При взаимодействии какого металла с кислотой одним из продуктов реакции будет водород
Кислоты – это класс химических соединений, в которых есть атом водорода и кислотный остаток. Напомню, что кислоты делятся на одно-, двух- и трёхосновные (основность определяется числом атомов водорода) и на кислородсодержащие и бескислородные (а это можно узнать, взглянув на кислотный остаток). А сейчас пришло время узнать, как ведут себя кислоты в химических реакциях.
Фото: cornellasap.org
Химические свойства кислот
1. Взаимодействие с металлами
Кислоты могут реагировать с некоторыми металлами. Чтобы узнать, с какими именно металлами могут взаимодействовать металлы, нам понадобится воспользоваться электрохимическим рядом активности металлов (также его называют электрохимическим рядом напряжений металлов). Ряд активности металлов относится к числу справочных материалов, учить наизусть его нет необходимости, поскольку обычно он представлен в учебнике химии или висит в классе химии. Выглядит он следующим образом:
Фото: из открытых источников
Найдите в ряду водород и запомните, что
металлы, стоящие в ряду напряжений ДО водорода (левее водорода), реагируют с кислотами с образованием соли и газообразного водорода, металлы, стоящие ПОСЛЕ (правее) водорода, с кислотами не реагируют.
Пример 1.
Будет ли серная кислота реагировать с цинком? Если будет, напишите уравнение реакции.
Для ответа на первый вопрос найдём в ряду активности металлов цинк. Он стоит левее водорода, следовательно, взаимодействие будет. Записываем уравнение:
Zn + Н2SO4 = ZnSO4 + H2
Пример 2.
Будет ли соляная кислота реагировать с алюминием? Если будет, напишите уравнение реакции.
Алюминий находится в ряду активности до водорода, поэтому реакция будет. Уравнение выглядит так:
Al + 6HCl = 2AlCl3 +3 H2
Пример 3.
Будет ли фосфорная кислота реагировать с серебром? Если будет, напишите уравнение реакции.
Серебро стоит в ряду активности металлов правее водорода, поэтому взаимодействия между фосфорной кислотой и серебром не будет.
2. Взаимодействие с оксидами.
Кислоты реагируют с основными оксидами (оксидами металлов) с образованием солей и воды. С кислотными оксидами (оксидами неметаллов) кислоты не реагируют.
Пример.
Запишите уравнение реакции между оксидом натрия и сернистой кислотой.
Na2O + H2SO3 = Na2SO3 + H2O
В данном случае мы наблюдаем реакцию обмена, когда два исходных реагента поменялись составными частями. В результате реакции между основным оксидом и кислотой всегда образуется соль и вода.
3. Взаимодействие с основаниями.
При взаимодействии кислот с основании также протекает реакция обмена, в результате которой образуются соль и вода.
Пример.
Запишите уравнение реакции между гидроксидом магния и азотной кислотой.
Mg(OH)2 + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + 2H2O
С другими кислотами кислоты не реагируют.
Также напомню, что существует особая группа гидроксидов – амфотерные. Они могут вести себя в зависимости от условий как основания или как кислоты.
Амфотерные гидроксиды при взаимодействии с кислотами ведут себя как основания и реагируют с кислотами с образованием соли и воды.
И это нужно запомнить.
Пример.
Запишите уравнение реакции между амфотерным гидроксидом железа (III) и соляной кислотой.
Как сказано чуть выше, с кислотами амфотерные гидроксиды реагируют как основания с образованием соли и воды, то есть здесь будет следующая реакция:
Fe(OH)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O
4. Взаимодействие с солями.
Кислоты могут реагировать с солями, если соль образована более слабой кислотой (к числу слабых относятся, например, угольная H2CO3 и сернистая H2SO3).
Пример.
Запишите уравнение реакции между карбонатом натрия и серной кислотой.
Карбонат – соль угольной кислоты, поэтому уравнение выглядит так:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2CO3.
Угольная кислота довольно нестойкая в обычных условиях и разлагается на углекислый газ и воды (особенно активно при повышении температуры) по такой схеме:
H2CO3 = H2O + CO2.
