Взаимодействие кислот с металлами

При взаимодействии соляной и разбавленной серной кислот с металлами окислителем является катион водорода Н⁺, поэтому они взаимодействуют с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода.

Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂#; Mg + H₂SO_4(разб.) = MgSO₄ + H₂#

Металлы переменной валентности соляной и разбавленной серной кислотами окисляются до низших степеней окисления. Железо имеет наиболее распространенные степени окисления +2 и +3. При реакции с этими кислотами железо окисляется до степени окисления +2.

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂#

Свинец является более активным элементом, чем водород, но в процессе реакции на его поверхности образуется плотная нерастворимая пленка хлорида или сульфата свинца(II) и реакция практически не протекает.

В концентрированной серной кислоте окислителем является сульфат ион , в котором сера находится в степени окисления +6. При реакции с металлами серная кислота восстанавливается до сероводорода (H₂S), серы (S) и оксида серы(IV) (SO₂). Продукты восстановления серной кислоты зависит от активности металла.

При взаимодействии концентрированной серной кислоты с активными металлами образуется соль, вода и преимущественно сероводород. φ⁰(К/К⁺) = -2,92В – активный металл.

8К + 5H₂SO_4(конц.) = 4К₂SO₄ + H₂S# +4H₂O.

Малоактивные металлы восстанавливают серную кислоту преимущественно до SO₂. φ⁰(Ag/Ag⁺) = +0,8В – неактивный металл.

2Ag + 2H₂SO_4(конц.) = Ag₂SO₄ + SO₂# +2H₂O

Металлы средней активности восстанавливают серную кислоту преимущественно до S. φ⁰(Сd/Cd²⁺) = – 0,40В –металл средней активности.

3Cd + 4H₂SO_4(конц.) = 3CdSO₄ + S$ +4H₂O

Металлы переменной валентности окисляются концентрированной серной кислотой, как правило, до высшей степени окисления.

3Sn + 8H₂SO_4(конц.) = 3Sn(SO₄)₂ + 2S$ +8H₂O

Благородные металлы (Au, Pt и некоторые другие) с концентрированной серной кислотой не взаимодействуют ни при каких условиях. Некоторые металлы (Al, Fe, Cr, Ni и др.) не взаимодействуют с концентрированной серной кислотой при обычных условиях (пассивируются), но взаимодействуют при нагревании. Это свойство железа позволяет хранить и перевозить концентрированную серную кислоту в емкостях из обычной стали.

Свинец с концентрированной серной кислотой взаимодействует с образованием растворимой кислой соли.

Pb + 3H₂SO_4(конц.) = Pb(HSO₄)₂ + SO₂# +2H₂O

В азотной кислоте, независимо от ее концентрации, окислителем является нитрат-ион , содержащий азот в степени окисления +5, поэтому водород не выделяется, а только продукты восстановления азотной кислоты: NH₄NO₃, N₂, N₂O, NO, HNO₂, NO₂. Свободный аммиак не выделяется, т.к. он взаимодействует с азотной кислотой, образуя нитрат аммония NH₄NO₃.

При взаимодействии металлов с концентрированной азотной кислотой продуктом ее восстановления является преимущественно NO₂, независимо от природы металла.

Mg + 4HNO_3(конц.) = Mg(NO₃)₂ + NO₂# +2H₂O

При реакции выделяется бурый газ NO₂

Zn + 4HNO_3(конц.) = Zn(NO₃)₂ + NO₂# +2H₂O

Cu + 4HNO_3(конц.) = Cu(NO₃)₂ + NO₂# +2H₂O

При опускании кусочка меди в концентрированную азотную кислоту выделяется бурый газ, а на дне образуется голубой раствор нитрата меди(II)

Металлы переменной валентности при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой окисляются до высшей степени окисления, а металлы, которые окисляются до степени окисления +4 и выше, образуют кислоты или оксиды.

Sn + 4HNO_3(конц.) = H₂SnO₃ + 4NO₂# +H₂O

2Sb + 10HNO_3(конц.) = Sb₂O₅ + 10NO₂# +5H₂O

Mo + 6HNO_3(конц.) = H₂MoO₄ + 6NO₂# +2H₂O

В концентрированной азотной кислоте пассивируются Al, Fe, Cr, Ni, Со и некоторые другие металлы. После обработки азотной кислотой эти металлы не реагируют и с другими кислотами.

