Под металлами подразумевают группу элементов, которая представлена в виде наиболее простых веществ. Они обладают характерными свойствами, а именно высокой электро- и теплопроводностью, положительным температурным коэффициентом сопротивления, высокой пластичностью и металлическим блеском.

Заметим, что из 118 химических элементов, которые были открыты на данный момент, к металлам следует относить:

• среди группы щёлочноземельных металлов 6 элементов;
• среди щелочных металлов 6 элементов;
• среди переходных металлов 38;
• в группе лёгких металлов 11;
• среди полуметаллов 7 элементов,
• 14 среди лантаноидов и лантан,
• 14 в группе актиноидов и актиний,
• Вне определения находятся бериллий и магний.

Исходя из этого, к металлам относятся 96 элементов. Рассмотрим подробней, с чем реагируют металлы. Поскольку на внешнем электронном уровне у большинства металлов находится небольшое количество электронов от 1 до 3-х, то они в большинстве своих реакций могут выступать в качестве восстановителей (то есть они отдают свои электроны другим элементам).

Реакции с наиболее простыми элементами

• Кроме золота и платины, абсолютно все металлы реагируют с кислородом. Заметим также, что реакция при высоких температурах происходит с серебром, однако оксид серебра(II) при нормальных температурах не образуется. В зависимости от свойств металла, в результате реакции с кислородом образовываются оксиды, надпероксиды и пероксиды.

Приведем примеры каждого из химического образования:

1. оксид лития – 4Li+O 2 =2Li 2 O;
2. надпероксид калия – K+O 2 =KO 2 ;
3. пероксид натрия – 2Na+O 2 =Na 2 O 2 .

Для того, чтобы получить оксид из пероксида, его нужно восстановить тем же металлом. Например, Na 2 O 2 +2Na=2Na 2 O. С малоактивными и со средними металлами подобная реакция будет происходить только при нагревании, к примеру: 3Fe+2O 2 =Fe 3 O 4 .

• С азотом металлы могут реагировать только с активными металлами, однако при комнатной температуре может взаимодействовать только литий, образуя при этом нитриды – 6Li+N 2 =2Li 3 N, однако при нагревании происходит такая химическая реакция 2Al+N 2 =2AlN, 3Ca+N 2 =Ca 3 N 2 .
• С серой, как и с кислородом, реагируют абсолютно все металлы, при этом исключением являются золото и платина. Заметим, что железо может взаимодействовать только при нагревании с серой, образовывая при этом сульфид: Fe+S=FeS
• Только активные металлы могут реагировать с водородом. К ним относятся металлы группы IA и IIA, кроме берилия. Такие реакции могут осуществляться только при нагревании, образовывая гидриды.

  Так как степень окисления водорода считается?1, то металлы в данном случае выступают как восстановители: 2Na+H 2 =2NaH.

• Реагируют с углеродом также самые активные металлы. В результате этой реакции образовываются ацетилениды или метаниды.

Рассмотрим, какие металлы реагируют с водой и что они дают в результате этой реакции? Ацетилены при взаимодействии с водой будут давать ацетилен, а метан получится в результате реакции воды с метанидами. Приведем примеры данных реакций:

1. Ацетилен – 2Na+2C= Na 2 C 2 ;
2. Метан - Na 2 C 2 +2H 2 O=2NaOH+C 2 H 2 .

Реакция кислот с металлами

Металлы с кислотами могут также реагировать по-разному. Со всеми кислотами реагируют только те металлы, которые в ряду стоят электрохимической активности металлов до водорода.

Приведем пример реакции замещения, которая показывает, с чем реагируют металлы. По-другому такая реакция называется окислительно-восстановительной: Mg+2HCl=MgCl 2 +H 2 ^.

Некоторые кислоты могут также взаимодействовать с металлами, которые стоят после водорода: Cu+2H 2 SO 4 =CuSO 4 +SO 2 ^+2H 2 O.

