Металлы, кислоты и пассивация
Неокисляющие кислоты
При взаимодействии металла с соляной или разбавленной серной кислотой окислителем является ион \(\ce{H+}\) (\(E^\circ = 0\)). Металлы с отрицательным электродным потенциалом восстанавливают его до водорода. Для двухвалентного металла реакцию можно записать так:
errorНизшая устойчивая степень окисления
Ион \(\ce{H+}\) является слабым окислителем, поэтому при реакции с ним железо, хром и олово переходят в низшие устойчивые степени окисления: \(\ce{Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2}\) (не \(\ce{FeCl3}\)!), \(\ce{Cr + 2HCl -> CrCl2 + H2}\) (синий раствор, без доступа воздуха), \(\ce{Sn + 2HCl -> SnCl2 + H2}\).
Однако отрицательный электродный потенциал не всегда означает, что металл быстро растворится в кислоте. Если на его поверхности образуется малорастворимое соединение, оно препятствует дальнейшей реакции.
infoЗащитные плёнки на свинце
Свинец (\(E^\circ = -0{,}13\) В) почти не растворяется в холодной соляной и разбавленной серной кислотах, поскольку его поверхность покрывается малорастворимыми \(\ce{PbCl2}\) и \(\ce{PbSO4}\). Поэтому в XVIII–XIX веках свинцом выкладывали камеры для производства серной кислоты («камерный способ»).
scienceМеталлы и кислоты-неокислители
- \(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}\) — при реакции цинка с соляной кислотой выделяется водород; в лаборатории его получают в аппарате Киппа.
- \(\ce{2Al + 3H2SO4 (разб) -> Al2(SO4)3 + 3H2 ^}\) — при реакции алюминия с разбавленной серной кислотой выделяется водород.
- \(\ce{Mg + 2CH3COOH -> Mg(CH3COO)2 + H2 ^}\) — даже слабая уксусная кислота растворяет магний с выделением водорода.
- \(\ce{Cu + HCl ->}\) — в отсутствие других окислителей реакция не протекает, поскольку медь стоит после водорода.
Азотная кислота
В азотной кислоте металл окисляет не ион водорода, а нитрат-ион. Поэтому при её реакциях с металлами водород обычно не выделяется. Продукт восстановления нитрат-иона зависит от активности металла и концентрации кислоты:
| Кислота | Малоактивные металлы (\(\ce{Cu}\), \(\ce{Ag}\), \(\ce{Hg}\)) | Активные металлы (\(\ce{Mg}\), \(\ce{Zn}\), \(\ce{Ca}\)) |
|---|---|---|
| Концентрированная | Образуется \(\ce{NO2}\). | Образуются \(\ce{NO2}\) или \(\ce{N2O}\). |
| Разбавленная | Образуется \(\ce{NO}\). | Образуются \(\ce{N2O}\) или \(\ce{N2}\). |
| Очень разбавленная | Образуется \(\ce{NO}\). | Образуется \(\ce{NH4NO3}\). |
У железа, алюминия и хрома концентрированная азотная кислота на холоду вызывает пассивацию: на поверхности металла образуется плотная оксидная плёнка, которая препятствует дальнейшей реакции. Поэтому концентрированную азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах.
scienceМеталлы и азотная кислота
- \(\ce{Cu + 4HNO3 (конц) -> Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O}\) — при реакции меди с концентрированной азотной кислотой выделяется бурый газ.
- \(\ce{3Ag + 4HNO3 (разб) -> 3AgNO3 + NO ^ + 2H2O}\) — при реакции серебра с разбавленной азотной кислотой выделяется газ.
- \(\ce{4Mg + 10HNO3 (разб) -> 4Mg(NO3)2 + N2O ^ + 5H2O}\) — при реакции активного металла с разбавленной азотной кислотой продуктом восстановления может быть газ.
- \(\ce{4Zn + 10HNO3 (оч. разб) -> 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O}\) — при этой реакции газ не выделяется; ион аммония обнаруживают добавлением щёлочи.
