Сұйылтылған қышқылдардың металдармен реакциясы Лабораториялық жұмыс №7 «Сұйылтылған тұз қышқылының мырышпен әрекеттесуі». Химия, 7 сынып, қосымша материал.

Reactions of acids with metals

Acids react with most metals and a salt is produced. But unlike the reaction between acids and bases we don't get any water. Instead we get hydrogen gas.

This is the general word equation for the reaction:

metal + acid → salt + hydrogen

Salts

The salt produced depends upon the metal and the acid. Here are two examples:

zinc + sulphuric acid → zinc sulphate + hydrogen

magnesium + hydrochloric acid → magnesium chloride + hydrogen

It doesn't matter which metal or acid is used, if there is a reaction we always get hydrogen gas as well as the salt.

The test for hydrogen

There is a simple laboratory test to see if a gas is hydrogen. A lighted wooden splint goes pop if it is put into a test tube of hydrogen. This is because the flame ignites the hydrogen, which burns explosively to make a loud sound.

Acids and hydrogen

All acids contain hydrogen atoms. Apart from hydrochloric acid, this is not clear from their names, but you can tell they contain hydrogen from their chemical formulae. Remember that the chemical symbol for hydrogen is H.

ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К КИСЛОТАМ

 Чаще всего в химической практике используются такие сильные кислоты как серная H₂SO₄, соляная HCl и азотная HNO₃. Далее рассмотрим отношение различных металлов к перечисленным кислотам.

Соляная кислота (HCl)

 Соляная кислота – это техническое название хлороводородной кислоты. Получают ее путем растворения в воде газообразного хлороводорода – HCl. Ввиду невысокой его растворимости в воде, концентрация соляной кислоты при обычных условиях не превышает 38%. Поэтому независимо от концентрации соляной кислоты процесс диссоциации ее молекул в водном растворе протекает активно:

 HCl  H⁺ + Cl^-

 Образующиеся в этом процессе ионы водорода H⁺ выполняют роль окислителя, окисляя металлы, расположенные в ряду активности левее водорода. Взаимодействие протекает по схеме:

 Me + HCl  соль + H₂↑

 При этом соль представляет собой хлорид металла (NiCl₂, CaCl₂, AlCl₃), в котором число хлорид-ионов соответствует степени окисления металла.

 Соляная кислота является слабым окислителем, поэтому металлы с переменной валентностью окисляются ей до низших положительных степеней окисления:

 Fe⁰ → Fe²⁺

 Co⁰ → Co²⁺

 Ni⁰ → Ni²⁺

 Cr⁰ → Cr²⁺

 Mn⁰ → Mn²⁺ и др.

 Пример:

 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂↑

 2│Al⁰ – 3e^- → Al³⁺ - окисление

 3│2H⁺ + 2e^- → H₂ – восстановление

 Соляная кислота пассивирует свинец (Pb). Пассивация свинца обусловлена образованием на его поверхности трудно растворимого в воде хлорида свинца (II), который защищает металл от дальнейшего воздействия кислоты:

 Pb + 2 HCl → PbCl₂↓ + H₂↑

Серная кислота (H₂SO₄)

 В промышленности получают серную кислоту очень высокой концентрации (до 98%). Следует учитывать различие окислительных свойств разбавленного раствора и концентрированной серной кислоты по отношению к металлам.

Разбавленная серная кислота

 В разбавленном водном растворе серной кислоты большинство ее молекул диссоциируют:

 H₂SO₄  H⁺ + HSO₄^-

 HSO₄^-  H⁺ + SO₄^2-

 Образующиеся ионы Н⁺ выполняют функцию окислителя.

 Как и соляная кислота, разбавленный раствор серной кислоты взаимодействует только с металлами активными и средней активности(расположенными в ряду активности до водорода).

 Химическая реакция протекает по схеме:

 Ме + H₂SO_4(разб.) → соль + H₂↑

 Пример:

 2 Al + 3 H₂SO_4(разб.) → Al₂(SO₄)₃ + 3 H₂↑

 1│2Al⁰ – 6e^- → 2Al³⁺ - окисление

 3│2H⁺ + 2e^- → H₂ – восстановление

 Металлы с переменной валентностью окисляются разбавленным раствором серной кислоты до низших положительных степеней окисления:

 Fe⁰ → Fe²⁺

 Co⁰ → Co²⁺

 Ni⁰ → Ni²⁺

 Cr⁰ → Cr²⁺

 Mn⁰ → Mn²⁺ и др.

