ВЗАЄМОДІЯ МЕТАЛІВ З НЕМЕТАЛАМИ
Неметали виявляють окислювальні властивості у реакціях з металами, приймаючи від них електрони та відновлюючись.
Взаємодія з галогенами
Галогени (F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 ) є сильними окислювачами, тому з ними взаємодіють усі метали за звичайних умов:
2 Me + n Hal 2 → 2 MeHal n
Продуктом такої реакції є сіль - галогенід металу ( MeF n -фторид, MeCl n -хлорид, MeBr n -бромід, MeI n -іодид). При взаємодії з металом галоген відновлюється до нижчого ступеня окиснення (-1), аnдорівнює ступеню окиснення металу.
Швидкість реакції залежить від хімічної активності металу та галогену. Окисна активність галогенів знижується по групі зверху вниз (від F до I).
Взаємодія з киснем
Киснем окислюються майже всі метали (крім Ag, Au, Pt ), при цьому відбувається утворення оксидів Me 2 O n.
Активні метали легко за звичайних умов взаємодіють із киснем повітря.
2 Mg + O 2 → 2 MgO (зі спалахом)
Метали середньої активності також реагують з киснем за нормальної температури. Але швидкість такої реакції суттєво нижча, ніж за участю активних металів.
Малоактивні метали окислюються киснем при нагріванні (горіння у кисні).
Оксиди металів за хімічними властивостями можна поділити на три групи:
1. Основні оксиди ( Na 2 O, CaO, Fe II O, Mn II O, Cu I O та ін) утворені металами в низьких ступенях окиснення (+1, +2, як правило, нижче +4). Основні оксиди взаємодіють з кислотними оксидами та кислотами з утворенням солей:
CaO + CO 2 → CaCO 3
CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O
2. Кислотні оксиди ( Cr VI O 3 , Fe VI O 3 , Mn VI O 3 , Mn 2 VII O 7 та ін) утворені металами у високих ступенях окислення (як правило, вище +4). Кислотні оксиди взаємодіють з основними оксидами та основами з утворенням солей:
FeO 3 + K 2 O → K 2 FeO 4
CrO 3 + 2KOH → K 2 CrO 4 + H 2 O
3. Амфотерні оксиди ( BeO , Al 2 O 3 , ZnO , SnO , MnO 2 , Cr 2 O 3 , PbO , PbO 2 та ін) мають подвійну природу і можуть взаємодіяти як з кислотами, так і з основами:
Cr 2 O 3 + 3H 2 SO 4 → Cr 2 (SO 4) + 3H 2 O
Cr 2 O 3 + 6NaOH → 2Na 3
Взаємодія із сіркою
З сіркою взаємодіють усі метали (крім Au ), утворюючи солі – сульфіди Me 2 S n . У цьому сірка відновлюється до ступеня окислення «-2». Платина ( Pt ) взаємодіє з сіркою лише у дрібнороздробленому стані. Лужні метали, а також Ca та Mg реагують із сіркою при нагріванні з вибухом. Zn , Al (у порошку) та Mg у реакції із сіркою дають спалах. У напрямку зліва направо в ряду активності швидкість взаємодії металів із сіркою зменшується.
Взаємодія з воднем
З воднем деякі активні метали утворюють сполуки – гідриди:
2 Na + H 2 → 2 NaH
У цих сполуках водень перебуває у рідкісному йому ступеня окислення «-1».
Є.А. Нуднова, М.В. Андрюxова
Під металами мають на увазі групу елементів, яка представлена у вигляді найпростіших речовин. Вони мають характерні властивості, а саме високу електро- і теплопровідність, позитивний температурний коефіцієнт опору, високу пластичність і металевий блиск.
Зауважимо, що із 118 хімічних елементів, які були відкриті на даний момент, до металів слід відносити:
- серед групи лужноземельних металів 6 елементів;
- серед лужних металів 6 елементів;
- серед перехідних металів 38;
- у групі легких металів 11;
- серед напівметалів 7 елементів,
- 14 серед лантаноїдів та лантан,
- 14 у групі актиноїдів та актиній,
- Поза визначенням знаходяться берилій і магній.
