Какие продукты образуются при взаимодействии концентрированной серной кислоты с магнием
Определение
Серная кислота $H_2SO_4$ — сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота — тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха.
Олеум — раствор серного ангидрида $SO_3$ в концентрированной серной кислоте. Формулы, отражающие состав олеума: $H_2SO_4·SO_3$ и $H_2SO_4·2SO_3$.
Особым свойством концентрированной серной кислоты является ее способность отнимать воду, поэтому ее используют как гигроскопическое средство во многих химических реакциях, особенно при получении органических веществ, для осушки или предотвращения поглощения веществами воды. Для этих целей в лабораториях используют эксикаторы — специальные герметические сосуды:
Кроме того, благодаря этой способности, концентрированная серная кислота обугливает органические вещества (сахар, древесину), вызывает сильные ожоги кожи. На фотографиях представлены «продукты» обугливания — «угольный пирог», получающийся из сахарной пудры действием концентрированной серной кислоты, и обугленная лучина.
При работе с серной кислотой следует соблюдать особую осторожность, так как даже при попадании на одежду или кожу разбавленной кислоты, по мере испарения воды ее концентрация будет увеличиваться.
Свойства разбавленной серной кислоты
Разбавленная $H_2SO_4$ — вступает в реакции замещения, за счет окисления катионов $Н^+$:
$H_2SO_4textrm{(разб.)} + Mg = MgSO_4 + H_2uparrow$
$2H^+ + 2bar{e} = H_2^0$ |2 1 окислитель, восстановление
$Mg — 2bar{e} = Mg^{2+}$ |2 1 восстановитель, окисление
$H_2SO_4textrm{(разб.)} + Cu (Ag, Au, Hg) ne$
Поэтому с активными металлами, стоящими до H в ряду напряжений, реагирует как обычная кислота, вытесняя водород. С благородными металлами (Au, Pt) и металлами, стоящими после Н в ряду напряжений не реагирует. Другие окислительные свойства для разбавленной $H_2SO_4$ нехарактерны. Серная кислота реагирует с основными оксидами и основаниями (в том числе нерастворимыми) и образует два ряда солей: средние — сульфаты ($Na_2SO_4$) и кислые — гидросульфаты ($NaHSO_4$).
Качественной реакцией на серную кислоту и её растворимые соли является их взаимодействие с растворимыми солями бария, при котором образуется белый осадок сульфата бария, нерастворимый в воде и кислотах, например:
$H_2SO_4 + BaCl_2 = BaSO_4 downarrow + 2HCl$
Свойства концентрированной серной кислоты
Концентрированные растворы серной кислоты проявляют сильные окислительные свойства, обусловленные наличием в её молекулах атома серы в высшей степени окисления (+6).
1. Концентрированная $H_2SO_4$ взаимодействует с металлами, расположенными в электрохимическом ряду напряжений металлов правее водорода (медь, серебро, ртуть), с образованием сульфатов, воды и продуктов восстановления серы. Глубина восстановления серы зависит от восстановительных свойств металлов:
активные металлы (натрий, калий, литий) восстанавливают серную кислоту до сероводорода,
металлы, расположенные в ряду напряжений от алюминия до железа — до свободной серы,
металлы с меньшей активностью — до сернистого газа.
2. Концентрированные растворы серной кислоты не реагируют с золотом и платиной вследствие их малой активности.
3. Без нагревания не происходят реакции с алюминием, хромом, железом вследствие пассивирования этих металлов: на поверхности этих металлов образуется защитная оксидная плёнка.
Таким образом, продукт восстановления серной кислоты зависит от концентрации кислоты и активности металла:
| Металлы | активные | среднеактивные | неактивные |
|---|---|---|---|
| Li, K, Ba, Ca, Na, Mg | | Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb | | $H_2$, Cu, Ag, Hg, Au | |
| $H_2SO_4textrm{(разб.)}$ | соль + водород: $H_2SO_4textrm{(разб.)} + Zn = ZnSO_4 + H_2uparrow$ | не регаируют $ne$ | |
| $H_2SO_4textrm{(конц.)}$ | соль + вода + $H_2S$: | соль + вода + S: $4H_2SO_4textrm{(конц.)} + 3Zn = $ $3ZnSO_4 + 4H_2O + S$ или соль + вода + $SO_2$: $2Al + 6H_2SO_4textrm{(конц.)} = $ $Al_2(SO_4)_3 + 6H_2O + 3SO_2$ | соль + вода + $SO_2$: $2H_2SO_4textrm{(конц.)} + 2Ag = $ $Ag_2SO_4 + 2H_2O + SO_2$ кроме Au, Pt, Pd (не реагируют) |
Запомни! Концентрированная серная кислоты пассивирует металлические алюминий, хром и железо.