 Свинец (Pb) не растворяется в серной кислоте (если ее концентрация ниже 80%), так как образующаяся соль PbSO₄ нерастворима и создает на поверхности металла защитную пленку.

Концентрированная серная кислота

 В концентрированном растворе серной кислоты (выше 68%) большинство молекул находятся в недиссоциированном состоянии, поэтому функцию окислителя выполняет сера, находящаяся в высшей степени окисления (S⁺⁶). Концентрированная H₂SO₄ окисляет все металлы, стандартный электродный потенциал которых меньше потенциала окислителя – сульфат-иона SO₄^2- (0,36 В). В связи с этим, с концентрированной серной кислотой реагируют и некоторые малоактивные металлы.

 Процесс взаимодействия металлов с концентрированной серной кислотой в большинстве случаев протекает по схеме:

Me + H₂SO_{4 (конц.)}  соль + вода + продукт восстановления H₂SO₄

 Продуктами восстановления серной кислоты могут быть следующие соединения серы:

 Практика показала, что при взаимодействии металла с концентрированной серной кислотой выделяется смесь продуктов восстановления, состоящая из H₂S, S и SO_2. Однако, один из этих продуктов образуется в преобладающем количестве. Природа основного продукта определяется активностью металла: чем выше активность, тем глубже процесс восстановления серы в серной кислоте.

 Взаимодействие металлов различной активности с концентрированной серной кислотой можно представить схемой:

 Алюминий (Al) и железо (Fe) не реагируют с холодной концентрированной H₂SO₄, покрываясь плотными оксидными пленками, однако при нагревании реакция протекает.

 Ag, Au, Ru, Os, Rh, Ir, Pt не реагируют с серной кислотой.   

 Концентрированная серная кислота является сильным окислителем, поэтому при взаимодействии с ней металлов, обладающих переменной валентностью, последние окисляются до более высоких степеней окисления, чем в случае с разбавленным раствором кислоты:

 Fe⁰ → Fe³⁺,

 Cr⁰ → Cr³⁺,

 Mn⁰ → Mn⁴⁺,

 Sn⁰ → Sn⁴⁺

 Свинец (Pb) окисляется до двухвалентного состояния с образованием растворимого гидросульфата свинца Pb(HSO₄)₂.

 Примеры:

 Активный металл

 8 A1 + 15 H₂SO_4(конц.)→4A1₂(SO₄)₃ + 12H₂O + 3H₂S

 4│2Al⁰ – 6e^- → 2Al³⁺ - окисление

 3│ S⁶⁺ + 8e → S^2-– восстановление

 Металл средней активности

 2Cr + 4 H₂SO_4(конц.)→ Cr₂(SO₄)₃ + 4 H₂O + S

 1│ 2Cr⁰ – 6e →2Cr³⁺- окисление

 1│ S⁶⁺ + 6e → S⁰ - восстановление

 Металл малоактивный

 2Bi + 6H₂SO_4(конц.)→ Bi₂(SO₄)₃ + 6H₂O + 3SO₂

 1│ 2Bi⁰ – 6e → 2Bi³⁺ – окисление

 3│ S⁶⁺ + 2e →S⁴⁺ - восстановление

Азотная кислота (HNO₃)

 Особенностью азотной кислоты является то, что азот, входящий в состав NO₃^- имеет высшую степень окисления +5 и поэтому обладает сильными окислительными свойствами. Максимальное значение электродного потенциала для нитрат-иона равно 0,96 В, поэтому азотная кислота – более сильный окислитель, чем серная. Роль окислителя в реакциях взаимодействия металлов с азотной кислотой выполняет N⁵⁺. Следовательно, водород H₂ никогда не выделяется при взаимодействии металлов с азотной кислотой (независимо от концентрации). Процесс протекает по схеме:

Me + HNO₃  соль + вода + продукт восстановления HNO₃

 Продукты восстановления HNO₃:

 Обычно при взаимодействии азотной кислоты с металлом образуется смесь продуктов восстановления, но как правило, один из них является преобладающим. Какой из продуктов будет основным, зависит от концентрации кислоты и активности металла.