În reacțiile chimice, metalele acționează ca agenți reducători
Me - ne - = Me + n este procesul de oxidare,
unde Me este atomul de metal, e este un electron, Me n + este un ion metalic încărcat pozitiv cu o sarcină de n +.
Acest lucru se explică prin faptul că atomii de metal au un număr mic de electroni la nivelul energiei externe (în principal 1, 2 și 3). Excepțiile sunt germaniu (Ge), staniu (Sn), plumb (Pb), pe stratul exterior din care 4 electroni. În acest sens, metalele au un potențial scăzut de ionizare. Potențialul de ionizare este cantitatea de energie necesară pentru a detașa un electron de un atom. Cu cat este mai mica, cu atat este mai usor pentru metale sa elibereze electroni si cu cat mai reactivi au. Valorile cele mai scăzute ale potențialului de ionizare se găsesc în metalele alcaline, care sunt cei mai eficienți agenți reducători.
Interacțiunea metalelor cu oxigen. Oxigenul oxidează aproape toate metalele, în special când este încălzit. În acest caz, oxizi
Metalele alcaline în timpul arderii în aer formează peroxizi și superperoxiduri: (Na2O2, KO2, RbO2). Cu toate acestea, multe metale (Cr, Al, Be, Mg, Ti, etc.) Intr-o stare compactă la temperaturi obișnuite, stabile la oxigen, deoarece cel mai subțire acoperit cu un strat de oxid care îl protejează de oxidare în continuare. Aurul (Au), platina (Pt) și parțial argintul (Ag) nu reacționează cu oxigenul.
În soluțiile apoase, activitatea chimică a unui metal este determinată pe baza unui număr de solicitări sau a unui număr de potențiale electrod standard ale metalelor (Tabelul 2).
În seria de solicitări, metalele sunt aranjate în ordinea cresterii mărimii algebrice a potențialului lor standard, prin urmare scăderea activității reducătoare a atomilor de metal și creșterea activității oxidative a ionilor metalici.
Prin urmare, fiecare metal restaurează toate metalele din spatele lui din soluțiile sărurilor lor.
Potențialele standard ale electrozilor metalici (T = 298 K)
De exemplu, zincul va restabili din soluțiile de sare doar cationii metalici care se află în seria de solicitări după aceasta:
Zn - 2e - → oxidarea Zn 2+
Ni 2+ + 2e - → Reducerea Ni,
iar reacția Zn + MgSO4 → este imposibilă.
În seria potențialelor de electrod standard ale metalelor, este posibil să se distingă:
- metale active (Li, K, Rb, Cs, Ba, Ca, Na, Mg, Be, Al);
- metale cu activitate medie (Ti, Mn, Zn, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb);
- Metale puțin active (Cu, Ag, Hg, Pd, Pt, Au), în picioare după hidrogen.
Interacțiunea metalelor cu apă. Agentul de oxidare în apă este în mod formal ionul de hidrogen. Deoarece concentrația ionilor de H + în apă este de 10 - 7 mol / l, calculul potențialului electrodului hidrogen din formula Nernst conduce la:
Prin urmare, hidrogenul din apă poate înlocui metalele având un potențial mai mic de -0,41 V, adică partea frontală a cadmiului
(vezi tabelul 2). În practică, numai metalele alcaline și alcalino-pământoase interacționează cu apa, magneziu la încălzire:
Acest lucru se explică prin faptul că condiția necesară pentru reacția dintre metal și apă este îndepărtarea filmului de oxid de pe suprafața acestuia, de exemplu, prin reacția
În acest caz se formează un hidroxid solubil în apă. Dacă filmul de suprafață al metalului nu poate fi îndepărtat de apă din cauza insolubilității hidroxidului corespunzător (Zn (OH) 2. Fe (OH) 2, etc.), reacția nu va trece. Astfel de metale (Zn, Fe) pot reacționa cu vaporii de apă la încălzire, deoarece la temperaturi ridicate filmul de suprafață se prăbușește:
Interacțiunea metalelor cu acid clorhidric (acid clorhidric). Agentul de oxidare în acid clorhidric, precum și în apă, este un ion de hidrogen. Potențialul electrodului standard al electrodului de hidrogen este egal cu zero. Prin urmare, toate metalele active și metalele cu activitate medie reacționează cu acidul cu evoluția hidrogenului
Dar, în interacțiunea plumbului cu acid clorhidric, clorura de plumb (II) formată la începutul reacției este puțin solubilă în apă și, rămasă pe suprafața metalului, o protejează de accesarea unor porțiuni noi de acid:
Ca urmare, reacția se oprește.