Заметим, что разбавленная такая кислота может реагировать с металлом по приведенной классической схеме: Mg+H 2 SO 4 =MgSO 4 +H 2 ^.

Строение атомов металлов определяет не только характерные физические свойства простых веществ – металлов, но и общие их химические свойства.

При большом многообразии все химические реакции металлов относятся к окислительно-восстановительным и могут быть только двух типов: соединения и замещения. Металлы способны при химических реакциях отдавать электроны, то есть быть восстановителями, проявлять в образовавшихся соединениях только положительную степень окисления.

В общем виде это можно выразить схемой:
Ме 0 – ne → Me +n ,
где Ме – металл – простое вещество, а Ме 0+n – металл химический элемент в соединении.

Металлы способны отдавать свои валентные электроны атомам неметаллов, ионам водорода, ионам других металлов, а поэтому будут реагировать с неметаллами – простыми веществами, водой, кислотами, солями. Однако восстановительная способность металлов различна. Состав продуктов реакции металлов с различными веществами зависит и от окислительной способности веществ и условий, при которых протекает реакция.

При высоких температурах большинство металлов сгорает в кислороде:

2Mg + O 2 = 2MgO

Не окисляются в этих условиях только золото, серебро, платина и некоторые другие металлы.

С галогенами многие металлы реагируют без нагревания. Например, порошок алюминия при смешивании с бромом загорается:

2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3

При взаимодействии металлов с водой в некоторых случаях образуются гидроксиды. Очень активно при обычных условиях взаимодействуют с водой щелочные металлы, а также кальций, стронций, барий. Схема этой реакции в общем виде выглядит так:

Ме + HOH → Me(OH) n + H 2

Другие металлы реагируют с водой при нагревании: магний при её кипении, железо в парах воды при красном кипении. В этих случаях получаются оксиды металлов.

Если металл реагирует с кислотой, то он входит в состав образующейся соли. Когда металл взаимодействует с растворами кислоты, он может окисляться ионами водорода, имеющимися в этом растворе. Сокращённое ионное уравнение в общем виде можно записать так:

Me + nH + → Me n + + H 2

Более сильными окислительными свойствами, чем ионы водорода, обладают анионы таких кислородосодержащих кислот, как например, концентрированная серная и азотная. Поэтому с этими кислотами реагируют те металлы, которые не способны окисляться ионами водорода, например, медь и серебро.

При взаимодействии металлов с солями происходит реакция замещения: электроны от атомов замещающего – более активного металла переходят к ионам замещаемого – менее активного металла. То сеть происходит замещение металла металлом в солях. Данные реакции не обратимы: если металл А вытесняет металл В из раствора солей, то металл В не будет вытеснять металл А из раствора солей.

В порядке убывания химической активности, проявляемой в реакциях вытеснения металлов друг друга из водных растворов их солей, металлы располагаются в электрохимическом ряду напряжений (активности) металлов:

Li → Rb → K → Ba → Sr → Ca → Na→ Mg → Al → Mn → Zn → Cr → → Fe → Cd→ Co → Ni → Sn → Pb → H → Sb → Bi → Cu → Hg → Ag → Pd → Pt → Au

Металлы, расположенные в этом ряду левее, более активны и способны вытеснять следующие за ними металлы из растворов солей.

В электрохимический ряд напряжений металлов включён водород, как единственный неметалл, разделяющий с металлами общее свойство - образовывать положительно заряженные ионы. Поэтому водород замещает некоторые металлы в их солях и сам может замещаться многими металлами в кислотах, например:

Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2 + Q

Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода, вытесняют его из растворов многих кислот (соляной, серной и др.), а все следующие за ним, например, медь не вытесняют.

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Московский государственный индустриальный университет

Факультет прикладной математики и технической физики

Кафедра химии

Лабораторная работа

Химические свойства металлов

Москва 2012

Цель работы. Изучение свойств s -, p -, d -элементов-металлов (Mg, Al, Fe, Zn) и их соединений.

