Ряд напряжений металлов широко используется в неорганической химии. В частности, результаты многих реакций и даже возможность их осуществления зависят от положения некоторого металла в ЭРН. Обсудим этот вопрос подробнее.
Металлы, находящиеся в ряду напряжений левее водорода, реагируют с кислотами - неокислителями. Металлы, расположенные в ЭРН правее Н, взаимодействуют только с кислотами - окислителями (в частности, с HNO 3 и концентрированной H 2 SO 4).
Пример 1 . Цинк расположен в ЭРН левее водорода, следовательно, способен реагировать практически со всеми кислотами:
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2
Пример 2 . Медь находится в ЭРН правее Н; данный металл не реагирует с "обычными" кислотами (HCl, H 3 PO 4 , HBr, органические кислоты), однако вступает во взаимодействие с кислотами-окислителями (азотная, концентрированная серная):
Cu + 4HNO 3 (конц.) = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Cu + 2H 2 SO 4 (конц.) = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
Обращаю внимание на важный момент: при взаимодействии металлов с кислотами-окислителями выделяется не водород, а некоторые другие соединения. Подробнее об этом можно почитать !
Металлы, расположенные в ряду напряжений левее Mg, легко реагируют с водой уже при комнатной температуре с выделением водорода и образованием раствора щелочи.
Пример 3 . Натрий, калий, кальций легко растворяются в воде с образованием раствора щелочи:
2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2
2K + 2H 2 O = 2KOH + H 2
Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2
Металлы, расположенные в ряду напряжений от водорода до магния (включительно), в ряде случаев взаимодействуют с водой, но реакции требуют специфических условий. Например, алюминий и магний начинают взаимодействие с Н 2 О только после удаления оксидной пленки с поверхности металла. Железо не реагирует с водой при комнатной температуре, но взаимодействует с парами воды. Кобальт, никель, олово, свинец практически не взаимодействуют с H 2 O не только при комнатной температуре, но и при нагревании.
Металлы, расположенные в правой части ЭРН (серебро, золото, платина) не реагируют с водой ни при каких условиях.
Речь пойдет о реакциях следующего типа:
металл (*) + соль металла (**) = металл (**) + соль металла (*)
Хотелось бы подчеркнуть, что звездочки обозначают в данном случае не степень окисления, не валентность металла, а просто позволяют различить металл № 1 и металл № 2.
Для осуществления подобной реакции необходимо одновременное выполнение трех условий:
Пример 4 . Рассмотрим несколько реакций:
Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu
K + Ni(NO 3) 2 ≠
Первая реакция легко осуществима, все перечисленные выше условия выполнены: сульфат меди растворим в воде, цинк находится в ЭРН левее меди, Zn не реагирует с водой.
Вторая реакция невозможна, т. к. не выполнено первое условие (сульфид меди (II) практически не растворяется в воде). Третья реакция неосуществима, поскольку свинец - менее активный металл, нежели железо (находится правее в ЭРН). Наконец, четвертый процесс НЕ приведет к осаждению никеля, поскольку калий реагирует с водой; образовавшийся гидроксид калия может вступить в реакцию с раствором соли, но это уже совершенно другой процесс.
Напомню, что нитраты - это соли азотной кислоты. Все нитраты разлагаются при нагревании, но вот состав продуктов разложения может быть разным. Состав определяется положением металла в ряду напряжений.
Нитраты металлов, расположенных в ЭРН левее магния, при нагревании образуют соответствующий нитрит и кислород:
2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2
В ходе термического разложения нитратов металлов, расположенных в ряду напряжений от Mg до Cu включительно, образуются оксид металла, NO 2 и кислород:
2Cu(NO 3) 2 = 2CuO + 4NO 2 + O 2
Наконец, при разложении нитратов наименее активных металлов (расположенных в ЭРН правее меди) образуются металл, диоксид азота и кислород.
Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Pb, H 2 , Cu, Ag, Hg, Au
Чем левее стоит металл в ряду стандартных электродных потенциалов, тем более сильным восстановителем он является, самый сильный восстановитель – металлический литий, золото – самый слабый, и, наоборот, ион золото (III) – самый сильный окислитель, литий (I) – самый слабый.
Каждый металл способен восстанавливать из солей в растворе те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него, например, железо может вытеснять медь из растворов ее солей. Однако следует помнить, что металлы щелочных и щелочно-земельных металлов будут взаимодействовать непосредственно с водой.
Металлы, стоящее в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов разбавленных кислот, при этом растворяться в них.
Восстановительная активность металла не всегда соответствует его положению в периодической системе, потому что при определении места металла в ряду учитывается не только его способность отдавать электроны, но и энергия, которая затрачивается на разрушение кристаллической решетки металла, а также энергия, затрачиваемая на гидратацию ионов.
Взаимодействие с простыми веществами
С кислородом большинство металлов образует оксиды – амфотерные и основные:
4Li + O 2 = 2Li 2 O,
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 .
Щелочные металлы, за исключением лития, образуют пероксиды:
2Na + O 2 = Na 2 O 2 .
С галогенами металлы образуют соли галогеноводородных кислот, например,
Cu + Cl 2 = CuCl 2 .
С водородом самые активные металлы образуют ионные гидриды – солеподобные вещества, в которых водород имеет степень окисления -1.
2Na + H 2 = 2NaH.
С серой металлы образуют сульфиды – соли сероводородной кислоты:
С азотом некоторые металлы образуют нитриды, реакция практически всегда протекает при нагревании:
3Mg + N 2 = Mg 3 N 2 .
С углеродом образуются карбиды:
4Al + 3C = Al 3 C 4 .
С фосфором – фосфиды:
3Ca + 2P = Ca 3 P 2 .
Металлы могут взаимодействовать между собой, образуя интерметаллические соединения :
2Na + Sb = Na 2 Sb,
3Cu + Au = Cu 3 Au.
Металлы могут растворяться друг в друге при высокой температуре без взаимодействия, образуя сплавы .
Сплавы
Сплавами называются системы, состоящие из двух или более металлов, а также металлов и неметаллов, обладающих характерными свойства, присущими только металлическому состоянию.
Свойства сплавов – самые разнообразные и отличаются от свойств их компонентов, так, например, для того чтобы золото стало более твердым и пригодным для изготовления украшений, в него добавляют серебро, а сплав, содержащий 40 % кадмия и 60 % висмута, имеет температуру плавления 144 °С, т.е намного ниже температуры плавления его компонентов (Cd 321 °С, Bi 271 °С).
Возможны следующие типы сплавов:
Расплавленные металлы смешиваются между собой в любых соотношениях, неограниченно растворяясь друг в друге, например, Ag-Au, Ag-Cu, Cu-Ni и другие. Эти сплавы однородны по составу, обладают высокой химической стойкостью, проводят электрический ток;
Расправленные металлы смешиваются между собой в любых соотношениях, однако при охлаждении расслаиваются, и получается масса, состоящая из отдельных кристалликов компонентов, например, Pb-Sn, Bi-Cd, Ag-Pb и другие.
Все металлы, в зависимости от их окислительно-восстановительной активности объединяют в ряд, который называется электрохимическим рядом напряжения металлов (так как металлы в нем расположены в порядке увеличения стандартных электрохимических потенциалов) или рядом активности металлов:
Li, K, Ва, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H 2 , Cu, Hg, Ag, Рt, Au
Наиболее химически активные металлы стоят в ряду активности до водорода, причем, чем левее расположен металл, тем он активнее. Металлы, занимающие в ряду активности, место после водорода считаются неактивными.
Алюминий представляет собой серебристо-белого цвета. Основные физические свойства алюминия – легкость, высокая тепло- и электропроводность. В свободном состоянии при пребывании на воздухе алюминий покрывается прочной пленкой оксида Al 2 O 3 , которая делает его устойчивым к действию концентрированных кислот.