Виходячи з цього, до металів належать 96 елементів. Розглянемо докладніше, із чим реагують метали. Оскільки на зовнішньому електронному рівні у більшості металів знаходиться невелика кількість електронів від 1 до 3-х, то вони в більшості своїх реакцій можуть виступати як відновники (тобто вони віддають свої електрони іншим елементам).
Реакції з найпростішими елементами
- Окрім золота та платини, абсолютно всі метали реагують із киснем. Зауважимо також, що реакція за високих температур відбувається зі сріблом, проте оксид срібла(II) при нормальних температурах не утворюється. Залежно від властивостей металу, в результаті реакції з киснем утворюються оксиди, надпероксиди та пероксиди.
Наведемо приклади кожної з хімічної освіти:
- оксид літію – 4Li+O 2 =2Li 2 O;
- надпероксид калію - K + O 2 = KO 2;
- пероксид натрію – 2Na+O 2 =Na 2 O 2 .
Для того щоб отримати оксид з пероксиду, його потрібно відновити тим же металом. Наприклад, Na 2 O 2 +2Na=2Na 2 O. З малоактивними і середніми металами подібна реакція відбуватиметься лише за нагріванні, наприклад: 3Fe+2O 2 =Fe 3 O 4 .
- З азотом метали можуть реагувати тільки з активними металами, проте при кімнатній температурі може взаємодіяти тільки літій, утворюючи при цьому нітриди – 6Li+N 2 =2Li 3 N, проте при нагріванні відбувається така хімічна реакція 2Al+N 2 =2AlN, 3Ca+N 2 = Ca 3 N 2 .
- З сіркою, як і з киснем, реагують абсолютно всі метали, причому винятком є золото і платина. Зауважимо, що залізо може взаємодіяти тільки при нагріванні із сіркою, утворюючи при цьому сульфід: Fe+S=FeS
- Тільки активні метали можуть реагувати з воднем. До них відносяться метали групи IA та IIA, крім берилію. Такі реакції можуть здійснюватись тільки при нагріванні, утворюючи гідриди.
Оскільки ступінь окислення водню вважається?1, то метали у разі виступають як відновники: 2Na+H 2 =2NaH.
- Реагують із вуглецем також найактивніші метали. Внаслідок цієї реакції утворюються ацетиленіди або метаніди.
Розглянемо які метали реагують з водою і що вони дають в результаті цієї реакції? Ацетилени при взаємодії з водою будуть ацетилен, а метан вийде в результаті реакції води з метанідами. Наведемо приклади даних реакцій:
- Ацетилен - 2Na + 2C = Na 2 C 2;
- Метан - Na 2 C 2 +2H 2 O=2NaOH+C 2 H 2 .
Реакція кислот із металами
Метали з кислотами також можуть реагувати по-різному. З усіма кислотами реагують ті метали, які у ряду стоять електрохімічної активності металів до водню.
Наведемо приклад реакції заміщення, що показує, із чим реагують метали. Інакше така реакція називається окислювально-відновною: Mg+2HCl=MgCl 2 +H 2 ^.
Деякі кислоти можуть взаємодіяти з металами, які стоять після водню: Cu+2H 2 SO 4 =CuSO 4 +SO 2 ^+2H 2 O.
Зауважимо, що така розбавлена кислота може реагувати з металом за наведеною класичною схемою: Mg+H 2 SO 4 =MgSO 4 +H 2 ^.
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ
За хімічними властивостями метали поділяють на:1 ) Активні (лужні та лужноземельні метали, Mg, Al, Zn та ін.)
2) Металисередньої активності (Fe, Cr, Mn та ін.);
3 )Малоактивні (Cu, Ag)
4) Шляхетні метали - Au, Pt, Pd та ін.
У реакціях – лише відновники. Атоми металів легко віддають електрони зовнішнього (а деякі - і передзовнішнього) електронного шару, перетворюючись на позитивні іони. Можливі ступені окислення Ме Найнижча 0,+1,+2,+3 Вища +4,+5,+6,+7,+8
1. ВЗАЄМОДІЯ З НЕМЕТАЛАМИ
1. З ВОДОРОДОМ
Реагують при нагріванні метали IA та IIA групи, крім берилію. Утворюються тверді нестійкі речовини гідриди, інші метали не реагують.
2K + H₂ = 2KH (гідрид калію)
Ca + H₂ = CaH₂
2.З КИСНЕМ
Реагують усі метали, окрім золота, платини. Реакція зі сріблом відбувається при високих температурах, але оксид срібла(II) практично не утворюється, оскільки він термічно нестійкий. Лужні метали за нормальних умов утворюють оксиди, пероксиди, надпероксиди (літій – оксид, натрій – пероксид, калій, цезій, рубідій – надпероксид
4Li + O2 = 2Li2O (оксид)
2Na + O2 = Na2O2 (пероксид)
K+O2=KO2 (надпероксид)
Інші метали головних подрупп за нормальних умов утворюють оксиди зі ступенем окислення, що дорівнює номеру групи 2Сa+O2=2СaO
2Сa+O2=2СaO
Метали побічних подруп утворюють оксиди за нормальних умов і при нагріванні оксиди різного ступеня окислення, а залізо залізну окалину Fe3O4 (Fe⁺²O∙Fe2⁺³O3)
3Fe + 2O2 = Fe3O4
4Cu + O₂ = 2Cu₂⁺¹O (червоний) 2Cu + O₂ = 2Cu⁺²O (чорний);
2Zn + O₂ = ZnO 4Cr + 3О2 = 2Cr2О3
3. З ГАЛОГЕНАМИ
галогеніди (фториди, хлориди, броміди, йодиди). Лужні за нормальних умов з F, Cl, Br займаються:
2Na + Cl2 = 2NaCl (хлорид)
Лужноземельні та алюміній реагують за нормальних умов:
Зa+Cl2=ЗaCl2
2Al+3Cl2 = 2AlCl3
Метали побічних підгруп при підвищених температурах
Cu + Cl₂ = Cu⁺²Cl₂ Zn + Cl₂ = ZnCl₂
2Fe + ЗС12 = 2Fe⁺³Cl3 хлорид заліза (+3) 2Cr + 3Br2 = 2Cr⁺³Br3
2Cu + I₂ = 2Cu⁺¹I(Не буває йодиду міді (+2)!)
4. ВЗАЄМОДІЯ З СІРОЮ
при нагріванні навіть у лужних металів, з ртуттю за нормальних умов. Реагують усі метали, крім золота та платини
зсірої – сульфіди: 2K + S = K2S 2Li+S = Li2S (сульфід)
Зa+S=ЗaS(сульфід) 2Al+3S = Al2S3 Cu + S = Cu⁺²S (чорний)
Zn + S = ZnS 2Cr + 3S = Cr2⁺³S3 Fe + S = Fe⁺²S
5. ВЗАЄМОДІЯ З ФОСФОРОМ І АЗОТОМ
протікає при нагріванні (виключення: літій з азотом за нормальних умов):
з фосфором – фосфіди: 3Ca + 2 P=Са3P2,
З азотом - нітриди 6Li + N2 = 3Li2N (нітрид літію) (н.у.) 3Mg + N2 = Mg3N2 (нітрид магнію) 2Al + N2 = 2A1N 2Cr + N2 = 2CrN 3Fe + N2 = Fe₃⁺²N₂
6. ВЗАЄМОДІЯ З ВУГЛЕРОДОМ І КРЕМНІЄМ
протікає при нагріванні:
З вуглецем утворюються карбіди З вуглецем реагують лише найактивніші метали. З лужних металів карбіди утворюють літій та натрій, калій, рубідій, цезій не взаємодіють з вуглецем:
2Li + 2C = Li2C2, Са + 2С = СаС2
Метали – d-елементи утворюють із вуглецем сполуки нестехіометричного складу типу твердих розчинів: WC, ZnC, TiC – використовуються для отримання надтвердих сталей.
