Химические свойства неметаллов.

Неметаллы имеют атомное или молекулярное строение. Для них характерны невысокие температуры плавления и кипения, неспособность проводить электрический ток. Неметаллы вступают в реакции с металлами, водородом, кислородом и преимущественно являются окислителями. Большинство неметаллов используют в технике, химической промышленности.

Неметаллы в химических реакциях могут быть восстановителями и окислителями (фтор, кислород).

Взаимодействие неметаллов с металлами

2Na + Cl 2 = 2NaCl ,

Fe + S = FeS ,

6Li + N 2 = 2Li 3 N ,

2Ca + O 2 = 2CaO

2. Взаимодействие неметаллов с углеродом. Для углерода более характерны реакции, в которых он проявляет восстановительные свойства. Это имеет место при полном сгорании углерода любой аллотропической модификации

C + 2Cl 2 = CCl 4 .

Продуктами взаимодействия двух неметаллов являются вещества с различным агрегатным состоянием, что имеют ковалентный тип химической связи, общие электронные пары которого смещаются к атому более электроотрицательного неметаллического элемента.

3. Взаимодействие неметаллов с водородом:

3H 2 + N 2 = 2NH 3 ,

H 2 + Br 2 = 2HBr ;

4. Взаимодействие неметаллов с другими неметаллами:

S + 3F 2 = SF 6 ,

S + O 2 = SO 2 ,

4P + 5O 2 = 2P 2 O 5 ;

5. Взаимодействие металлов с углеродом .

При обычной температуре углерод весьма инертен. Его химическая активность проявляется лишь при высоких температурах. Соединения углерода с металлами называются карбидами .

4А1 + ЗС = АІ 4 C 3 (Карбид алюминия)

Физические и химические свойства водорода H 2 . Молекула Н 2 содержит неполярную σ-связь. Бесцветный газ, без запаха и вкуса, устойчив к нагреванию до 2000 °С. Практически не растворяется в воде.

Физические константы: M r = 2,016, ρ = 0,09 г/л (н.у.), t пл = −259,19 °C, t кип = −252,87 °C.

Водород Н 2 может проявлять в одних условиях восстановительные свойства (чаще), в других условиях - окислительные свойства (реже):

восстановитель H 2 0 - 2e − = 2H I

окислитель H 2 0 + 2e − = 2H −I

Реагирует с неметаллами, металлами, оксидами (обычно при нагревании):

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

H 2 + CuO = Cu + H 2 O

H 2 + Ca = CaH 2

Качественная реакция на водород - сгорание с "хлопком" собранного в пробирку газа.

Водородные соединения неметаллов.

В отличие от металлов неметаллы образуют газообразные водородные соединения. Их состав зависит от степени окисления неметаллов.

-4	-3	-2	-1
RH 4 →	RH 3 →	H 2 R →	HR

Выводы:

1.Элементы-неметаллы расположены в главных подгруппах III–VIII групп ПС Д.И. Менделеева, занимая её верхний правый угол. 2.На внешнем электронном слое атомов элементов-неметаллов находятся от 3 до 8 электронов.

Лекция 24

Неметаллы.

План лекции:

Неметаллы – простые вещества

Положение неметаллов в периодической системе

Число элементов-неметаллов значительно меньше, чем элементов-металлов Типичными неметаллическими свойствами обладают десять химических элементов (Н, С, N, Р, О, S, F, Cl, Br, I). Шесть элементов, которые обычно относят к неметаллам, проявляют двойственные (и металлические, и неметаллические) свойства (В, Si, As, Se, Те, At). И еще 6 элементов в последнее время стали включать в список неметаллов. Это так называе­мые благородные (или инертные) газы (Не, Ne, Аг, Кг, Хе, Rn). Итак, 22 из известных химических эле­ментов принято относить к неметаллам.

Элементы, проявляющие неметаллические свойства в периодической системе располагаются выше диагонали бор-астат (рис. 26).

Атомы большинства неметаллов, в отличие от ато­мов металлов, на внешнем электронном слое имеют боль­шое число электронов - от 4 до 8. Исключение состав­ляют атомы водорода, гелия, бора, которые имеют на внешнем уровне 1, 2 и 3 электрона соответственно.

Среди неметаллов только два элемента - водород (1s 1) и гелий (1s 2) относятся к s-семейству, все остальные при­надлежат к р -семейству.