Данные металлы могут растворяться в $H_2SO_4textrm{(конц.)}$ при сильном нагревании, при этом образуются соль металла (III) и продукты восстановления кислоты:
$8Al+15H_2SO_4textrm{(конц.)} stackrel{t^circ}{=} 4Al_2(SO_4)_3+3H_2Suparrow + 12H_2O $
$2Cr + 6H_2SO_4textrm{(конц.)} stackrel{t^circ}{=} Cr_2(SO_4)_3 + 3SO_2 uparrow+ 6H_2O$
$2Fe + 6H_2SO_4textrm{(конц.)} stackrel{t^circ}{=} Fe_2(SO_4)_3 + 3SO_2uparrow + 6H_2O$
Взаимодействие серной кислоты с неметаллами
Взаимодействие серной кислоты с неметаллами происходит с выделением $SO_2$ и окислением неметаллов до высшей степени окисления:
$C + 2H_2SO_4textrm{(конц.,гор.)} = CO_2uparrow+ 2SO_2uparrow+ 2H_2O$
$S + 2H_2SO_4textrm{(конц.)} = 3SO_2 uparrow+ 2H_2O$
$2P + 5H_2SO_4 = 2H_3PO_4 + 5SO_2uparrow + 2H_2O $
$H_2SO_4textrm{(конц.)} + H_2S = SO_2uparrow + Sdownarrow + 2H_2O$
IIA группа содержит только металлы – Be (бериллий), Mg (магний), Ca (кальций), Sr (стронций), Ba (барий) и Ra (радий). Химические свойства первого представителя этой группы — бериллия — наиболее сильно отличаются от химических свойств остальных элементов данной группы. Его химические свойства во многом даже более схожи с алюминием, чем с остальными металлами IIA группы (так называемое «диагональное сходство»). Магний же по химическим свойствами тоже заметно отличается от Ca, Sr, Ba и Ra, но все же имеет с ними намного больше сходных химических свойств, чем с бериллием. В связи со значительным сходством химических свойств кальция, стронция, бария и радия их объединяют в одно семейство, называемое щелочноземельными металлами.
Все элементы IIA группы относятся к s-элементам, т.е. содержат все свои валентные электроны на s-подуровне. Таким образом, электронная конфигурация внешнего электронного слоя всех химических элементов данной группы имеет вид ns2 , где n – номер периода, в котором находится элемент.
Вследствие особенностей электронного строения металлов IIA группы, данные элементы, помимо нуля, способны иметь только одну единственную степень окисления, равную +2. Простые вещества, образованные элементами IIA группы, при участии в любых химических реакциях способны только окисляться, т.е. отдавать электроны:
Ме0 – 2e— → Ме+2
Кальций, стронций, барий и радий обладают крайне высокой химической активностью. Простые вещества, образованные ими, являются очень сильными восстановителями. Также сильным восстановителем является магний. Восстановительная активность металлов подчиняется общим закономерностям периодического закона Д.И. Менделеева и увеличивается вниз по подгруппе.
Взаимодействие с простыми веществами
с кислородом
Без нагревания бериллий и магний не реагируют ни с кислородом воздуха, ни с чистым кислородом ввиду того, что покрыты тонкими защитными пленками, состоящими соответственно из оксидов BeO и MgO. Их хранение не требует каких-либо особых способов защиты от воздуха и влаги, в отличие от щелочноземельных металлов, которые хранят под слоем инертной по отношению к ним жидкости, чаще всего керосина.
Be, Mg, Ca, Sr при горении в кислороде образуют оксиды состава MeO, а Ba – смесь оксида бария (BaO) и пероксида бария (BaO2):
2Mg + O2 = 2MgO
2Ca + O2 = 2CaO
2Ba + O2 = 2BaO
Ba + O2 = BaO2
Следует отметить, что при горении щелочноземельных металлов и магния на воздухе побочно протекает также реакция этих металлов с азотом воздуха, в результате которой, помимо соединений металлов с кислородом, образуются также нитриды c общей формулой Me3N2.
с галогенами
Бериллий реагирует с галогенами только при высоких температурах, а остальные металлы IIA группы — уже при комнатной температуре:
Мg + I2 = MgI2 – иодид магния
Са + Br2 = СаBr2 – бромид кальция
Ва + Cl2 = ВаCl2 – хлорид бария
с неметаллами IV–VI групп
Все металлы IIA группы реагируют при нагревании со всеми неметаллами IV–VI групп, но в зависимости от положения металла в группе, а также активности неметаллов требуется различная степень нагрева. Поскольку бериллий является среди всех металлов IIA группы наиболее химически инертным, при проведении его реакций с неметаллами требуется существенно большая температура.