з кремнієм – силіциди: 4Cs + Si = Cs4Si,
7. ВЗАЄМОДІЯ МЕТАЛІВ З ВОДОЮ:
З водою реагують метали, що стоять до водню в електрохімічному ряді напруг. .
2Na + 2HOH = 2NaOH + H2
Зa + 2HOH = Ca(OH)2 + H2
2Аl + 6Н2O = 2Аl(ОН)3 + ЗН2
Інші метали реагують з водою тільки в розжареному стані, утворюючи оксиди (залізо – залізну окалину)
Zn + Н2O = ZnO + H2 3Fe + 4HOH = Fe3O4 + 4H2 2Cr + 3H₂O = Cr₂O₃ + 3H₂
8 З КИСНЕМ І ВОДОЮ
На повітрі залізо та хром легко окислюється у присутності вологи (іржавіння)
4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3
4Cr + 3O2 + 6H2O = 4Cr(OH)3
9. ВЗАЄМОДІЯ МЕТАЛІВ З ОКСИДАМИ
Метали (Al, Mg, Са), відновлюють при високій температурі неметали або менш активні метали з їх оксидів → неметал або малоактивний метал і оксид (кальційтермія, магнійтермія, алюмінотермія)
2Al + Cr2O3 = 2Cr + Al2O3 ЗСа + Cr₂O₃ = ЗСаО + 2Cr (800 °C) 8Al+3Fe3O4 = 4Al2O3+9Fe (терміт) 2Mg + CО2 = 2MgO + С + 2NO = 2CuO + N2 3Zn + SО2 = ZnS + 2ZnO
10. З ОКСИДАМИ
Метали залізо та хром реагують з оксидами, зменшуючи ступінь окислення
Cr + Cr2⁺³O3 = 3Cr⁺²O Fe+ Fe2⁺³O3 = 3Fe⁺²O
11. ВЗАЄМОДІЯ МЕТАЛІВ ІЗ лугами
З лугами взаємодіють тільки ті метали, оксиди і гідроксиди яких мають амфотерні властивості ((Zn, Al, Cr(III), Fe(III) та ін.) Розплав → сіль металу + водень.
2NaOH + Zn → Na2ZnO2 + H2 (цинкат натрію)
2Al + 2(NaOH · H2O) = 2NaAlO2 + 3H2
РОЗЧИН → комплексна сіль металу + водень.
2NaOH + Zn0 + 2H2O = Na2 + H2 (тетрагідроксоцінкат натрію) 2Al+2NaOH + 6H2O = 2Na+3H2
12. ВЗАЄМОДІЯ З КИСЛОТАМИ (крім HNO3 і Н2SО4 (конц.)
Метали, що стоять в електрохімічному ряду напруг металів лівіше за водень, витісняють його з розведених кислот → сіль і водень
Запам'ятай! Азотна кислота ніколи не виділяє водень під час взаємодії з металами.