Атомы типичных неметаллов (A) характеризуются высокой электроотрицательностью и большим сродством к электрону, что обусловливает их способность образо­вывать отрицательно заряженные ионы с электронными конфигурациями соответствующих инертных газов:

А 0 + nê → А n -

Эти ионы входят в состав ионных соединений неме­таллов с типичными металлами. Отрицательные степени окисления неметаллы имеют также в ковалентных соединениях с другими менее элек­троотрицательными неметаллами (в частности, с водоро­дом).

Атомы неметаллов в ковалентных соединениях с бо­лее электроотрицательными неметаллами (в частности, с кислородом) имеют положительные степени окисления. Высшая положительная степень окисления неметалла , как правило, равна номеру группы , в которой он нахо­дится.

Неметаллы – простые вещества

Несмотря на небольшое число элементов-неметаллов, их роль и значение как на Земле, так и в космосе огром­ны. 99% массы Солнца и других звезд составляют неме­таллы водород и гелий. Воздушная оболочка Земли со­стоит из атомов неметаллов - азота, кислорода и благо­родных газов. Гидросфера Земли образована одним из важнейших для жизни веществ - водой, молекулы ко­торой состоят из неметаллов водорода и кислорода. В живой материи главенствуют 6 неметаллов - углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера.

При обычных условиях вещества-неметаллы суще­ствуют в разных агрегатных состояниях:

1) газы: водород Н 2 , кислород О 2 , азот N 2 , фтор F 2 , хлор С1 2 , инертные газы: Не, Ne, Ar, Кг, Хе, Rn

2) жидкости: бром Вг 2

3) твердые вещества йод I 2 , углерод С, кремний Si, сера S, фосфор Р и др.

Семь элементов-неметаллов образуют простые веще­ства, существующие в виде двухатомных молекул Э 2 (водород Н 2 , кислород О 2 , азот N 2, фтор F 2 , хлор С1 2 , бром Вг 2, йод I 2) .

Так как в кристаллической решетке неметаллов между атомами нет свободных электронов, они отличаются по физическим свойствам от металлов:

¾ не имеют блеска;

¾ хрупкие, имеют различную твердость;

¾ плохо проводят тепло и электричество.

Твердые вещества-неметаллы в воде практически не­растворимы; газообразные О 2 , N 2 , Н 2 и галогены облада­ют очень малой растворимостью в воде.

Для ряда неметаллов характерна аллотропия - явление су­ществование одного элемента в виде нескольких простых веществ. Аллотропные модификации извес­тны для кислорода (кислород О 2 и озон О 3), серы (ромбичес­кая, моноклинная и пластическая), фосфора (белый, крас­ный и черный), углерода (графит, алмаз и карбин и др.), крем­ния (кристаллический и аморфный).

Химические свойства неметаллов

По химической активности неметаллы существенно различаются между собой. Так, азот и благородные газы, в химические реакции вступают только при очень жестких условиях (высокое давление и температура, наличие катализатора).

Наиболее химически активными неметаллами явля­ются галогены, водород и кислород. Сера, фосфор, а осо­бенно углерод и кремний реакционноспособны только при повышенных температурах.

Неметаллы в химических реакциях проявляют и окис­лительные, и восстановительные свойства. Наиболее высокая окислительная способность характерна для га­логенов и кислорода. У таких неметаллов, как водород, углерод, кремний, преобладают восстановительные свой­ства.

I. Окислительные свойства неметаллов:

1. Взаимодействие с металлами. При этом образуются бинарные соединения: с кислородом – оксиды, с водородом – гидриды, азотом – нитриды, галогенами – галогениды и т.д.:

2Cu + O 2 → 2CuO

2Fe + 3Cl 2 → 2FeCl 3

2. Взаимодействие с водородом. Неметаллы выступают в качестве окислителей и в реакциях с водородом, образуя при этом летучие водородные соеди­нения:

Н 2 + С1 2 → 2НС1

N 2 + 3Н 2 → t, p, кат. 2NH 3

3. Взаимодействие с неметаллами. Неметаллы проявляют окислительные свойства также в реакциях с менее электроотрицательными неметаллами:

2Р + 5С1 2 → 2РС1 5 ;

С + 2S → CS 2 .