- \(\ce{Au + HNO3 + 4HCl -> H[AuCl4] + NO ^ + 2H2O}\) — в царской водке азотная кислота окисляет золото только благодаря хлорид-ионам: они связывают золото(III) в прочный комплекс \(\ce{[AuCl4]-}\) и тем самым понижают его электродный потенциал.
history_eduМедали в царской водке
В 1940 году, когда нацисты вошли в Копенгаген, Дьёрдь де Хевеши растворил в царской водке золотые нобелевские медали Макса фон Лауэ и Джеймса Франка, хранившиеся в институте Нильса Бора: вывоз золота из Германии был преступлением. Колба с раствором простояла на полке всю войну. После победы золото осадили, и Нобелевский фонд отчеканил медали заново.
Концентрированная серная кислота и щёлочи
В отличие от разбавленной, концентрированная серная кислота окисляет металлы за счёт серы(+6) в своём составе. При реакции с малоактивными металлами, например медью и серебром, продуктом восстановления служит \(\ce{SO2}\). При реакции с активными металлами, например цинком и магнием, могут образоваться \(\ce{SO2}\), S или \(\ce{H2S}\).
На холоду концентрированная серная кислота пассивирует железо, алюминий и хром. Поэтому её хранят в стальных цистернах. При нагревании защитное действие плёнки прекращается, и железо вступает в реакцию с кислотой.
scienceМеталлы и концентрированная серная кислота
- \(\ce{Cu + 2H2SO4 (конц) ->[t] CuSO4 + SO2 ^ + 2H2O}\) — при нагревании медь реагирует с концентрированной серной кислотой с выделением газа.
- \(\ce{3Zn + 4H2SO4 (конц) -> 3ZnSO4 + S v + 4H2O}\) — при реакции цинка продуктом восстановления серы(+6) может быть сера.
- \(\ce{4Zn + 5H2SO4 (конц) -> 4ZnSO4 + H2S ^ + 4H2O}\) — при реакции цинка продуктом восстановления серы(+6) может быть сероводород.
- \(\ce{2Fe + 6H2SO4 (конц) ->[t] Fe2(SO4)3 + 3SO2 ^ + 6H2O}\) — при нагревании пассивация прекращается, и железо окисляется до +3.
Со щелочами реагируют металлы, оксиды и гидроксиды которых амфотерны. В приведённых ниже реакциях окислителем является вода, а щёлочь растворяет защитную плёнку и удерживает продукт реакции в растворе:
\(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}\) \(\ce{Zn + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2 ^}\)
Сходным образом щёлочь реагирует и с неметаллом кремнием:
\(\ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2 ^}\)
auto_awesomeВодород для дирижаблей
В годы Первой мировой войны водород для аэростатов получали на полевых станциях, растворяя кремний или ферросилиций в щёлочи. Такие установки было удобно перевозить, но щёлочь требовалось защищать от сырости.
push_pinГлавное
В соляной (\(\ce{HCl}\)) и разбавленной серной (\(\ce{H2SO4}\)) кислотах ион водорода окисляет металлы с отрицательным электродным потенциалом, а сам восстанавливается до водорода. Железо, хром и олово при этом переходят в низшие устойчивые степени окисления (\(\ce{Fe^2+}\), \(\ce{Cr^2+}\), \(\ce{Sn^2+}\)); свинец от дальнейшей реакции защищают плёнки \(\ce{PbCl2}\) и \(\ce{PbSO4}\). Азотная кислота обычно не выделяет водород: концентрированная кислота образует \(\ce{NO2}\), разбавленная при реакции с малоактивными металлами — \(\ce{NO}\), а при реакции с активными металлами возможны \(\ce{N2O}\), \(\ce{N2}\) и \(\ce{NH4NO3}\). При восстановлении концентрированной серной кислоты образуется \(\ce{SO2}\), а при её реакции с активными металлами возможны также S и \(\ce{H2S}\). На холоду \(\ce{Fe}\), \(\ce{Al}\) и \(\ce{Cr}\) пассивируются концентрированными \(\ce{HNO3}\) и \(\ce{H2SO4}\). Металлы с амфотерными оксидами и гидроксидами (\(\ce{Al}\), \(\ce{Zn}\), \(\ce{Be}\)) растворяются в щелочах.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.