Металлы, кислоты и пассивация
Неокисляющие кислоты
В соляной и разбавленной серной кислотах окислитель — ион \(\ce{H+}\) (\(E^\circ = 0\)). Реагируют металлы с отрицательным потенциалом:
errorНизшая степень окисления
Ион \(\ce{H+}\) — слабый окислитель, и металлы с переменной валентностью окисляются лишь до низшей устойчивой степени: \(\ce{Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2}\) (не \(\ce{FeCl3}\)!), \(\ce{Cr + 2HCl -> CrCl2 + H2}\) (синий раствор, без доступа воздуха), \(\ce{Sn + 2HCl -> SnCl2 + H2}\).
infoСвинец и плёнки
Свинец (\(E^\circ = -0{,}13\) В) почти не растворяется в соляной и серной кислотах: поверхность покрывается малорастворимыми \(\ce{PbCl2}\) и \(\ce{PbSO4}\). Поэтому свинцом выкладывали камеры для производства серной кислоты в XVIII–XIX веках («камерный способ»).
scienceМеталлы и кислоты-неокислители
- \(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}\) — лабораторный водород (аппарат Киппа).
- \(\ce{2Al + 3H2SO4 (разб) -> Al2(SO4)3 + 3H2 ^}\).
- \(\ce{Mg + 2CH3COOH -> Mg(CH3COO)2 + H2 ^}\) — даже слабая уксусная кислота растворяет магний.
- \(\ce{Cu + HCl ->}\) реакции нет: медь стоит после водорода.
Азотная кислота
В азотной кислоте окислитель — нитрат-ион, и водород не выделяется (почти никогда). Продукт восстановления зависит от концентрации кислоты и активности металла:
| Кислота | Малоактивные (\(\ce{Cu}\), \(\ce{Ag}\), \(\ce{Hg}\)) | Активные (\(\ce{Mg}\), \(\ce{Zn}\), \(\ce{Ca}\)) |
|---|---|---|
| концентрированная | \(\ce{NO2}\) | \(\ce{NO2}\) / \(\ce{N2O}\) |
| разбавленная | \(\ce{NO}\) | \(\ce{N2O}\), \(\ce{N2}\) |
| очень разбавленная | \(\ce{NO}\) | \(\ce{NH4NO3}\) |
Концентрированная кислота пассивирует железо, алюминий, хром на холоду: на поверхности образуется плотная оксидная плёнка. Поэтому концентрированную азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах.
scienceМеталлы и азотная кислота
- \(\ce{Cu + 4HNO3 (конц) -> Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O}\) — бурый газ.
- \(\ce{3Ag + 4HNO3 (разб) -> 3AgNO3 + NO ^ + 2H2O}\).
- \(\ce{4Mg + 10HNO3 (разб) -> 4Mg(NO3)2 + N2O ^ + 5H2O}\).
- \(\ce{4Zn + 10HNO3 (оч. разб) -> 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O}\) — газа нет, аммоний обнаруживают щёлочью.
- \(\ce{Au + HNO3 + 4HCl -> H[AuCl4] + NO ^ + 2H2O}\) — царская водка: окисление плюс комплексообразование.
history_eduМедали в царской водке
В 1940 году, когда нацисты вошли в Копенгаген, Дьёрдь де Хевеши в институте Нильса Бора растворил в царской водке золотые нобелевские медали Макса фон Лауэ и Джеймса Франка: 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 концентрированной серной кислоте окислитель — сера(+6). Продукт восстановления зависит от активности металла: малоактивные (медь, серебро) — \(\ce{SO2}\); активные (цинк, магний) — \(\ce{SO2}\), S, \(\ce{H2S}\). Железо, алюминий и хром на холоду пассивируются — концентрированную серную кислоту хранят в стальных цистернах.
scienceМеталлы и концентрированная серная кислота
- \(\ce{Cu + 2H2SO4 (конц) ->[t] CuSO4 + SO2 ^ + 2H2O}\).
- \(\ce{3Zn + 4H2SO4 (конц) -> 3ZnSO4 + S v + 4H2O}\).
- \(\ce{4Zn + 5H2SO4 (конц) -> 4ZnSO4 + H2S ^ + 4H2O}\).
- \(\ce{2Fe + 6H2SO4 (конц) ->[t] Fe2(SO4)3 + 3SO2 ^ + 6H2O}\) — при нагревании пассивация снимается, и железо окисляется до +3.
Щёлочи растворяют металлы, чьи оксиды и гидроксиды амфотерны. Окислитель — вода, щёлочь растворяет защитную плёнку и связывает продукт:
\(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}\) \(\ce{Zn + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2 ^}\) \(\ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2 ^}\) — и неметалл кремний.
auto_awesomeВодород для дирижаблей
В годы Первой мировой войны водород для аэростатов получали на полевых станциях, растворяя кремний или ферросилиций в щёлочи — установки легко перевозить, а реактивы не боятся сырости.
push_pinГлавное
Неокисляющие кислоты (\(\ce{HCl}\), разб. \(\ce{H2SO4}\)) окисляют металлы до низшей устойчивой степени окисления (\(\ce{Fe^2+}\), \(\ce{Cr^2+}\), \(\ce{Sn^2+}\)) с выделением водорода; свинец защищён плёнками \(\ce{PbCl2}\) и \(\ce{PbSO4}\). Азотная кислота водорода не даёт: концентрированная — \(\ce{NO2}\), разбавленная с малоактивными металлами — \(\ce{NO}\), с активными — \(\ce{N2O}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{NH4NO3}\). Концентрированная серная — \(\ce{SO2}\) (с активными металлами — S, \(\ce{H2S}\)). \(\ce{Fe}\), \(\ce{Al}\), \(\ce{Cr}\) пассивируются концентрированными \(\ce{HNO3}\) и \(\ce{H2SO4}\) на холоду. Амфотерные металлы (\(\ce{Al}\), \(\ce{Zn}\), \(\ce{Be}\)) растворяются в щелочах.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.