4. Взаимодействие со сложными веществами. Окислительные свойства неметаллов могут проявляться и в реакциях со сложными веществами. Например, вода го­рит в атмосфере фтора:

2F 2 + 2Н 2 О → 4HF + О 2 .

II. Восстановительные свойства неметаллов

1. Взаимодействие с неметаллами . Восстановительные свойства неметаллы могут проявлять по отношению к неметаллам с большей электроотрицатель­ностью, и в первую очередь по отношению к фтору и кисло­роду:

4Р + 5О 2 → 2Р 2 О 5 ;

N 2 + О 2 → 2NO

2. Взаимодействие со сложными веществами. Некоторые неметаллы могут являться восстановителя­ми, что позволяет применять их в металлургическом произ­водстве:

С + ZnO → Zn + СО;

5Н 2 + V 2 О 5 → 2V + 5Н 2 О.

SiО 2 + 2С → Si + 2СО.

Восстановительные свойства неметаллы проявляют при взаимодействии со сложными веществами - сильными окис­лителями, например:

3S + 2КСlO 3 → 3SO 2 + 2КС1;

6Р + 5КСlO 3 → ЗР 2 O 5 + 5КС1.

С + 2H 2 SО 4 → СО 2 + 2SО 2 + 2Н 2 О;

3Р + 5HNО 3 + 2Н 2 О → ЗН 3 РО 4 + 5NO.

Общие способы получения неметаллов

Некоторые неметаллы встречаются в природе в свободном состоянии: это сера, кислород, азот, благородные газы. В первую очередь простые вещества - не­металлы входят в состав воздуха.

Большие количества газообразных кислорода и азота получают ректификацией воздуха (разделением).

Наиболее активные неме­таллы - галогены - получа­ют электролизом расплавов или растворов из соедине­ний. В промышленности с помощью электролиза в больших количествах получают одновременно три важнейших про­дукта: ближайший аналог фтора - хлор, водород и гидро­ксид натрия. В качестве электролита используют раствор хлори­да натрия, подаваемый в электролизер сверху.

Более подробно способы получения неметаллов будут рассмотрены далее, в соответствующих лекциях.

Неметаллы – химические элементы, которые имеют типичные неметаллические свойства и располагаются в правом верхнем углу Периодической системы. Какие же свойства присущи этим элементам, и с чем реагируют неметаллы?

Неметаллы: общая характеристика

Неметаллы отличаются от металлов тем, что на внешнем энергетическом уровне они имеют большее количество электронов. Поэтому их окислительные свойства выражены сильнее, чем у металлов. Неметаллы характеризуются высокими значениями электроотрицательности и высокий восстановительный потенциал.

К неметаллам относятся химические элементы, которые находятся в газообразном, жидком или твердом агрегатном состоянии. Так, например, азот, кислород, фтор, хлор, водород – газы; йод, сера, фосфор – твердые; бром – жидкость (при комнатной температуре). Всего существует 22 неметалла.

Рис. 1. Неметаллы – газы, твердые, жидкости.

С увеличением заряда ядра атома наблюдается закономерность изменения свойств химических элементов от металлических к неметаллическим.

Химические свойства неметаллов

Водородные свойства неметаллов в основном являются летучими соединениями, которые в водных растворах имеют кислотный характер. Они имеют молекулярные структуры, а также ковалентную полярную связь. Некоторые, например, вода, аммиак или фтороводород образуют водородные связи. Соединения образуются при непосредственном взаимодействии неметаллов с водородом. Пример:

S+H 2 =H 2 S (до 350 градусов равновесие смещено вправо)

Все водородные соединения имеют восстановительные свойства, причем их восстановительная сила возрастает справа налево по периоду и сверху вниз в группе. Так, сероводород сгорает при большом количестве кислорода:

2H 2 S+3O 3 =2SO 2 +2H 2 O+1158 кДж.

Окисление может идти по другому пути. Так, уже на воздухе водный раствор сероводорода мутнеет в результате образования серы:

H 2 S+3O 2 =2S+2H 2 O

Соединения неметаллов с кислородом, как правило, являются кислотными оксидами, которым соответствуют кислородосодержащие кислоты (оксокислоты). Структура оксидов типичных неметаллов молекулярная.

Чем выше степень окисления неметалла, тем сильнее соответствующая кислородосодержащая кислота. Так, хлор непосредственно не взаимодействует с кислородом, однако образует ряд оксокислот, которым соответствуют оксиды, ангидриды этих кислот.

