Какие продукты образуются при взаимодействии металла с кислотой

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+идр.

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+ + SO42-

Образующиеся ионы Н+
выполняют функцию окислителя.

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

Химическая реакция
протекает по схеме:

Ме + H2SO4(разб.)→ соль + H2↑

Пример:

2 Al
+ 3 H2SO4(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+идр.

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 SO42- (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 + H2SO4 (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 SO2. 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, Ptне 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 H2SO4(конц.)→4A12(SO4)3
+ 12H2O + 3H2S

4│2Al0 – 6e– →
2Al3+ –
окисление

3│ S6+ + 8e → S2-– восстановление

Металл средней
активности

2Cr + 4 H2SO4(конц.)→
Cr2(SO4)3
+ 4 H2O + S

1│ 2Cr0 – 6e →2Cr3+-
окисление

1│ S6+ + 6e → S0 – восстановление

Металл малоактивный

2Bi + 6H2SO4(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.

Концентрированная азотная кислота

Концентрированным считают раствор кислоты плотностью ρ > 1,25 кг/м3, что соответствует
концентрации > 40%. Независимо от активности металла реакция взаимодействия
с HNO3 (конц.) протекает
по схеме:

         Me + HNO3(конц.)
→ соль + вода + NO2

С концентрированной азотной кислотой не взаимодействуют
благородные металлы (Au, Ru,
Os, Rh,
Ir, Pt), а
ряд металлов (Al, Ti,
Cr, Fe,
Co, Ni) при низкой
температуре пассивируются концентрированной азотной кислотой. Реакция
возможна при повышении температуры, она протекает по схеме, представленной
выше.

Примеры

Активный металл

         Al + 6HNO3(конц.) → Al(NO3)3
+ 3H2O + 3NO2↑

1│ Al0 – 3e → Al3+ – окисление

3│
N5+ + e
→ N4+ –
восстановление

Металл средней активности

Fe +
6HNO3(конц.) → Fe(NO3)3 + 3H2O
+ 3NO↑

1│ Fe0 – 3e → Fe3+
– окисление

3│
N5+ + e
→ N4+ – восстановление

Металл
малоактивный

Ag + 2HNO3(конц.)
→ AgNO3 + H2O + NO2↑

1│ Ag0 – e →Ag+ –
окисление

1│ N5+ + e → N4+ – восстановление

Разбавленная азотная
кислота

Продукт восстановления азотной кислоты в разбавленном растворе зависит от активности
металла, участвующего в реакции:

Примеры:

         Активный металл

         8Al +
30HNO3(разб.) → 8Al(NO3)3 + 9H2O
+ 3NH4NO3

8│ Al0 – 3e → Al3+
– окисление

3│
N5+ + 8e
→ N3- –
восстановление

         Выделяющийся в
процессе восстановления азотной кислоты аммиак сразу взаимодействует с избытком
азотной кислоты, образуя соль – нитрат аммония NH4NO3:

         NH3 + HNO3 → NH4NO3.

         Металл средней
активности

10Cr + 36HNO3(разб.)
→ 10Cr(NO3)3 + 18H2O + 3N2

10│ Cr0 – 3e → Cr3+ – окисление

 
3│ 2N5+ + 10e
→ N20 – восстановление

         Кроме
молекулярного азота (N2) при взаимодействии металлов средней активности с
разбавленной азотной кислотой образуется в равном количестве оксид азота
(I) – N2O. В уравнении реакции нужно писать одно из этих
веществ.

         Металл малоактивный

3Ag + 4HNO3(разб.) → 3AgNO3 + 2H2O + NO

3│ Ag0 – e →Ag+ –
окисление

1│
N5+ + 3e
→ N2+ –
восстановление

«Царская водка»

«Царская водка» (ранее кислоты называли водками)
представляет собой смесь одного объема азотной кислоты и трех-четырех объемов
концентрированной соляной кислоты, обладающую очень высокой окислительной
активностью. Такая смесь способна растворять некоторые малоактивные металлы, не
взаимодействующие с азотной кислотой. Среди них и «царь металлов» – золото.
Такое действие «царской водки» объясняется тем, что азотная кислота  окисляет
соляную с выделением свободного хлора и образованием хлороксида азота (III),
или хлорида нитрозила – NOCl:

HNO3 + 3 HCl →
Cl2 + 2 H2O + NOCl

Хлорид нитрозила далее разлагается по схеме:

2 NOCl →
2 NO + Cl2

Хлор в момент выделения состоит из атомов. Атомарный
хлор является сильнейшим окислителем, что и позволяет «царской водке»
воздействовать даже на самые инертные «благородные металлы».