Мg + 2НС1 = МgСl2 + Н2
Al + 2НС1 = Al⁺³Сl₃ + Н2
13. РЕАКЦІЇ З СОЛЯМИ
Активні метали витісняють із солей менш активні. Відновлення із розчинів:
CuSO4 + Zn = Zn SO4 + Cu
FeSO4 + Cu =РЕАКЦІЇНІ
Mg + CuCl2(pp) = MgCl2 +Зu
Відновлення металів із розплавів їх солей
3Na+ AlCl₃ = 3NaCl + Al
TiCl2 + 2Mg = MgCl2 + Ti
Метали груп реагують з солями, знижуючи ступінь окислення
2Fe⁺³Cl3 + Fe = 3Fe⁺²Cl2
Атоми металів порівняно легко віддають валентні електрони та переходять у позитивно заряджені іони. Тож метали є відновниками. Метали взаємодіють із простими речовинами: Са + С12 - СаС12, Активні метали реагують із водою: 2Na + 2Н20 = 2NaOH + H2f. Метали, що стоять у ряді стандартних електродних потенціалів до водню, взаємодіють з розчинами розбавлених кислот (крім HN03) з виділенням водню: Zn + 2НС1 = ZnCl2 + H2f. Метали реагують з водними розчинами солей менш активних металів: Ni + CuS04 = NiS04 + Сі J. Метали реагують з кислотами-окислювачами: С. Способи одержання металів Сучасна металургія отримує понад 75 металів та численні сплави на їх основі. Залежно від способів отримання металів розрізняють пірогідро- та електрометалургію. ГГ) Пірометалургія охоплює способи отримання металів з руд за допомогою реакцій відновлення, що проводяться при високих температурах. Як відновники застосовують вугілля, активні метали, оксид вуглецю (II), водень, метан. Cu20 + С - 2Сі + СО, t° Cu20 + СО - 2Cu + С02, t° Сг203 + 2А1 - 2Сг + А1203, (алюмотермія) t° TiCl2 + 2Mg - Ti + 2MgCl2, (магнійтермія) t° W+3H20. (водородотермія) |Ц Гідрометалургія - це одержання металів із розчинів їх солей. Наприклад, при обробці розведеної сірчаною кислотою мідної руди, що містить оксид міді (І), мідь переходить у розчин у вигляді сульфату: CuO + H2S04 = CuS04 + Н20. Потім мідь витягають із розчину або електролізом, або витісненням за допомогою порошку заліза: CuS04 + Fe = FeS04 + Сі. [З] Електрометалургія – це способи отримання металів з їх розплавлених оксидів або солей за допомогою електролізу: електроліз 2NaCl – 2Na + Cl2. Запитання та завдання для самостійного вирішення 1. Вкажіть становище металів у періодичній системі Д. І. Менделєєва. 2. Покажіть фізичні та хімічні властивості металів. 3. Поясніть причину спільності властивостей металів. 4. Покажіть зміну хімічної активності металів головних підгруп І та ІІ груп періодичної системи. 5. Яким чином змінюються металеві властивості у елементів ІІ та ІІІ періодів? Назвіть найтугоплавкіший і легкоплавкі метали. 7. Вкажіть, які метали зустрічаються в природі у самородному стані та які – лише у вигляді сполук. Чим це можна пояснити? 8. Яка природа сплавів? Як склад металу впливає його властивості. Покажіть на прикладах. Вкажіть найважливіші способи одержання металів із руд. 10l Назвіть різновиди пірометалургії. Які відновники використовують у кожному конкретному способі? Чому? 11. Назвіть метали, які одержують за допомогою гідрометалургії. У чому сутність та які переваги даного методу перед іншими? 12. Наведіть приклади одержання металів за допомогою електрометалургії. У якому разі використовують цей спосіб? 13. Якими є сучасні способи отримання металів високого ступеня чистоти? 14. Що таке «електродний потенціал»? Який з металів має найбільший і який найменший електродні потенціали у водному розчині? 15. Охарактеризуйте низку стандартних електродних потенціалів? 16. Чи можна витіснити металеве залізо із водного розчину його сульфату за допомогою металевого цинку, нікелю, натрію? Чому? 17. Яким є принцип роботи гальванічних елементів? Які метали можуть у них використовуватися? 18. Які процеси належать до корозійних? Які види корозії вам відомі? 19. Що називається електрохімічною корозією? Які засоби захисту від неї вам відомі? 20. Як впливає корозію заліза його контакти з іншими металами? Який метал руйнуватиметься першим на пошкодженій поверхні лудженого, оцинкованого та нікельованого заліза? 