С разбавленными кислотами, которые проявляют окислительные свойства за счет ионов водорода (разбавленная серная, фосфорная, сернистая, все бескислородные и органические кислоты и др.), реагируют металлы:
· расположенные в ряду напряжений до водорода (эти металлы способны вытеснять водород из кислоты);
· образующие с этими кислотами растворимые соли (на поверхности этих металлов не образуется защитная солевая пленка).
В результате реакции образуются растворимые соли и выделяется водород:
2А1 + 6НС1 = 2А1С13 + 3Н2 Mg + H2S04 = MgS04 + H2
разб.
Сu + H2S04 (так как Сu стоит после Н2)
разб.
Pb + H2S04 (так как PbS04 нерастворим в воде)
разб.
С кислотами-окислителями — азотной и концентрированной серной, которые, как вам известно, проявляют окислительные свойства за счет атомов серы и азота в высших степенях окисления, взаимодействуют практически все металлы, расположенные в ряду напряжений как до, так и после водорода, кроме золота и платины. Так как окислителями в этих кислотах являются ионы кислотных остатков, а не ионы водорода, то прн их взаимодействии с металлами не выделяется водород. Металл под действием данных кислот окисляется до характерной (устойчивой) степени окисления и образует соль, а продукт восстановления кислоты зависит от активности металла и от степени разбавления кислоты.
|
|
Г). Взаимодействие металлов с кислотами-окислителями -2
активный металл Li — Zn Соль + H2S + Н20
+6 0
H2S04 (конц.) металл средней активности Cd — Pb Соль + S + Н20
+4
неактивный металл (после Н2) Соль + S02 + Н20
и Fe (при нагревании)
+4
HNO3((конц.) независимо от активности металла Соль + N02 + Н20
0
активный металл Li — Zn Соль + N2 + Н20
|
|
+1
HN03 (разб.) металл средней активности Fe — Pb Соль + N2O + Н20
+4
неактивный металл (после Н2) Соль + N0 + Н20
и Fe (при нагревании)
-3
HN03 (оч. разб.) активный металл Соль+ NH4N03 + H20
На основании схемы составим уравнения реакций меди и магния с концентрированной серной кислотой:
0 +6 +2 +4 0 +6 +2 -2
Сu+ 2H2S04 = CuS04 + S02 + 2Н20 4Mg + 5H2S04 = 4MgS04 + H2S + 4H20
kонц. kонц.
Следует иметь в виду, что на схемах указаны продукты, содержание которых максимально среди возможных продуктов восстановления кислот. Так, при взаимодействии серной кислоты с цинком или магнием в зависимости от концентрации кислоты могут образоваться различные продукты восстановления серной кислоты:
Zn + 2H2S04 = ZnS04 + S02 + 2H20
70%-ная
3Zn + 4H2S04 = 3ZnS04 + S + 4H20
40% -ная
4Zn + 5H2S04 = 4ZnS04 + H2S + 4H20
25% -ная
Восстановление серной кислоты до сероводорода может протекать в растворе с массовой долей кислоты 25% и выше (если массовая доля серной кислоты ниже 25%, то она считается разбавленной). Однако по мере повышения концентрации кислоты возможность образования сероводорода уменьшается, так как при этом окислительные свойства серной кислоты усиливаются, а сероводород — активный восстановитель за счет атома серы в минимальной степени окисления (H2S). Поэтому концентрированная серная кислота окислит его до серы или до сернистого газа:
-2 +6 0
3H2S + H2S04 = 4S + 4Н20 (менее концентрированная H2S04)
-2 +6 +4
Н2S + 3H2S04 = 4S02 + 4H20 (более концентрированная H2S04)
Степень восстановления азотной кислоты при взаимодействии с одним и тем же металлом, например магнием или цинком, также определяется ее концентрацией. Концентрированная кислота восстанавливается до оксида азота (IV), так как низшие оксиды, образованные в ходе реакции, окисляются кислотой. По мере ее разбавления возрастает возможность образования продукта наиболее полного восстановления:
Mg + 4HN03 = Mg(N03)2 + 2N02 + 2H20
60% -ная
3Mg + 8HN03 = 3Mg(NOg)2 + 2NO + 4H20
30% -ная
4Mg + 10HN03 = 4Mg(N03)2 + N20 + 5H20
20% -ная
5Mg + 12HN03 = 5Mg(N03)2 + N2 + 6H20
10% -ная
4Mg + 10HN03 = 4Mg(N03)2 + NH4N03 + 3H20
3% -ная
Некоторые металлы (железо, алюминий, хром) не взаимодействуют с концентрированной серной и азотной кислотами при обычной температуре, так как происходит пассивация металла. Это явление связано с образованием на поверхности металла тонкой, но очень плотной оксидной пленки, которая и защищает металл. По этой причине концентрированную азотную и серную кислоты транспортируют в железных емкостях.