Реакции окисления золота и платины протекают согласно
следующим уравнениям:

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

3Pt + 4HNO3 + 18HCl → 3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O

На Ru, Os, Rh и Ir «царская водка» не действует.

© Е.А. Нуднoва, М.В. Андрюxова

К оглавлению

При взаимодействии соляной и разбавленной серной кислоты с металлами окислителем является ион водорода Н . Поэтому они взаимодействуют с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода. При этом образуется соль и выделяется водород:

Металлы переменной валентности, проявляющие переменную степень окисления, соляной и разбавленной серной кислотами окисляются, как правило, до низших степеней окисления, например:

Свинец практически не взаимодействует с соляной и разбавленной серной кислотами, так как на его поверхности образуется плотная нерастворимая пленка хлорида или сульфата свинца (II).

В концентрированной серной кислоте окислителем являются суль- фаг-ионы , в которых сера находится в степени окисления +6. Окисляя металл, серная кислота восстанавливается до сероводорода, серы и оксида серы (IV).

При взаимодействии концентрированной серной кислоты с активными металлами образуются соль, вода и преимущественно сероводород:

Малоактивные металлы восстанавливают концентрированную серную кислоту преимущественно до БСЬ, например:

а металлы средней активности – преимущественно до серы:

Металлы переменной валентности концентрированной НгБС^ окисляются, как правило, до высшей степени окисления, например:

Благородные металлы с концентрированной серной кислотой не взаимодействуют ни при каких условиях. Некоторые металлы (А1, Бе, Сг, N1, Тц V и др.) не взаимодействуют с концентрированной серной кислотой при обычных условиях (пассивируются), но взаимодействуют при нагревании.

Большое практическое значение имеет пассивация железа: концентрированную серную кислоту можно хранить в ёмкостях из обычной нелегированной стали.

Свинец с концентрированной серной кислотой взаимодействует с образованием растворимой кислой соли (гидросоли), оксида серы (IV) и воды:

В азотной кислоте, независимо от её концентрации, окислителем являются нитрат-ионы N0,, содержащие азот в степени окисления +5. Поэтому при взаимодействии металлов с азотной кислотой водород не выделяется. Азотная кислота окисляет все металлы за исключением самых неактивных (благородных). При этом образуются соль, вода и продукты восстановления азота (+5): 1ЧН4МОз, Ы2, N20, N0, НЫ02, Ы02. Свободный аммиак не выделяется, так как он взаимодействует с азотной кислотой, образуя нитрат аммония:

При взаимодействии металлов с концентрированной азотной кислотой (30-60 % НЬЮз) продуктом восстановления НЫОз является преимущественно оксид азота (IV), независимо от природы металла, например:

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

В концентрированной азотной кислоте пассивируются алюминий, хром, железо, никель, кобальт, титан и некоторые другие металлы. После обработки азотной кислотой эти металлы не взаимодействуют и с другими кислотами.

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

Активные металлы восстанавливают разбавленную азотную кислоту максимально, т.е. образуются соль, вода и ЫН4ЫОз, например:

52

При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой металлов средней активности образуются соль, вода и азот или N2O, например:

При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами образуются соль, вода и оксид азота (II), например:

Но уравнения реакций в данных примерах условны, так как в действительности получается смесь соединений азота, причем, чем выше активность металла и ниже концентрация кислоты, гем ниже степень окисления азота в том продукте, которого образуется больше других.

Царской водкой называется смесь концентрированных азотной и соляной кислот. Она применяется для окисления и перевода в растворимое состояние золота, платины и других благородных металлов. Соляная кислота в царской водке затрачивается на образование комплексного соединения окисленного металла. Уравнения реакций золота и платины с царской водкой записываются гак:

В некоторых учебных пособиях встречается другое объяснение взаимодействия благородных металлов с царской водкой. Считают, что в этой смеси между HNO3 и НС1 происходит катализируемая благородными металлами реакция, в которой азотная кислота окисляет соляную но уравнению:

Хлорид нитрозила NOCI непрочен и разлагается но уравнению:

Окислителем металла является атомарный (т.е. очень активный) хлор в момент выделения. Поэтому продуктами взаимодействия царской водки с металлами являются соль (хлорид), вода и оксид азота (II):

а комплексные соединения образуются при последующих реакциях как вторичные продукты: