Смеси металлов и сплавы
Избирательное растворение
Состав смеси легче определить, если подобрать реагент, с которым взаимодействует только часть её компонентов. Такой приём называют избирательным растворением. Выбор реагента зависит от того, какие металлы входят в смесь.
| Реагент | Растворяет | Не растворяет |
|---|---|---|
| NaOH (р-р) | Al, Zn, Be, Si | Mg, Fe, Cu, Ag |
| HCl, разб. \(\ce{H2SO4}\) | металлы до водорода (Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn) | Cu, Ag, Au, Pt |
| разб. \(\ce{HNO3}\) | большинство металлов, включая Cu, Ag | Au, Pt |
| конц. \(\ce{HNO3}\) (холод) | Cu, Ag | Al, Fe, Cr (пассивация), Au, Pt; Sn реагирует с образованием осадка |
| царская водка | Au, Pt | Ag (AgCl на поверхности) |
Алюминий, железо и хром не растворяются в холодной концентрированной азотной кислоте из-за пассивации: образовавшаяся на поверхности плёнка препятствует дальнейшей реакции. Олово при действии концентрированной азотной кислоты окисляется с образованием осадка метаоловянной кислоты.
Для расчёта объёма водорода важно знать степень окисления металла в продукте реакции. В реакции с HCl железо образует \(\ce{Fe^2+}\), поэтому на моль железа приходится 1 моль \(\ce{H2}\). Алюминий образует \(\ce{Al^3+}\), и на моль алюминия приходится 1,5 моль \(\ce{H2}\). При растворении в щёлочи на моль цинка также приходится 1 моль водорода, а на моль алюминия — 1,5 моль.
edit_noteТри металла, три опыта
Пусть смесь состоит из Al, Fe и Cu. Сначала NaOH растворяет алюминий: по объёму выделившегося газа \(V_1\) находят его количество. Затем остаток обрабатывают HCl. По объёму газа \(V_2\) находят количество железа, а по массе нерастворившегося остатка — количество меди. Таким образом, каждый опыт позволяет определить один компонент.
scienceРастворение металлов
- \(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}\) — при взаимодействии алюминия с раствором щёлочи выделяется водород.
- \(\ce{Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2 ^}\) — при растворении железа в соляной кислоте выделяется водород.
- \(\ce{3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O}\) — при растворении меди в разбавленной азотной кислоте выделяется оксид азота(II).
Система уравнений по газу и массе
Если оба металла растворяются в одном реагенте, один опыт не всегда позволяет определить их количества по отдельности. Обозначим количества металлов через \(x\) и \(y\). Для нахождения двух неизвестных составляют два независимых уравнения:
- Уравнение по массе смеси имеет вид \(M_1x + M_2y = m\).
- Уравнение по объёму газа составляют с учётом числа электронов, отдаваемых металлами: \(\dfrac{n_1}{2}x + \dfrac{n_2}{2}y = n(\ce{H2})\), где \(n_1\), \(n_2\) — заряды образующихся ионов.
Для однозначного решения коэффициенты этих уравнений не должны быть пропорциональны. Но даже при выполнении этого условия близкие коэффициенты могут сделать расчёт ненадёжным: небольшая погрешность измерения сильно изменит найденный состав. Для Mg (24) и Zn (65) различие масс достаточно велико. Для Fe (56) и Ni (59), которые оба образуют двухзарядные ионы, метод гораздо менее точен; такую смесь лучше анализировать другим способом, например осаждением или титрованием.
boltРасчёт по эквивалентной массе
Эквивалентной массой металла в таком расчёте называют массу, которой соответствует 1 моль отданных электронов: для Mg она составляет 12,2; для Al — 9,0; для Zn — 32,7; для Fe(II) — 27,9. Средняя эквивалентная масса смеси лежит между значениями для её компонентов. По правилу рычага сначала находят долю электронов, приходящуюся на каждый металл, а затем с учётом эквивалентных масс — доли металлов.
edit_noteПлохо обусловленная система
В смеси Fe и Ni оба металла образуют \(\ce{M^2+}\), а их молярные массы близки: 55,8 и 58,7. Если объём водорода измерен с ошибкой 0,5 %, найденная доля никеля может измениться на 10 % и больше. Поэтому определять состав такой смеси только по объёму водорода ненадёжно.
Прокаливание и окисление
Если измерение объёма газа не позволяет надёжно найти состав смеси, можно использовать массу продуктов. Для этого металлы сжигают или прокаливают до оксидов. Другой путь — растворить металлы, осадить гидроксиды и прокалить их до оксидов. Разность между массой оксидов и исходной массой металлов равна массе присоединившегося кислорода: \(m(\ce{O}) = m_\text{оксидов} - m_\text{металлов}\).
edit_noteМедь и магний
Смесь меди и магния массой 10,0 г прокалили на воздухе до постоянной массы. Получили 14,4 г оксидов CuO и MgO. Масса кислорода составила 4,4 г, или 0,275 моль. Обозначив количества меди и магния через \(x\) и \(y\), составляют систему уравнений: \(63{,}55x + 24{,}31y = 10{,}0\); \(x + y = 0{,}275\). Решая её, находят \(y = 0{,}190\), \(x = 0{,}0845\) моль.
boltПроверка состава
Найденный состав необходимо проверить по всем опытам задачи: рассчитать объём водорода при взаимодействии с кислотой, массу оксидов и массу осадка. Если хотя бы один результат не совпадает с условием, следует проверить вычисления и учесть возможные процессы: пассивацию, образование нитрида при горении магния на воздухе или частичное окисление.
push_pinГлавное
Избирательное растворение позволяет последовательно определять компоненты смеси: NaOH растворяет Al, Zn, а также Be и Si; HCl и разбавленная \(\ce{H2SO4}\) растворяют металлы, стоящие до водорода, тогда как Cu, Ag и Au не растворяются. Железо при этом образует \(\ce{Fe^2+}\), а хром без доступа воздуха — \(\ce{Cr^2+}\). Азотная кислота растворяет большинство металлов, но не Au и Pt; в холодной концентрированной кислоте Al, Fe и Cr пассивируются, а Sn образует осадок метаоловянной кислоты. Для двух неизвестных нужны два независимых уравнения: по массе смеси и по объёму газа либо по массе продуктов — оксидов или осадков. При расчёте по водороду учитывают электронный баланс: 1 моль \(\ce{H2}\) соответствует 2 моль e. Найденный состав проверяют по всем измеренным массам и объёмам.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.