Interacțiunea cu acidul sulfuric diluat.
Acidul sulfuric diluat, precum și acidul clorhidric, se oxidează cu ionul său de hidrogen. Ea interacționează numai cu acele metale ale căror potențiale electrodice sunt mai mici decât cele ale hidrogenului, de exemplu,
iar reacția plumbului cu acid sulfuric diluat încetează rapid, deoarece sarea PbS04 rezultată este insolubilă și creează un film de protecție pe suprafața metalică.
Interacțiunea cu acid sulfuric concentrat.
Acidul sulfuric concentrat ca agent oxidant acționează de sulf în stare de oxidare +6, o parte a ionului sulfat metale SO 2- 4. în acest sens, un acid concentrat este oxidate, al cărui potențial de electrod standard este mai mică decât potențialul electrodului oxidant. Valoarea maximă a potențialului de electrod în procesele de electrod implică ionul sulfat ca oxidant este egal cu 0,36 V. Prin urmare, cu acid sulfuric concentrat reacționează și unele metale mai puțin active:
În funcție de activitatea metalică, temperatura, concentrația de acid, produsele de reducere a acesteia pot fi H2S, S și SO2. Este adevărat că cu cât metalul este mai activ, cu atât este mai mare gradul de reducere a acidului.
Interacționând cu metalele active (Li-Mg în seria de solicitări), acidul este redus la hidrogen sulfurat (H2S)
În reacțiile cu metale slab active (Cu, Ag) se formează întotdeauna gaz SO2. și argintul se dizolvă în acid fierbinte
Metalele cu activitate medie (Zn, Sn, Pb etc.) reacționează cu acidul sulfuric concentrat pentru a elibera S sau S02
Aceste reacții arată că staniu este oxidat la starea tetravalentă pentru a forma sulfatul stanos (IV) și plumbul este oxidat la starea bivalent cu formarea de hidrogensulfat plumb solubil.
Metalele cum ar fi Al, Fe, Cr în condiții obișnuite cu acid sulfuric, a căror concentrație este aproape de 100%, sunt pasivate. Pasivarea este fenomenul formării unui film de protecție pe suprafața metalică sub acțiunea agenților puternici de oxidare. În cele mai multe cazuri, pasivizarea joacă un rol pozitiv, protejând metalul de distrugere. Datorită pasivării, acidul sulfuric este transportat în cisterne de oțel.
Interacțiunea cu acidul azotic diluat.
În acidul azotic, agentul de oxidare este azot în stare de oxidare +5. Valoarea potențialului de electrod pentru ionul nitrat NO-3 al acidului diluat ca oxidant este de 0,96 V, adică este mai mare în comparație cu ionul sulfat SO2 4. Aceasta indică faptul că acidul azotic este un oxidant mai puternic decât acidul sulfuric. Într-adevăr, el oxidează chiar și argintul. Acidul azotic este restaurat mai adânc, cu cât este mai activ metalul și cu atât este mai scăzută concentrația acestuia:
Active Li - Al
Dacă metalul are stări stabile de oxidare ridicată, reacția nu produce nitrați, ci oxizi sau chiar acizi, de exemplu,
Acidul nitric concentrat (concentrație mai mare de 70%) are un grad mai mare de pasivare în comparație cu acidul sulfuric și nu reacționează în condiții normale cu Al, Ti, Fe, Cr. Prin urmare, acidul azotic concentrat este, de asemenea, transportat în recipiente din oțel sau aluminiu.
Interacțiunea cu "vodca regală". Proprietățile de oxidare ale acidului azotic sunt sporite atunci când se adaugă acid clorhidric concentrat. Cel mai mare efect este observat cu raportul HNO3: HCl = 1: 3. Acest amestec se numește "vodcă regală". Prin acțiunea "vodcă regală" se dizolvă aurul și platina
Interacțiunea cu soluții de alcalii. Metalele alcaline nu se pot oxida, deoarece metalele alcaline sunt unul dintre cei mai puternici agenți reducători, iar ionii lor sunt unul dintre cei mai slabi oxidanți. Cu toate acestea, în prezența alcalinilor, acțiunea oxidantă a apei se poate manifesta într-o măsură mai mare decât în absența lor. Când se oxidează metalele cu apă, se formează hidroxizi și hidrogen. Dacă oxidul și hidroxidul sunt compuși amfoterici, aceștia se vor dizolva într-o soluție alcalină. Ca rezultat, metalele pasive din apa pură pot interacționa energic cu soluții de alcalii:
H2O (oxidant H +) + alcaline (de exemplu, NaOH)