Пишите, пожалуйста, в комментариях, что осталось непонятным, и я обязательно дам дополнительные пояснения. Жалуйтесь на сложности в изучении школьного курса и говорите, что вас испугало в учебнике химии. И тогда следующая статья будет рассказывать именно об этой проблеме.
С разбавленными кислотами, которые проявляют
окислительные свойства за счет ионов водорода (разбавленные серная,
фосфорная, сернистая, все бескислородные и органические кислоты и др.)
реагируют металлы:
• расположенные в ряду напряжений до водорода (эти металлы способны
вытеснять водород из кислоты);
• образующие с этими кислотами растворимые соли (на поверхности этих металлов
не образуется защитная солевая
пленка).
В результате реакции образуются растворимые соли и выделяется водород:
2А1 + 6НСI = 2А1С13 + ЗН2↑
Мg
+ Н2SO4 =
МgSО4
+ Н2↑
разб.
Сu
+ Н2SO4 →X(так
как Сu
стоит после Н2)
разб.
РЬ + Н2SO4 →X(так
как РЬSO4
нерастворим
в воде)
разб.
Некоторые кислоты являются окислителями за счет элемента, образующего кислотный
остаток, К ним относятся концентрированная серная, а также азотная кислота
любой концентрации. Такие кислоты называют кислотами-окислителями.
Анионы
данных кислот содержат атомы серы и азота в высших степенях окисления
Окислительные свойства кислотных остатков и
значительно сильнее, чем нона водорода Н, поэтому азотная и концентрированная
серная кислоты взаимодействуют практически со всеми металлами, расположенными в
ряду напряжений как до водорода, так и после него, кроме золота и платины.
Так как окислителями в этих случаях являются ноны кислотных остатков (за
счет атомов серы и азота в высших степенях окисления), а не ноны водорода Н, то
при взаимодействии азотной, а концентрированной серной кислот с металлами
не выделяется водород. Металл под действием данных кислот окисляется до характерной
(устойчивой) степени окисления и образует соль, а продукт восстановления
кислоты зависит от активности металла и степени разбавления кислоты
Взаимодействие серной кислоты с металлами
Разбавленная и концентрированная серные кислоты ведут
себя по-разному. Разбавленная серная кислота ведет себя, как обычная
кислота. Активные металлы, стоящие в
ряду напряжений левее водорода
Li, К, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Cu,
Hg, Ag, Au
вытесняют водород из разбавленной серной кислоты. Мы
видим пузырьки водорода при добавлении разбавленной серной кислоты в пробирку с
цинком.
H2SO4
+ Zn = Zn SO4 + H2 ↑
Медь стоит в ряду напряжений после водорода – поэтому
разбавленная серная кислота не действует на медь. А в концентрированной серной
кислоты, цинк и медь, ведут себя таким образом…
Цинк, как активный металл, может образовывать с
концентрированной серной кислотой сернистый газ, элементарную серу, и даже
сероводород.
2H2SO4 + Zn = SO2↑
+ZnSO4 + 2H2O
Медь — менее активный металл. При взаимодействии с
концентрированно серной кислотой восстанавливает ее до сернистого газа.
2H2SO4
конц. + Cu = SO2↑ + CuSO4 + 2H2O
В пробирках с концентрированной серной кислотой
выделяется сернистый газа.
Следует иметь в виду, что на схемах указаны продукты,
содержание которых максимально среди возможных продуктов восстановления кислот.
На основании
приведенных схем составим уравнения конкретных реакций — взаимодействия меди и
магния с концентрированной серной кислотой:
0 +6
+2 +4
Сu
+ 2Н2SO4
= СuSO4
+ SO2
+ 2Н2O
конц.
0 +6 +2 -2
4Мg
+ 5Н2SO4
= 4МgSO4
+ Н2S
+ 4Н2O
конц.
Некоторые металлы (Fe.
АI, Сr)
не взаимодействуют с концентрированной серной и азотной кислотами при обычной
температуре, так как происходит пассивации металла.