Алюминий относится к металлам p-семейства. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – 3s 2 3p 1 . В своих соединениях алюминий проявляет степень окисления равную «+3».
Алюминий получают электролизом расплава оксида этого элемента:
2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2
Однако из-за небольшого выхода продукта, чаще используют способ получения алюминия электролизом смеси Na 3 и Al 2 O 3 . Реакция протекает при нагревании до 960С и в присутствии катализаторов – фторидов (AlF 3 , CaF 2 и др.), при этом на выделение алюминия происходит на катоде, а на аноде выделяется кислород.
Алюминий способен взаимодействовать с водой после удаления с его поверхности оксидной пленки (1), взаимодействовать с простыми веществами (кислородом, галогенами, азотом, серой, углеродом) (2-6), кислотами (7) и основаниями (8):
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 (1)
2Al +3/2O 2 = Al 2 O 3 (2)
2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 (3)
2Al + N 2 = 2AlN (4)
2Al +3S = Al 2 S 3 (5)
4Al + 3C = Al 4 C 3 (6)
2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 (7)
2Al +2NaOH +3H 2 O = 2Na + 3H 2 (8)
В свободном виде Ca – серебристо-белый металл. При нахождении на воздухе мгновенно покрывается желтоватой пленкой, которая представляет собой продукты его взаимодействия с составными частями воздуха. Кальций – достаточно твердый металл, имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку.
Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – 4s 2 . В своих соединениях кальций проявляет степень окисления равную «+2».
Кальций получают электролизом расплавов солей, чаще всего – хлоридов:
CaCl 2 = Ca + Cl 2
Кальций способен растворяются в воде с образованием гидроксидов, проявляющих сильные основные свойства (1), реагировать с кислородом (2), образуя оксиды, взаимодействовать с неметаллами (3 -8), растворяться в кислотах (9):
Ca + H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2 (1)
2Ca + O 2 = 2CaO (2)
Ca + Br 2 =CaBr 2 (3)
3Ca + N 2 = Ca 3 N 2 (4)
2Ca + 2C = Ca 2 C 2 (5)
2Ca + 2P = Ca 3 P 2 (7)
Ca + H 2 = CaH 2 (8)
Ca + 2HCl = CaCl 2 + H 2 (9)
Железо – металл серого цвета. В чистом виде оно довольно мягкое, ковкое и тягучее. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – 3d 6 4s 2 . В своих соединениях железо проявляет степени окисления «+2» и «+3».
Металлическое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид (II, III) Fe 3 O 4:
3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2
На воздухе железо легко окисляется, особенно в присутствии влаги (ржавеет):
3Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3
Как и другие металлы железо вступает в реакции с простыми веществами, например, галогенами (1), растворяется в кислотах (2):
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 (2)
Железо образует целый спектр соединений, поскольку проявляет несколько степеней окисления: гидроксид железа (II), гидроксид железа (III), соли, оксиды и т.д. Так, гидроксид железа (II) можно получить при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:
FeSO 4 + 2NaOH = Fe(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4
Гидроксид железа (II) растворим в кислотах и окисляется до гидроксида железа (III) в присутствии кислорода.
Соли железа (II) проявляют свойства восстановителей и превращаются в соединения железа (III).
Оксид железа (III) нельзя получить по реакции горения железа в кислороде, для его получения необходимо сжигать сульфиды железа или прокаливать другие соли железа:
4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 +8SO 2
2FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 2 + 3H 2 O
Соединения железа (III) проявляют слабые окислительные свойства и способны вступать в ОВР с сильными восстановителями:
2FeCl 3 + H 2 S = Fe(OH) 3 ↓ + 3NaCl
Стали и чугуны – сплавы железа с углеродом, причем содержание углерода в стали до 2%, а в чугуне 2-4%. Стали и чугуны содержат легирующие добавки: стали– Cr, V, Ni, а чугун – Si.