21. Який процес називають електролізом? Напишіть реакції, що відображають процеси, що відбуваються на катоді та аноді при електролізі розплаву натрію хлориду, водних розчинів хлориду натрію, сульфату міді, сульфату натрію, сірчаної кислоти. 22. Яку роль грає матеріал електродів під час перебігу процесів електролізу? Наведіть приклади процесів електролізу, що протікають з розчинними та нерозчинними електродами. 23. Сплав, що йде на виготовлення мідних монет, містить 95 % міді. Визначте другий метал, що входить до сплаву, якщо при обробці однокопійкової монети надлишком соляної кислоти виділилося 62,2 мл водню (н. у.). алюміній. 24. Наважка карбіду металу масою 6 г спалена в кисні. При цьому утворилося 2,24 л оксиду вуглецю (IV) (н. у.). Визначте, який метал входив до складу карбіду. 25. Покажіть, які продукти виділяться при електролізі водного розчину нікелю сульфату, якщо процес протікає: а) з вугільними; б) із нікелевими електродами? 26. При електроліз водного розчину мідного купоросу на аноді виділилося 2,8 л газу (н. у.). Який це газ? Що і в якій кількості виділилося на катоді? 27. Складіть схему електролізу водного розчину нітрату калію, що протікає на електродах. Чому дорівнює кількість пропущеної електрики, якщо на аноді виділилося 280 мл газу (н. у.)? Що і в якій кількості виділилося на катоді?
За своєю хімічною активністю метали дуже різняться. Про хімічну активність металу можна судити з його положенню в .
Найактивніші метали розташовані на початку цього ряду (ліворуч), найменш активні - в кінці (праворуч).
Реакції із простими речовинами. Метали вступають у реакції з неметалами з утворенням бінарних сполук. Умови перебігу реакцій, котрий іноді їх продукти сильно різняться до різних металів.
Так, наприклад, лужні метали активно реагують з киснем (у тому числі у складі повітря) при кімнатній температурі з утворенням оксидів та пероксидів
4Li + O 2 = 2Li 2 O;
2Na + O 2 = Na 2 O 2
Метали середньої активності реагують із киснем при нагріванні. При цьому утворюються оксиди:
2Mg + O2 = t2MgO.
Малоактивні метали (наприклад, золото, платина) з киснем не реагують і тому повітря практично не змінюють свого блиску.
Більшість металів при нагріванні з порошком сірки утворюють відповідні сульфіди:
Реакції із складними речовинами. З металами реагують сполуки всіх класів - оксиди (у тому числі вода), кислоти, основи та солі.
Активні метали бурхливо взаємодіють з водою за кімнатної температури:
2Li + 2H 2 O = 2LiOH + H 2;
Ba + 2H2O = Ba(OH)2+H2.
Поверхня таких металів, як, наприклад, магній та алюміній, захищена щільною плівкою відповідного оксиду. Це перешкоджає перебігу реакції з водою. Однак якщо цю плівку видалити або порушити її цілісність, ці метали також активно вступають у реакцію. Наприклад, порошкоподібний магній реагує з гарячою водою:
Mg + 2H 2 O = 100 °C Mg(OH) 2 + H 2 .
При підвищеній температурі з водою вступають у реакцію менш активні метали: Zn, Fe, Mil та інших. У цьому утворюються відповідні оксиди. Наприклад, при пропущенні водяної пари над розпеченими залізними стружками протікає реакція:
3Fe + 4H 2 O = t Fe 3 O 4 + 4H 2 .
Метали, що стоять у активності до водню, реагують з кислотами (крім HNO 3) з утворенням солей і водню. Активні метали (К, Na, Са, Mg) реагують із розчинами кислот дуже бурхливо (з великою швидкістю):
Ca + 2HCl = CaCl 2 + H 2;
2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 .
Малоактивні метали часто практично не розчиняються у кислотах. Це зумовлено утворенням на поверхні плівки нерозчинної солі. Наприклад, свинець, що стоїть у ряді активності до водню, практично не розчиняється в розведеній сірчаній та соляній кислотах внаслідок утворення на поверхні плівки нерозчинних солей (PbSO 4 і PbCl 2).
Вам необхідно ввімкнути JavaScript, щоб проголосувати