левее водорода, алюминий не вытесняет его из воды, но легко вытесняет из водного раствора щелочи?

3.Почему алюминий легко реагирует с соляной кислотой и не взаимодействует с азотной кислотой?

4.Объясните валентность железа с точки зрения квантовомеханических представлений.

5.Объясните наличие высшей степени окисления у марганца.

6.Почему элементарные металлы проявляют восстановительные свойства?

7.Какие металлы используются на практике в качестве восстановителей?

8.Какие соединения металлов могут выступать в роли окислителей?

9.Как взаимодействуют металлы с кислотами, щелочами, водой?

10.Как можно определить наличие алюминия, железа, никеля в сплавах?

Литература

1.Коровин, Н. В. Общая химия. С. 341 381

2.Фролов, В. В. Химия. С. 302-413

65

Приложение 3 Растворимость некоторых солей и оснований в воде

68

Продолжение приложения 3

69

Приложение 4 Интервалы перехода окраски некоторых кислотно-основных индикаторов

70