Выделяют различные типы сталей, так, по назначению выделяют конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные и криогенные стали. По химическому составу выделяют углеродистые (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные). В зависимости от структуры выделяют аустенитные, ферритные, мартенситные, перлитные и бейнитные стали.
Стали нашли применение во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительная, химическая, нефтехимическая, охрана окружающей среды, транспортная энергетическая и другие отрасли промышленности.
В зависимости от формы содержания углерода в чугуне — цементит или графит, а также их количества различают несколько типов чугуна: белый (светлый цвет излома из-за присутствия углерода в форме цементита), серый (серый цвет излома из-за присутствия углерода в форме графита), ковкий и жаропрочный. Чугуны очень хрупкие сплавы.
Области применения чугунов обширны – из чугуна изготавливают художественные украшения (ограды, ворота), корпусные детали, сантехническое оборудование, предметы быта (сковороды), его используют в автомобильной промышленности.
ПРИМЕР 1
| Задание | Сплав магния и алюминия массой 26,31 г растворили в соляной кислоте. При этом выделилось 31,024 л бесцветного газа. Определите массовые доли металлов в сплаве. |
| Решение | Вступать в реакцию с соляной кислотой способны оба металла, в результате чего выделяется водород:
Mg +2HCl = MgCl 2 + H 2 2Al +6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 Найдем суммарное число моль выделившегося водорода: v(H 2) =V(H 2)/V m v(H 2) = 31,024/22,4 = 1,385 моль Пусть количество вещества Mg – х моль, а Al –y моль. Тогда, исходя из уравнений реакций можно записать выражение для суммарного числа моль водорода: х + 1,5у = 1,385 Выразим массу металлов, находящихся в смеси: Тогда, масса смеси будет выражаться уравнением: 24х + 27у = 26,31 Получили систему уравнений: х + 1,5у = 1,385 24х + 27у = 26,31 Решим её: 33,24 -36у+27у = 26,31 v(Al) = 0,77 моль v(Mg) = 0,23моль Тогда, масса металлов в смеси: m(Mg) = 24×0,23 = 5,52 г m(Al) = 27×0,77 = 20.79 г Найдем массовые доли металлов в смеси: ώ =m(Me)/m sum ×100% ώ(Mg) = 5,52/26,31 ×100%= 20,98% ώ(Al) = 100 – 20,98 = 79,02% |
| Ответ | Массовые доли металлов в сплаве: 20,98%, 79,02% |
Ряд напряжений металлов – это ряд металлов расположенных по возрастанию их стандартного электродного потенциала (). Положение металла в ряду напряжений свидетельствует о его окислительно-восстановительных способностях по отношению к другим металлам и их катионам для реакций, протекающих в растворах электролитах, т. е. в реакциях с солями и основаниями. А также с неметаллами, если эти реакции протекают в водных растворах в частности к таким процессам относятся процессы коррозии металлов ().
В ряду напряжений:
1) Уменьшается восстановительная способность металлов.
2) Увеличивается окислительная способность. Как следствие этого металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода вытесняют его из растворов кислот (не окислителей).
3) Металлы, стоящие в ряду левее (имеющие меньший потенциал) вытесняют металлы стоящие правее (имеющие больший потенциал) из растворов их солей.
4) Металлы, стоящие в ряду напряжений до Mg (имеющие ) вытесняют водород из воды.
Таким образом значение электродного потенциала определяет окислительно-восстановительные способности металлов по отношению друг к другу и по отношению к H и содержащие его катионы электролитам.
Измерение электродных потенциалов. Ряд стандартных электродных потенциалов, водородный электрод.
Абсолютное значение электродного потенциала измерить практически невозможно. В связи с этим электродный потенциал измеряется путем измерения ЭДС гальванического элемента составленного из исследуемого электрода и электрода потенциал, которого известен. Стандартный электродный потенциал определяется величиной ЭДС гальванического элемента, составленного из исследуемого электрода и стандартного водородного электрода, потенциал которого условно принимается равным нулю.
