Лабораторная работа № 9
Сравнение химической активности металлов в реакциях с кислотами.
Цель занятия: изучить химические свойства металлов научиться составлять уравнения реакций взаимодействия металлов с водой, кислотами, щелочами
Приобретаемые умения и навыки: Прививать навыки простейших исследований
Оснащение рабочего места: Спиртовка, пробиркодержатель, штатив с пробирками, фенолфталеин, стеклянная палочка, лучина, цинковые опилки, алюминиевый порошк, Натрий (мет.) или Кальций (мет.), Цинк (мет.), Медь (мет.), растворы: HNO3, NaOH, Н2SO4(конц).
Особые правила по технике безопасности:
1. Осторожно обращаться с реактивами, не пробовать их на вкус.
2. Осторожно пользоваться спиртовками. Спиртовку при работе не зажигать, наклоняя ее к другой спиртовке.
3. Нагревая раствор, не наклоняться над сосудом т.к. возможно разбрызгивание и даже выброс жидкости. Нагревая пробирки, не держать их отверстием к себе или в сторону товарищей.
4. Приступить к выполнению задания только после указания преподавателя о начале работы.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
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 с 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.
Контрольные вопросы при допуске к работе:
- Почему металлический натрий (кальций) хранят под слоем керосина?
- Какие металлы реагируют с кислотами?
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 концентрированнойсерной 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.
Опыт 4. Действие щелочи на металлы
В две пробирки налить по 2–3 мл концентрированного раствора щелочи. В одну из них насыпать небольшое количество цинковых опилок, в другую – алюминиевого порошка. Если реакция не идет, слегка нагреть. Когда начнется интенсивное выделение газа, поднести к отверстиям пробирок зажженную лучинку. Что наблюдается?
Требования к результатам опыта
1. Составить уравнения реакций взаимодействия цинка и алюминия с раствором щелочи.
2. Сделать вывод, какие металлы реагируют со щелочами.
Задание для отчета.
- Провести реакции взаимодействия металлов с водой, щелочами, разбавленными и концентрированными растворами серной и азотной кислот.
- Выполнить требования к результатам опытов.
- Оформить отчет в виде таблицы.
- Решить задачу.
- Кратко записать ход выполнения опытов и наблюдений.
- Написать соответствующие уравнения реакций.
ХОД РАБОТЫ
№ п/п | Краткая запись работы, что брали, что делали | Краткая запись наблюдений |
Опыт1 | 2Na + 2H2O → ↑ H2 + 2NaOH | В воду прилили фенол-фталеин – вода была бесцветна. После погружения натрия в воду – наблюдали появление малинового окрашивания раствора, что характерно для раствора щелочи. При поднесении зажженой спички с натрию – воспламеняется с хлопком газ, что характерно для водорода. |
Опыт2 | H2SO4 (р)+ Mg → Mg SO4 + ↑H2 H2SO4 (р)+ Cu ≠ H2SO4 (к) + Mg → MgSO4 +↑SO2+ H2O H2SO4 (k)+ Cu → CuSO4 + ↑SO2 + H2O | Разбавленная кислота реагирует как и другие кислоты только с активными металлами с выделением водорода. Концентрированная кислота реагирует с любыми металлами с образованием соли, оксида серы (II, IV или S, H2S - зависит от активности металла или концентрации кислоты) и воды. |
Опыт3 | 4HNO3(к) + Mg → Mg(NO3)2 +2↑NO2+ 2H2O 4HNO3(k)+ Cu → Cu(NO3)2+ 2↑NO2 + 2H2O Выделяемый бурый газ – «лисий хвост» | Конц. кислота реагирует с разными металлами, зависит от концентрации кислоты и активности металла. |
Опыт4 | Zn +2 NaOH → Na2 ZnO2 + H2↑ | Лышен хлопок «ПАХ», что характерный для водорода. |
ВЫВОД: написать самим
Контрольные вопросы при защите (индивидуальные варианты)
1. Закончить и уравнять реакции:
а) Ba + H2O = …; б) Sn + NaOH + H2O = …;
в) Sn + HNO3 (разб.) = …; г) Hg + H2SO4 (конц.) = ….
2. Закончить и уравнять реакции:
а) Cd + H2SO4 (разб.) = …; б) Be + NaOH + H2O = …;
в) Bi + HNO3 (конц.) = …; г) Li + H2O = ….