1. Теоретическая часть

Все металлы по своим химическим свойствам являются восстановителями, т.е. они отдают электроны при протекании химической реакции. Атомы металлов относительно легко отдают валентные электроны и переходят в положительно заряженные ионы.

1.1. Взаимодействие металлов с простыми веществами

При взаимодействии металлов с простыми веществами в качестве окислителей обычно выступают неметаллы. Металлы реагируют с неметаллами с образованием бинарных соединений.

1. При взаимодействии с кислородом металлы образуют оксиды:

2Mg + O 2 2MgO,

2Cu + O 2 2CuO.

2. Металлы реагируют с галогенами (F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2) с образованием солей галогеноводородных кислот:

2Na + Br 2 = 2NaBr,

Ba + Cl 2 = BaCl 2 ,

2Fe + 3Cl 2 2FeCl 3 .

3. При взаимодействии металлов с серой образуются сульфиды (соли сероводородной кислоты H 2 S):

4. С водородом взаимодействуют активные металлы с образованием гидридов металлов, которые являются солеподобными веществами:

2Na + H 2 2NaH,

Ca + H 2 CaH 2 .

В гидридах металлов водород имеет степень окисления (-1).

Металлы могут взаимодействовать и с другими неметаллами: азотом, фосфором, кремнием, углеродом с образованием соответственно нитридов, фосфидов, силицидов, карбидов. Например:

3Mg + N 2 Mg 3 N 2 ,

3Ca + 2P Ca 3 P 2 ,

2Mg + Si Mg 2 Si,

4Al + 3C Al 4 C 3 .

5. Металлы могут также взаимодействовать между собой с образованием интерметаллических соединений :

2Mg + Cu = Mg 2 Cu,

2Na + Sb = Na 2 Sb.

Интерметаллическими соединениями (или интерметаллидами ) называют соединения, образуемые между собой элементами, которые относятся обычно к металлам.

1.2. Взаимодействие металлов с водой

Взаимодействие металлов с водой – это окислительно-восстановительный процесс, в котором металл является восстановителем, а вода выполняет роль окислителя. Реакция протекает по схеме:

Me + n H 2 O = Me(OH) n + n /2 H 2 .

С водой при обычных условиях взаимодействуют щелочные и щелочноземельные металлы с образованием растворимых оснований и водорода:

2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2 ,

Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2 .

Магний реагирует с водой при нагревании:

Mg + 2H 2 O Mg(OH) 2 + H 2 .

Железо и некоторые другие активные металлы взаимодействуют с горячим водяным паром:

3Fe + 4H 2 O Fe 3 O 4 + 4H 2 .

Металлы, имеющие положительные электродные потенциалы, не взаимодействуют с водой.

Не взаимодействуют с водой 4d -элементы (кроме Cd), 5d -элементы и Cu (3d -элемент).

1.3. Взаимодействие металлов с кислотами

По характеру действия на металлы наиболее распространенные кислоты можно разделить на две группы.

1. Кислоты-неокислители: хлороводородная (соляная, HCl), бромоводородная (HBr), йодоводородная (HI), фтороводородная (HF), уксусная (CH 3 COOH), разбавленная серная (H 2 SO 4 (разб.)), разбавленная ортофосфорная (H 3 PO 4 (разб.)).

2. Кислоты-окислители: азотная (HNO 3) в любой концентрации, концентрированная серная (H 2 SO 4 (конц.)), концентрированная селеновая (H 2 SeO 4(конц.)) .

Взаимодействие металлов с кислотами-неокислителями . Окисление металлов ионами водорода H + в растворах кислот-неокислителей происходит более энергично, чем в воде.

Все металлы, имеющие отрицательное значение стандартного электродного потенциала, т.е. находящиеся в электрохимическом ряду напряжений до водорода, вытесняют водород из кислот-неокислителей. Реакция протекает по схеме:

Ме + n H + = Me n + + n /2 H 2 .