Стандартный водородный электрод – Это система, находящаяся при нормальных условиях, состоящая из губчатой пластины, в поры которой нагнетают водород , помещённую в одномоляльный раствор серной кислоты H 2 SO 4 с C(H +)=1моль/кг
Стандартизировать условия и воспроизводить потенциал такого электрода является сложной задачей, поэтому данный электрод используется в метеорологических целях. В лабораторной практике для измерения электродных потенциалов используют вспомогательные электроды.
Пример: каломельный электрод - Hg,HgCl/Cl - ;
хлор серебряный – Ag, AgCl/Cl - и т.д.
Потенциал этих электродов устойчиво воспроизводится, то есть сохраняет свое значение при хранении и эксплуатации.
Металлы, легко вступающие в реакции, называются активными металлами. К ним относятся щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий.
Металлические свойства элементов ослабевают слева направо в периодической таблице Менделеева. Поэтому наиболее активными считаются элементы I и II групп.
Рис. 1. Активные металлы в таблице Менделеева.
Все металлы являются восстановителями и легко расстаются с электронами на внешнем энергетическом уровне. У активных металлов всего один-два валентных электрона. При этом металлические свойства усиливаются сверху вниз с возрастанием количества энергетических уровней, т.к. чем дальше электрон находится от ядра атома, тем легче ему отделиться.
Наиболее активными считаются щелочные металлы:
К щелочноземельным металлам относятся:
Узнать степень активности металла можно по электрохимическому ряду напряжений металлов. Чем левее от водорода расположен элемент, тем более он активен. Металлы, стоящие справа от водорода, малоактивны и могут взаимодействовать только с концентрированными кислотами.
Рис. 2. Электрохимический ряд напряжений металлов.
К списку активных металлов в химии также относят алюминий, расположенный в III группе и стоящий левее водорода. Однако алюминий находится на границе активных и среднеактивных металлов и не реагирует с некоторыми веществами при обычных условиях.
Активные металлы отличаются мягкостью (можно разрезать ножом), лёгкостью, невысокой температурой плавления.
Основные химические свойства металлов представлены в таблице.
|
Реакция |
Уравнение |
Исключение |
|
Щелочные металлы самовозгораются на воздухе, взаимодействуя с кислородом |
K + O 2 → KO 2 |
Литий реагирует с кислородом только при высокой температуре |
|
Щелочноземельные металлы и алюминий на воздухе образуют оксидные плёнки, а при нагревании самовозгораются |
2Ca + O 2 → 2CaO |
|
|
Реагируют с простыми веществами, образуя соли |
Ca + Br 2 → CaBr 2 ; |
Алюминий не вступает в реакцию с водородом |
|
Бурно реагируют с водой, образуя щёлочи и водород |
|
Реакция с литием протекает медленно. Алюминий реагирует с водой только после удаления оксидной плёнки |
|
Реагируют с кислотами, образуя соли |
Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2 ; 2K + 2HMnO 4 → 2KMnO 4 + H 2 |
|
|
Взаимодействуют с растворами солей, сначала реагируя с водой, а затем с солью |
2Na + CuCl 2 + 2H 2 O: 2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 ; |
Активные металлы легко вступают в реакции, поэтому в природе находятся только в составе смесей - минералов, горных пород.
Рис. 3. Минералы и чистые металлы.
К активным металлам относятся элементы I и II групп - щелочные и щелочноземельные металлы, а также алюминий. Их активность обусловлена строением атома - немногочисленные электроны легко отделяются от внешнего энергетического уровня. Это мягкие лёгкие металлы, быстро вступающие в реакцию с простыми и сложными веществами, образуя оксиды, гидроксиды, соли. Алюминий находится ближе к водороду и для его реакции с веществами требуются дополнительные условия - высокие температуры, разрушение оксидной плёнки.
Средняя оценка: 4.4 . Всего получено оценок: 334.
