Взаимодействие металлов с растворами кислот

При взаимодействии с водными растворами кислот металлы проявляют типичные для них восстановительные свойства, кислоты выступают в качестве окислителей. Они делятся на две группы:

· кислоты, окислителями в которых является ион водорода ( HCl, HBr, HI, разбавленная серная кислота и др.);

· кислоты, окислителем в которых выступают анионы, содержащие элементы в высшей степени окисления, это концентрированная серная, азотная, хлорная (окислители – анионы SO42-, NO3- , ClO4 -) и другие кислоты.

Для протекания любого окислительно-восстановительного процесса

необходимо выполнение условия: окислительно-восстановительный потенциал окислителя больше потенциала восстановителя (jок.>jвосст., Dj>0). В соответствии с этим условием в кислотах первой группы (окислитель – ион водорода, j02H+¤ H2= 0 B) растворяются только металлы, характеризующиеся отрицательным стандартным потенциалом. Это металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений, вытеснительный ряд) до водорода.

Пример. Рассмотрим взаимодействие магния и серебра с разбавленной серной кислотой.

Выписываем из ряда стандартных окислительно-восстановительных потенциалов потенциалы окислителя и восстановителя (см.приложение 5):

j02H+¤ H2= 0 B, j0Mg2+¤ Mg = -2,36 B, j0Ag+¤ Ag= 0,80 B.

Для магния Dj=0-(-2,36) =2,36 В > 0,

для серебра Dj=0-0,80 = -0,80 В < 0.

Следовательно, магний растворяется, а серебро не растворяется в разбавленной серной кислоте.

Уравнение реакции взаимодействия магния с разбавленной серной кислотой составляем, используя описанный ранее алгоритм.

Mg + H2SO4разб. ® Mg2+, H2

1 Mg - 2e ® Mg2+

1 2H+ + 2e ® H2


Mg + 2H+ ® Mg2+ + H2­

Mg + H2SO4 = MgSO4 + H2­

Состав продуктов взаимодействия металлов с концентрированной серной и азотной (как концентрированной, так и разбавленной) кислотами определяется активностью металла.

По активности металлы условно делят на три группы: активные металлы, стоящие в ряду стандартных потенциалов (ряд активности - см. приложение 3) до марганца (Li…Al), металлы средней активности – от марганца до свинца (Mn…Pb) – и малоактивные металлы, стоящие после водорода (Cu…Au).

Ниже приведены схемы взаимодействия металлов с концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами:

-2

акт. Ме Me n(SO4)m2О + H2

+6 ср. акт. Ме Me n(SO4)m + H2O + S0¯

Ме0 + H2SO4 конц.

вос-ль окислитель +4

мало акт. Ме Me n(SO4)m + H2O + SO2­

-3

акт. Ме Me (NO3)m2О + NH4NO3

0 +1

+5 ср. акт. Ме Me(NO3)m + H2O +N2(или N2O)­

Ме0 + HNO3разб. +2

вос-ль окислитель мало акт. Ме Me(NO3)m + H2O + NO­




С концентрированной азотной кислотой все металлы взаимодействуют согласно схеме:

+5 +4

Me0 + HNO3 конц. ® Me n(NO3)m + H2O + NO2­.

Золото и платина (Au,Pt) растворяются только в «царской водке» - смеси концентрированных соляной и азотной кислот.

Взаимодействие металлов с кислотами в некоторых случаях тормозится образованием нерастворимых оксидных или солевых пленок, препятствующих дальнейшему растворению. Такие пленки называются пассивирующими, а состояние металла – пассивным. В концентрированной холодной серной кислоте пассивируются Fe, Ni, Ti, Cr, Pb, в концентрированной холодной азотной кислоте - Al, Fe, Ni, Ti, Cr, Sn.

Взаимодействие металлов с водой

При взаимодействии металлов с водой вода является окислителем, а металл – восстановителем. Возможность взаимодействия, как и для любой ОВР, определяется условием jок - jвосст. > 0.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ряда металлов, кислорода и водорода в разных средах приведены в таблице –см. приложение 5.

При рассмотрении возможности реакции металла с водой необходимо учитывать не только разность потенциалов окислителя и восстановителя, но и характер образующегося продукта.

Пример. Рассмотреть устойчивость к воде алюминия.

Сравниваем потенциалы металла и водорода в нейтральной среде(см. приложение 5):

j02H2O/H2= -0,41 B, j0Al(OH)3/Al = -1,88 B;

Dj = -0,41 -( -1,88) = 1,47 B > 0.

Таким образом, условие взаимодействия выполняется. Записываем уравнение реакции:

2 Al - 3e + 3H2O ® Al(OH)3 + 3H+


3 2H2O + 2e ® H2 + 2OH-


2Al + 6H2O + 6H2O ® 2Al(OH)3 + 6H+ + 6OH- + 3H2­


6H2O

Молекулярное уравнение:

2 Al + 6H2O = 2Al(OH)3 ¯ + 3H2­.

Образовавшаяся пленка нерастворимого гидроксида Al(OH)3 плотно прилегает к поверхности металла, защищая его от дальнейшего окисления. Следовательно, алюминий устойчив по отношению к воде. Вследствие образования нерастворимых гидроксидов не реагируют с водой цинк, хром, никель, титан и ряд других металлов.

Практически в воде растворяются только щелочные и щелочноземельные металлы (Li…Fr, Ca…Ra).

Наши рекомендации