При взаимодействии металлов с разбавленной азотной кислотой продукт ее восстановления зависит от активности металла: чем активнее металл, тем в большей степени восстанавливается азотная кислота.

Активные металлы восстанавливают азотную кислоту максимально.

8Na + 10HNO_3(разб.) = 8КNO₃ + NH₄NO₃ +3H₂O

Продуктами восстановления разбавленной азотной кислоты металлами средней активности являются азот или оксид азота(I).

4Cd + 10HNO_3(разб.) = 4Cd(NO₃)₂ + N₂O# +5H₂O

5Mn + 12HNO_3(разб.) = 5Mn(NO₃)₂ + N₂# +6H₂O

При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами продуктом восстановления является оксид азота(II).

3Cu + 8HNO_3(разб.) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO# +4H₂O

Надо обратить внимание, что при реакции с азотной кислотой получается смесь соединений азота, но мы записываем то соединение, которое получается в большем количестве.

Основное правило: чем выше активность металла и ниже концентрация азотной кислоты, тем ниже степень окисления азота в том соединении, которое образуется больше других.

Для окисления золота, платины и других благородных металлов используется смесь концентрированных азотной и соляной кислот, называемая «царской водкой». В этой смеси образуется очень сильный окислитель - атомарный хлор:

HNO₃ + 3HCl = NOCl + Cl₂ + 2H₂O

NOCl = NO + Cl

и повышается восстановительная активность металлов вследствие образования комплексов, поэтому окисление благородных металлов происходит с образованием комплексных кислот:

Au + HNO₃ + 4HCl = H[AuCl₄] + NO + 2H₂O

3Pt + 2HNO₃ + 12HCl = 3H₂[PtCl₄] + 2NO + 4H₂O

Некоторые металлы Nb, Ta, W не растворяются даже в «царской водке», но растворяются в смеси азотной и фтороводородной кислот.

3Ta + 5HNO₃ + 21HF = 3H₂TaF₇ + 5NO + 10H₂O

W + 2HNO₃ + 8HF = H₂WF₈ + 2NO + 4H₂O

2.7. Характерные химические свойства солей: средних, кислых, основных, комплексных (на примере соединений алюминия и цинка)

Солями называются соединения, состоящие из катионов металлов (или аммония) и кислотных остатков. Соли можно рассматривать как продукт взаимодействия кислоты и основания при этом могут получаться нормальные (средние), кислые и основные соли.

Нормальные соли образуются в том случае, когда количеств кислоты и основания достаточно для полного взаимодействия.

Н₃РО₄ + 3КОН = К₃РО₄ + 3Н₂О

Кислые соли образуются при недостатке основания, когда катионов металла недостаточно для замещения всех катионов водорода в молекуле кислоты.

Н₃РО₄ + 2КОН = К₂НРО₄ + 2Н₂О

Н₃РО₄ + КОН = КН₂РО₄ + Н₂О

В кислых солях в составе кислотных остатков содержится водород. Кислые соли возможны для многоосновных кислот и невозможны для одноосновных.

Основные соли образуются при недостатке кислоты, когда анионов кислотных остатков недостаточно для полного замещения всех гидроксогрупп в основании.

Cr(OH)₃ + HNO₃ = Cr(OH)₂NO₃ + H₂O

Cr(OH)₃ + 2HNO₃ = CrOH(NO₃)₂ + 2H₂O

В основных солях в составе катионов содержатся гидроксогруппы. Основные соли возможны для многокислотных оснований (содержат две и больше ОН-группы) и невозможны для однокислотных.

Некоторые основные соли самопроизвольно разлагаются с выделением воды, при этом образуются оксосоли.

Sb(OH)₂Cl = SbOCl + H₂O

Bi(OH)₂NO₃ = BiONO₃ + H₂O

Оксосоли обладают всеми свойствами основных солей.

Многие соли в твердом состоянии являются кристаллогидратами: CuSO₄^.5H₂O; Na₂CO₃^.10H₂O и т.д.