3. Какие из перечисленных металлов (Mg, Mn, Hg, Au, Al, Cd, Ag) растворяются в разбавленной H2SO4? Написать уравнения реакций.
4. Закончить и уравнять реакции:
а) Mg + HNO3 (разб.)= …; б) Sn + KOH + H2O = …;
в) Ni + H2SO4 (конц.) = …; г) W + HNO3 + HF = H2[WF8] + ….
5. Закончить и уравнять реакции:
а) Ga + NaOH + H2O = …; б) Bi + HNO3 (разб.) = …;
в) La + H2O =* …; г) Co + H2SO4 (конц.) = ….
*Электродный потенциал лантана –2,55 В.
6. Закончить и уравнять реакции:
а) Rb + H2O = …; б) W + Na2CO3 + NaNO3 → Na2WO4 + …;
в) Be + KOH + H2O = …; г) Sn + HCl = ….
7. Закончить и уравнять реакции:
а) Pb + NaOH + H2O = …; б) Fe + O2 = …;
в) Ni + HNO3 (конц.) = …; г) La + H2SO4 (разб.) =* ….
* Электродный потенциал лантана –2,55 В.
8. Закончить и уравнять реакции:
а) Ga + H2SO4 (разб.) =* …; б) Cd + HNO3 (конц.) = …;
в) Sr + H2O =* …; г) Al + C →….
* Электродный потенциал стронция –2,88 В, галлия –0,53 В.
9. Закончить и уравнять реакции:
а) Mn + HNO3 (разб.) = …; б) Al + KOH + H2O = …;
в) Ca + H2O = …; г) Fe + H2SO4 (разб.) = ….
10. Закончить и уравнять реакции:
а) Ta + HNO3 + HF = H2[TaF7] + …; б) Cs + H2O = …;
в) Ag + HNO3 (разб.) = …; г) Al + HCl = ….
11. Закончить и уравнять реакции:
а) Zr + HNO3 + HCl = ZrCl4 + …; б) Rb + H2O = …;
в) Mn + HNO3 (конц.) = …; г) Sn + KOH + H2O = ….
12. Закончить и уравнять реакции:
а) Mo + NaNO3 + NaOH → Na2MoO4 + …; б) Ni + H2SO4 (разб.) = …;
в) Ni + H2SO4 (конц.) = …; г) Mg + H2O ….
13. Закончить и уравнять реакции:
а) Na + H2 = …; б) Zn + CH3COOH = …;
в) Sn + H2SO4 (конц.) = …; г) Ca + HNO3 (оч. разб.) = ….
14. Закончить и уравнять реакции:
а) Hg + HNO3 + HCl = HgCl2 + …; б) Co + HNO3 (конц.) = …;
в) K + H2O = …; г) Sc + H2SO4 (разб.) =* ….
* Электродный потенциал скандия –2,01 В.
15. Какие из перечисленных металлов (Cu, Ca, Hg, Au, Fe, Cr, Ag, Al) растворяются в HCl? Написать уравнения реакций.
16. Закончить и уравнять реакции:
а) Nb + HNO3 + HF = H2[NbF7] + …; б) Li + N2 = …;
в) Pb + KOH + H2O = …; г) Fe + HNO3 (разб.) = ….
17. Закончить и уравнять реакции:
а) V + KOH + O2 → КVО3 + …; б) Sn + HNO3 (конц.) = H2SnO3 + …;
в) Ag + H2SO4 (конц.) → …; г) Mn + H2SO4 (разб.) = ….
18. Закончить и уравнять реакции:
а) Pt + HNO3 + HCl = H2[PtCl6] + …; б) Fe + H2SO4 (конц.) →…;
в) Al + S →…; г) Sn + KOH + H2O = ….
19. Закончить и уравнять реакции:
а) Fe + Cl2 = …; б) Be + KOH + H2O = …;
в) Cd + HNO3 (разб.) = …; г) Sn + H2SO4 (разб.) = ….
20. Закончить и уравнять реакции:
а) Ca + H2 = …; б) Mn + HCl = …;
в) Mo + Na2CO3 + NaNO3 → Na2MoO4 + …; г) Cd + HNO3 (разб.) = ….