Это явление связано с образованием на поверхности металла тонкой, но очень
плотной оксидной пленки, которая и защищает металл. По этой причине азотную и концентрированную
серную кислоты транспортируют в железных емкостях.
Если металл проявляет переменные степени окисления, то с кислотами, являющимися
окислителями за счет ионов Н+, он образует соли, в которых его
степень окисления ниже устойчивой, а с кислотами-окислителями — соли, в которых
его степень окисления более устойчива:
0 +2
Fе+Н2SO4=
FеSO4+Н2
0 разб. +3
Fе+Н2SO4=
Fе2(SO4)3 + 3SO2 + 6Н2O
конц
И.И.Новошинский
Н.С.Новошинская
Химия
не забудь….) поделиться с друзьями
В уроке 24 «Выделение водорода в реакциях кислот с металлами» из курса «Химия для чайников» познакомимся с рядом активности металлов, а также больше узнаем о кислотах в химических реакциях.
Характерное химическое свойство кислот — выделение из них водорода в реакциях с некоторыми металлами. Атомы металлов замещают атомы водорода в молекулах кислот, в результате чего водород выделяется в виде газа. В пробирку с хлороводородной кислотой опустим кусочек цинка. На поверхности металла образуются, а затем выделяются из раствора пузырьки газа. Соберем этот газ в пробирку и поднесем ее к пламени спиртовки (рис. 100). Мы услышим хлопок. Это свидетельствует о наличии в пробирке водорода.
Каплю образовавшегося раствора поместим на стеклянную пластинку и подогреем ее в пламени спиртовки. После испарения воды на пластинке остается вещество белого цвета. Опытным путем можно установить, что состав этого вещества выражается формулой ZnCl2.
Теперь мы можем записать уравнение реакции цинка с кислотой:
На рисунке 101 дана схема этой реакции. Из уравнения и поясняющей его схемы видим, что атомы цинка замещают атомы водорода в кислоте. В результате из простого вещества цинка и сложного вещества хлороводородной кислоты образуются два новых: сложное вещество ZnCl2 и простое вещество водород Н2.
Так же протекают реакции алюминия, железа, других металлов и с раствором серной кислоты:
Эти химические реакции подтверждают, что кислоты являются сложными веществами, состоящими из атомов водорода,
способных замещаться на атомы металла, и кислотных остатков.
Вытеснительный ряд металлов
При проведении опыта вы убедились, что алюминий энергично вытесняет водород из раствора хлороводородной кислоты. С железом реакция вытеснения водорода протекает менее энергично, а с медью вовсе не идет.
По интенсивности вытеснения водорода из кислот металлы можно разместить в ряд:
Его называют рядом активности или вытеснительным рядом металлов.
Чем левее расположен металл в вытеснительном ряду до водорода (Н2), тем активнее он вытесняет водород из кислот. Металлы, стоящие в ряду правее водорода, из кислот водород не вытесняют.
Зная расположение металлов в вытеснительном ряду, заранее можно предсказать:
- Будут ли реагировать металлы с кислотами с выделением водорода;
- Насколько активно будут протекать эти реакции.
Для получения водорода из кислот в лаборатории или школьном кабинете химии необходимо брать металлы, которые в вытеснительном ряду стоят до водорода. Но не каждый металл подходит для этих целей. Активные металлы натрий и калий реагируют с кислотами со взрывом, а реакции кислот с оловом и свинцом протекают медленно. Наиболее подходящими металлами для практического получения водорода являются цинк и алюминий. Как вы убедились, при проведении реакций этих металлов с раствором хлороводородной кислоты они протекают спокойно и достаточно быстро.
Краткие выводы урока:
- Кислоты — сложные вещества, состоящие из атомов водорода, способных замещаться на атомы металлов, и кислотных остатков.
- Металлы, стоящие в вытеснительном ряду до водорода, вытесняют его из кислот.
- В лаборатории водород получают в реакции металлов с кислотами.
Надеюсь урок 24 «Выделение водорода в реакциях кислот с металлами» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
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