Например:

2Al +6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 ,

Mg + 2CH 3 COOH = Mg(CH 3 COO) 2 + H 2 ,

2Ti + 6HCl = 2TiCl 3 + 3H 2 .

Металлы с переменной степенью окисления (Fe, Cо, Ni и др.) образуют ионы в своей низшей степени окисления (Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ и другие):

Fe + H 2 SO 4 (разб) = FeSO 4 + H 2 .

При взаимодействии некоторых металлов с кислотами-неокислителями: HCl, HF, H 2 SO 4 (разб.) , HCN образуются нерастворимые продукты, предохраняющие металл от дальнейшего окисления. Так, поверхность свинца в HCl (разб) и H 2 SO 4(разб) пассивируется плохо растворимыми солями PbCl 2 и PbSO 4 соответственно.

Взаимодействие металлов с кислотами-окислителями . Серная кислота в разбавленном растворе – слабый окислитель, а в концентрированном – очень сильный. Окисляющая способность концентрированной серной кислоты H 2 SO 4 (конц.) определяется анионом SO 4 2  , окислительный потенциал которого значительно выше, чем иона H + . Концентрированная серная кислота является сильным окислителем за счёт атомов серы в степени окисления (+6). Кроме того, в концентрированном растворе H 2 SO 4 содержится мало ионов H + , так как в концентрированном растворе она слабо ионизирована. Поэтому при взаимодействии металлов с H 2 SO 4 (конц.) водород не выделяется.

Реагируя с металлами как окислитель, H 2 SO 4 (конц.) переходит чаще всего в оксид серы (IV) (SO 2), а при взаимодействии с сильными восстановителями – в S или H 2 S:

Me + H 2 SO 4 (конц)  Me 2 (SO 4) n + H 2 O + SO 2 (S, H 2 S).

Для удобства запоминания рассмотрим электрохимический ряд напряжений, который выглядит так:

Li, Rb, K, Cs, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Be, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au .

В табл. 1. представлены продукты восстановления концентрированной серной кислоты при взаимодействии с металлами различной активности.

Таблица 1.

Продукты взаимодействия металлов с концентрированной

серной кислотой

Cu + 2H 2 SO 4 (конц) = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O,

4Mg + 5H 2 SO 4 (конц) = 4MgSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.

Для металлов средней активности (Mn, Cr, Zn, Fe) соотношение продуктов восстановления зависит от концентрации кислоты.

Общая тенденция такова: чем выше концентрация H 2 SO 4 , тем глубже протекает восстановление.

Это означает, что формально каждый атом серы из молекулH 2 SO 4 может забрать у металла не только два электрона (и перейти в ), но и шесть электронов (и перейти в) и даже восемь (и перейти в):

Zn + 2H 2 SO 4 (конц) = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O,

3Zn + 4H 2 SO 4 (конц) = 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O,

4Zn + 5H 2 SO 4 (конц) = 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.

Свинец с концентрированной серной кислотой взаимодействует с образованием растворимого гидросульфата свинца (II), оксида серы (IV) и воды:

Pb + 3H 2 SO 4 = Pb(HSO 4) 2 + SO 2 + 2H 2 O.

Холодная H 2 SO 4 (конц) пассивирует некоторые металлы (например, железо, хром, алюминий), что позволяет перевозить кислоту в стальной таре. При сильном нагревании концентрированная серная кислота взаимодействует и с этими металлами:

2Fe + 6H 2 SO 4 (конц) Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.