Следует отметить, что при реакции металлов с углеродом могут образовываться карбиды разной природы. Различают карбиды, относящиеся к метанидам и условно считающимися производными метана, в котором все атомы водорода замещены на металл. Они так же, как и метан, содержат углерод в степени окисления -4, и при их гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями одним из продуктов является метан. Также существует другой тип карбидов – ацетилениды, которые содержат ион C22-, фактически являющийся фрагментом молекулы ацетилена. Карбиды типа ацетиленидов при гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями образуют ацетилен как один из продуктов реакции. То, какой тип карбида – метанид или ацетиленид — получится при взаимодействии того или иного металла с углеродом, зависит от размера катиона металла. С ионами металлов, обладающих малым значением радиуса, образуются, как правило, метаниды, с ионами более крупного размера – ацетилениды. В случае металлов второй группы метанид получается при взаимодействии бериллия с углеродом:
Остальные металлы II А группы образуют с углеродом ацетилениды:
С кремнием металлы IIA группы образуют силициды — соединения вида Me2Si, с азотом – нитриды (Me3N2), фосфором – фосфиды (Me3P2):
с водородом
Все щелочноземельные металлы реагируют при нагревании с водородом. Для того чтобы магний прореагировал с водородом, одного нагрева, как в случае со щелочноземельными металлами, недостаточно, требуется, помимо высокой температуры, также и повышенное давление водорода. Бериллий не реагирует с водородом ни при каких условиях.
Взаимодействие со сложными веществами
с водой
Все щелочноземельные металлы активно реагируют с водой с образованием щелочей (растворимых гидроксидов металлов) и водорода. Магний реагирует с водой лишь при кипячении вследствие того, что при нагревании в воде растворяется защитная оксидная пленка MgO. В случае бериллия защитная оксидная пленка очень стойкая: с ним вода не реагирует ни при кипячении, ни даже при температуре красного каления:
c кислотами-неокислителями
Все металлы главной подгруппы II группы реагируют с кислотами-неокислителями, поскольку находятся в ряду активности левее водорода. При этом образуются соль соответствующей кислоты и водород. Примеры реакций:
Ве + Н2SO4(разб.) = BeSO4 + H2↑
Mg + 2HBr = MgBr2 + H2↑
Ca + 2CH3COOH = (CH3COO)2Ca + H2↑
c кислотами-окислителями
− разбавленной азотной кислотой
С разбавленной азотной кислотой реагируют все металлы IIA группы. При этом продуктами восстановления вместо водорода (как в случае кислот-неокислителей) являются оксиды азота, преимущественно оксид азота (I) (N2O), а в случае сильно разбавленной азотной кислоты – нитрат аммония (NH4NO3):
4Ca + 10HNO3(разб.) = 4Ca(NO3)2 + N2O↑ + 5H2O
4Mg + 10HNO3(сильно разб.) = 4Mg(NO3)2 + NН4NO3 + 3H2O
− концентрированной азотной кислотой
Концентрированная азотная кислота при обычной (или низкой) температуре пассивирует бериллий, т.е. в реакцию с ним не вступает. При кипячении реакция возможна и протекает преимущественно в соответствии с уравнением:
Магний и щелочноземельные металлы реагируют с концентрированной азотной кислотой с образованием большого спектра различных продуктов восстановления азота.
− концентрированной серной кислотой
Бериллий пассивируется концентрированной серной кислотой, т.е. не реагирует с ней в обычных условиях, однако реакция протекает при кипячении и приводит к образованию сульфата бериллия, диоксида серы и воды:
Be + 2H2SO4 → BeSO4 + SO2↑+ 2H2O
Барий также пассивируется концентрированной серной кислотой вследствие образования нерастворимого сульфата бария, но реагирует с ней при нагревании, сульфат бария растворяется при нагревании в концентрированной серной кислоте благодаря его превращению в гидросульфат бария.
Остальные металлы главной IIA группы реагируют с концентрированной серной кислотой при любых условиях, в том числе на холоду. Восстановление серы происходит преимущественно до сероводорода:
4Mg + 5H2SO4(конц.) = 4MgSO4 + H2S↑ + 4H2O
с щелочами
Магний и щелочноземельные металлы со щелочами не взаимодействуют, а бериллий легко реагирует как растворами щелочей, так и с безводными щелочами при сплавлении. При этом при осуществлении реакции в водном растворе в реакции участвует также и вода, а продуктами являются тетрагидроксобериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и газообразный водород:
Be + 2KOH + 2H2O = H2↑ + K2[Be(OH)4] — тетрагидроксобериллат калия
При осуществлении реакции с твердой щелочью при сплавлении образуются бериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и водород
Be + 2KOH = H2↑+ K2BeO2 — бериллат калия
с оксидами
Щелочноземельные металлы, а также магний могут восстанавливать менее активные металлы и некоторые неметаллы из их оксидов при нагревании, например:
Метод восстановления металлов из их оксидов магнием называют магниетермией.