Если металл проявляет переменные степени окисления, то с кислотами, проявляющими окислительные свойства за счет ионов Н+, он образует соли, в которых его степень окисления ниже устойчивой, а с кислотами-окислителями — соли, в которых он проявляет более устойчивую степень окисления:
|
|
0 +2
Fe + H2S04 = FeS04 + H2
разб.
0 +3
2Fe + 6H2S04 = Fe2(S04)3 + 3S02 + 6H20
конц.
Д).Взаимодействие с растворами солей
Каждый металл, начиная с магния, вытесняет все следующие за ним в ряду напряжений металлы из растворов их солей:
Fe + CuS04 = FeS04 + Сu
Такие металлы, как литий, натрий, калий, кальций, барий. использовать для вытеснения менее активных металлов из водных растворов солей нельзя, так как при обычных условиях они реагируют с водой.
4. Способы получения металлов
Пирометаллургия — восстановление безводных соединений при высокой температуре | ||||
Восстановители | Примеры | Получаемые металлы | ||
С или СО (карботермия) | PbO + C = Pb + CO Fe203 + 3СО = 2Fe + 3C02 Сульфиды предварительно обжигают: 2ZnS + 302 = 2ZnO + 2S02 ZnO + С = Zn + 2СО | Fe, Cu, Pb, Sn, Cd, Zn | ||
Al, Mg и др. (металлотермия) | Cr203 + 2AI = 2Cr + Al203 TiCI4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2 | Mn, Cr, W, Mo, Ti, V | ||
H2(водородотермия) | Mo03 + 3H2 = Mo + 3H20 Оксиды активных металлов (МgО, СаО, А1203 и др.) водородом не восстанавливаются | Cu, Ni, W, Fe, Mo, Cd, Pb | ||
Электрометаллургия – восстановление электрическим током | ||||
Виды электролиза | Примеры | Получаемые металлы | ||
Электролиз расплавов | NaCl = Na+ + Cl- расплав К Na+ + е- = Na 2 А Cl- + 2е- = Cl2 1 2NaCl электролиз 2Na + Cl2 2Al2O3 электролиз 4Al + 3O2 Na3(AlF6) | Щелочные металлы, Be, Mg, Ca (из расплавленных хлоридов), Al – из расплавленного оксида | ||
Электролиз растворов | NiSO4 = Ni2+ + SO42- раствор К Ni2+ + 2е- = Ni 2 А 2Н2О - 4е- = O2 + 4Н+ 1 2NiSO4 + 2Н2О электролиз 2Ni + О2 + Н2SO4 | Zn, Cd, Co, Mn, Fe | ||
Гидрометаллургия – восстановление из растворов солей | ||||
Примеры | Получаемые металлы | |||
Металл, входящий в состав руды, переводят в раствор, затем восстанавливают более активным металлом:
CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu CdO + H2SO4 = CdSO4 + H2O CdSO4 + Zn = ZnSO4 + Cd | Cd, Ag, Au, Cu |