Взаимодействие металлов с азотной кислотой. Окислительная способность азотной кислоты определяется анионом NO 3  , окислительный потенциал которого значительно выше, чем ионов H + . Поэтому при взаимодействии металлов с HNO 3 водород не выделяется. Нитрат-ион NO 3  , имеющий в своём составе азот в степени окисления (+ 5), в зависимости от условий (концентрации кислоты, природы восстановителя, температуры) может принимать от одного до восьми электронов. Восстановление аниона NO 3  может протекать с образованием различных веществ по следующим схемам:

NO 3  + 2H + + e = NO 2 + H 2 O,

NO 3  + 4H + + 3e = NO + 2H 2 O,

2NO 3  + 10H + + 8e = N 2 O + 5H 2 O,

2NO 3  + 12H + + 10e = N 2 + 6H 2 O,

NO 3  + 10H + + 8e = NH 4 + + 3H 2 O.

Азотная кислота обладает окислительной способностью при любой концентрации. При прочих равных условиях проявляются следующие тенденции: чем активнее металл, реагирующий с кислотой, и чем меньше концентрация раствора азотной кислоты , тем более глубоко она восстанавливается .

Это можно пояснить следующей схемой:

, ,
,
,

Концентрация кислоты

Активность металла

Окисление веществ азотной кислотой сопровождается образованием смеси продуктов её восстановления (NO 2 , NO, N 2 O, N 2 , NH 4 +), состав которых определяется природой восстановителя, температурой и концентрацией кислоты. Среди продуктов преобладают оксиды NO 2 и NO. Причём при взаимодействии с концентрированным раствором HNO 3 чаще выделяется NO 2 , а с разбавленной – NO.

Уравнения окислительно-восстановительных реакций с участием HNO 3 составляются условно, с включением только одного продукта восстановления, образующегося в большем количестве:

Me + HNO 3  Me (NO 3) n + H 2 O + NO 2 (NO, N 2 O, N 2 , NH 4 +).

Например, в газовой смеси, образующейся при действии на достаточно активный металл цинк (
= - 0,76 B) концентрированной (68%-й) азотной кислоты, преобладает – NO 2 , 40%-й – NO; 20%-й – N 2 O; 6%-й – N 2 . Очень разбавленная (0,5%-я) азотная кислота восстанавливается до ионов аммония:

Zn + 4HNO 3 (конц.) = Zn(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O,

3Zn + 8HNO 3 (40%) = 3Zn(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O,

4Zn + 10HNO 3 (20%) = 4Zn(NO 3) 2 + N 2 O + 5H 2 O,

5Zn + 12HNO 3 (6%) = 5Zn(NO 3) 2 + N 2 + 6H 2 O,

4Zn + 10HNO 3 (0,5%) = 4Zn(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O.

С малоактивными металлом медью (
= + 0,34B) реакции идут по следующим схемам:

Cu + 4HNO 3 (конц) = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O,

3Cu + 8HNO 3 (разб) = 3 Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.

В концентрированной HNO 3 растворяются практически все металлы, кроме Au, Ir, Pt, Rh, Ta, W, Zr. А такие металлы как Al, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb, Th, U, а также нержавеющие стали пассивируются кислотой с образованием устойчивых оксидных плёнок, плотно прилегающих к поверхности металла и защищающих его от дальнейшего окисления. Однако Al и Fe начинают растворяться при нагревании, а Cr устойчив к действию даже горячей HNO 3:

Fe + 6HNO 3 Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O.

Металлы, для которых характерны высокие степени окисления (+6, +7, +8), с концентрированной азотной кислотой образуют кислородсодержащие кислоты. При этом HNO 3 восстанавливается до NO, например:

3Re + 7HNO 3 (конц) = 3HReO 4 + 7NO + 2H 2 O.

В очень разбавленной HNO 3 уже отсутствуют молекулы HNO 3 , существуют только ионы H + и NO 3  . Поэтому очень разбавленная кислота (~ 3-5%) взаимодействует с Al и не переводит в раствор Cu и другие мало активные металлы:

8Al + 30HNO 3 (очень разб) = 8Al(NO 3) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O.

Смесь концентрированных азотной и соляной кислот (1:3) называется царской водкой. Она растворяет Au и платиновые металлы (Pd, Pt, Os, Ru). Например:

Au + HNO 3 (конц.) + 4HCl = H + NO + 2H 2 O.

