Теоретическое введение. Металлы, имея низкие потенциалы ионизации, легко отдают валентные электроны и

Металлы, имея низкие потенциалы ионизации, легко отдают валентные электроны и образуют положительно заряженные ионы:

M − nē = Mⁿ⁺ .

Поэтому металлы в химических реакциях являются восстановителями и способны взаимодействовать с различными веществами − окислителями.

Рассмотрим некоторые типичные случаи такого взаимодействия.

1. Металлы высокой химической активности могут разлагать воду с вытеснением водорода при комнатных температурах:

2K + 2H₂O = 2KOH + H₂.

2. С кислотами металлы реагируют различно в зависимости от активности самого металла и окислительных свойств кислоты:

– В разбавленной серной кислоте и в растворах галогеноводородов окислителем является ион H⁺, поэтому в них растворяются металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода:

Cd + H₂SO₄ (разб.) = CdSO₄ + H₂;

Ni + 2HCl = NiCl₂ + H₂.

– Концентрированная серная кислота является окислителем за счет S⁺⁶ и может при нагревании окислять металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода. Продукты ее восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла. При взаимодействии с малоактивными металлами кислота восстанавливается до SO₂:

Hg + 2H₂SO₄ (конц.) = HgSO₄ + SO₂ + 2H₂O.

При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как SO₂, так и свободная сера и сероводород:

Cd + 2H₂SO₄ (конц.) = CdSO₄ + SO₂ + 2H₂O;

3Zn+ 4H₂SO₄ (конц.) = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O;

4Mg + 5H₂SO₄ (конц.) = 4MgSO₄ + H₂S + 4H₂O.

В этих реакциях часть молекул серной кислоты играют роль среды.

– Азотная кислота является сильнейшим окислителем за счет N⁺⁵. Продукты восстановления различны и зависят от концентрации кислоты и активности металла:

HNO₃ → NO₂ → NO → N₂O → N₂ → NH₄NO₃.

При реакциях с концентрированной кислотой чаще всего выделяется NO₂. При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами выделяется NO. В случае более активных металлов выделяется N₂O. Сильно разбавленная азотная кислота взаимодействует с активными металлами с образованием иона аммония, дающего с кислотой нитрат аммония.

Ag + 2HNO₃ (конц.) = AgNO₃ + NO₂ + H₂O;

3Ag + 4HNO₃ (разб.) = 3AgNO₃ + NO + H₂O;

4Mg + 10HNO₃ (разб.) = 4Mg(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O;

4Ca + 10HNO₃ (оч. разб.) = 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

Al, Fe, Cr концетрированной азотной кислотой пассивируются.

3. Со щелочами реагируют металлы, дающие амфотерные гидроксиды (бериллий, цинк, алюминий, олово, свинец), а также металлы, обладающие высокими степенями окисления в присутствии сильных окислителей:

Be + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Be(OH)₄] + H₂;

2Mo + 4KOH + 3O₂ 2K₂MoO₄ + 2H₂O.

Выполнение работы

Опыт 1. Взаимодействие металлов с водой

В кристаллизатор с водой добавить несколько капель фенолфталеина. Пинцетом достать кусочек натрия (или кальция) из склянки, где он хранится под слоем керосина, и высушить его фильтровальной бумагой. Ножом отрезать небольшую часть (размером со спичечную головку) и пинцетом перенести в кристаллизатор с водой. Что наблюдается?

Требования к результатам опыта

1. Составить уравнение реакции взаимодействия натрия с водой.

2. Сделать вывод, какие металлы взаимодействуют с водой.

Опыт 2. Действие разбавленной и концентрированной

серной кислоты на металлы

· В три пробирки налить по 2–3 мл разбавленной серной кислоты и опустить в одну из них кусочек железа, в другую – цинка, в третью – меди. Какие металлы реагируют с кислотами?

· (Проводить в вытяжном шкафу!) В две пробирки налить по 2–3 мл концентрированной серной кислоты. В одну из них опустить кусочек цинка, в другую – кусочек меди. Обе пробирки слегка нагреть. Наблюдать выделение серы и по запаху определить выделяющийся газ в первой пробирке. Какой газ выделяется во второй пробирке?

Требования к результатам опыта

1. Составить уравнения реакций взаимодействия металлов с разбавленной серной кислотой.

2. Сделать вывод, какие металлы взаимодействуют с разбавленной серной и соляной кислотами.

3. Составить уравнения реакций взаимодействия цинка и меди с концентрированной серной кислотой.

4. Сформулировать правило взаимодействия металлов с концентрированной серной кислотой.

Опыт 3. Действие разбавленной и концентрированной

азотной кислоты на металлы

· (Проводить в вытяжном шкафу!) В две пробирки налить по 2–3 мл разбавленной азотной кислоты и опустить в одну из них кусочек цинка, в другую – кусочек меди. Слегка нагреть обе пробирки. Наблюдать выделение газа.

· (Проводить в вытяжном шкафу!) В две пробирки налить по 2–3 мл концентрированной азотной кислоты и опустить в одну из них кусочек цинка, в другую – кусочек меди. Какой газ выделяется?

Требования к результатам опыта

1. Составить уравнения реакций взаимодействия цинка и меди с разбавленной азотной кислотой.

2. Составить уравнения реакций взаимодействия цинка и меди с концентрированной азотной кислотой.

3. Сформулировать правило взаимодействия металлов с концентрированной и разбавленной HNO₃.