Указанные металлы растворяются в HNO 3 и в присутствии других комплексообразователей, но процесс протекает очень медленно.

Химические свойства металлов: взаимодействие с кислородом, галогенами, серой и отношение к воде, кислот, солей.

Химические свойства металлов обусловлены способностью их атомов легко отдавать электроны с внешнего энергетического уровня, превращаясь в положительно заряженные ионы. Таким образом в химических реакциях металлы проявляют себя энергичными восстановителями. Это является их главной общей химической свойством.

Способность отдавать электроны у атомов отдельных металлических элементов различна. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, и тем энергичнее реагирует с другими веществами. На основе исследований все металлы были расположены в ряд по уменьшению их активности. Этот ряд впервые предложил выдающийся ученый Н. Н. Бекетов. Такой ряд активности металлов называют еще вытеснительный рядом металлов или электрохимическим рядом напряжений металлов. Он имеет следующий вид:

Li, K, Ва, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2 , Cu, Hg, Ag, Рt, Au

С помощью этого ряда можно обнаружить какой металл является активным другого. В этом ряду присутствует водород, который не является металлом. Его видны свойства приняты для сравнения за своеобразный ноль.

Имея свойства восстановителей, металлы реагируют с различными окислителями, прежде всего с неметаллами. С кислородом металлы реагируют при нормальных условиях или при нагревании с образованием оксидов, например:

2Mg0 + O02 = 2Mg+2O-2

В этой реакции атомы магния окисляются, атомы кислорода восстанавливаются. Благородные металлы, находящиеся в конце ряда, с кислородом реагируют. Активно происходят реакции с галогенами, например, сгорания меди в хлоре:

Cu0 + Cl02 = Cu+2Cl-2

Реакции с серой, чаще всего происходят при нагревании, например:

Fe0 + S0 = Fe+2S-2

Активные металлы, находящиеся в ряду активности металлов в Mg, реагируют с водой с образованием щелочей и водорода:

2Na0 + 2H+2O → 2Na+OH + H02

Металлы средней активности от Al до H2 реагируют с водой в более жестких условиях и образуют при этом оксиды и водород:

Pb0 + H+2O Химические свойства металов: взаимодействие с кислородом Pb+2O + H02.

Способность металла реагировать с кислотами и солями в растворе зависит также от его положения в вытеснительный ряде металлов. Металлы, стоящие в вытеснительный ряде металлов левее водорода, обычно вытесняют (восстанавливают) водород из разбавленных кислот, а металлы, стоящие правее водорода, его не вытесняют. Так, цинк и магний реагируют с растворами кислот, выделяя водород и образуя соли, а медь не реагирует.

Mg0 + 2H+Cl → Mg+2Cl2 + H02

Zn0 + H+2SO4 → Zn+2SO4 + H02.

Атомы металлов в этих реакциях являются восстановителями, а ионы водорода — окислителями.

Металлы реагируют с солями в водных растворах. Активные металлы вытесняют менее активные металлы из состава солей. Определить это можно по ряду активности металлов. Продуктами реакции являются новая соль и новый металл. Так, если железную пластинку погрузить в раствор меди (II) сульфата, через некоторое время на ней выделится медь в виде красного налета:

Fe0 + Cu+2SO4 → Fe+2SO4 + Cu0 .

Но если в раствор меди (II) сульфата погрузить серебряную пластину, то никакой реакции не произойдет:

Ag + CuSO4 ≠ .

Для проведения таких реакции нельзя брать слишком активные металлы (от лития до натрия), которые способны реагировать с водой.

Следовательно, металлы способны реагировать с неметаллами, водой, кислотами и солями. Во всех этих случаях металлы окисляются и являются восстановителями. Для прогнозирования течения химических реакций с участием металлов следует использовать вытеснительный ряд металлов.