Наиболее известны такие соли этих кислот, как хлорная известь CaOCl 2 (смешанная соль хлорноватистой и хлороводородной кислот), бертолетова соль KClO 3 (хлорат калия).

Азот в оксидах проявляет положительные степени окисления +1, +2, +3, +4, +5. Первые два оксида N 2 O и NO – несолеобразующие и являются газами. N 2 O 3 (оксид азота III) – является ангидридом азотистой кислоты HNO 2 . Оксид азота IV – бурый газ NO 2 – газ, который хорошо растворяется в воде, образуя при этом две кислоты. Этот процесс можно выразить уравнением:

2NO 2 +H 2 O=HNO 3 (азотная кислота)+HNO 2 (азотистая кислота) – окислительно-восстановительная реакция диспропорционирования

Рис. 2. Азотистая кислота.

Ангидрид азотной кислоты N 2 O 5 – белое кристаллическое вещество, которое легко растворяется в воде. Пример:

N 2 O 5 +H 2 O=2HNO 3

Соли азотной кислоты называются селитрами, они растворимы в воде. Соли калия, кальция, натрия используют для получения азотных удобрений.

Фосфор образует оксиды, проявляя степени окисления +3 и +5. Наиболее устойчивый оксид – фосфорный ангидрид P 2 O 5 , образующий молекулярную решетку, в узлах которой находятся димеры P 4 O 10 . Соли ортофосфорной кислоты применяются в качестве фосфорных удобрений, например, аммофос NH 4 H 2 PO 4 (дигидрофосфат аммония).

Таблица расположения неметаллов

Группа	I	III	IV	V	VI	VII	VIII
Первый период	H						He
Второй период		B	C	N	O	F	Ne
Третий период			Si	P	S	Cl	Ar
Четвертый период				As	Se	Br	Kr
Пятый период					Te	I	Xe
Шестой период						At	Rn

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛОВ С НЕМЕТАЛЛАМИ

Неметаллы проявляют окислительные свойства в реакциях с металлами, принимая от них электроны и восстанавливаясь.

Взаимодействие с галогенами

Галогены (F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 ) являются сильными окислителями, поэтому с ними взаимодействуют все металлы при обычных условиях:

2 Me + n Hal 2 → 2 MeHal n

Продуктом такой реакции является соль – галогенид металла (MeF n -фторид, MeCl n -хлорид, MeBr n -бромид, MeI n -иодид). При взаимодействии с металлом галоген восстанавливается до низшей степени окисления (-1), а n равно степени окисления металла.

Скорость реакции зависит от химической активности металла и галогена. Окислительная активность галогенов снижается по группе сверху вниз (от F к I ).

Взаимодействие с кислородом

Кислородом окисляются почти все металлы (кроме Ag , Au , Pt ), при этом происходит образование оксидов Me 2 O n .

Активные металлы легко при обычных условиях взаимодействуют с кислородом воздуха.

2 Mg + O 2 → 2 MgO (со вспышкой)

Металлы средней активности также реагируют с кислородом при обычной температуре. Но скорость такой реакции существенно ниже, чем при участии активных металлов.

Малоактивные металлы окисляются кислородом при нагревании (горение в кислороде).

Оксиды металлов по химическим свойствам можно разделить на три группы:

1. Осно́вные оксиды (Na 2 O , CaO , Fe II O , Mn II O , Cu I O и др.) образованы металлами в низких степенях окисления (+1, +2, как правило, ниже +4). Основные оксиды взаимодействуют с кислотными оксидами и кислотами с образованием солей:

CaO + CO 2 → CaCO 3

CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O

2. Кислотные оксиды (Cr VI O 3 , Fe VI O 3 , Mn VI O 3 , Mn 2 VII O 7 и др.) образованы металлами в высоких степенях окисления (как правило, выше +4). Кислотные оксиды взаимодействуют с основными оксидами и основаниями с образованием солей:

FeO 3 + K 2 O → K 2 FeO 4

CrO 3 + 2KOH → K 2 CrO 4 + H 2 O

3. Амфотерные оксиды (BeO , Al 2 O 3 , ZnO , SnO , MnO 2 , Cr 2 O 3 , PbO , PbO 2 и др.) имеют двойственную природу и могут взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями:

Cr 2 O 3 + 3H 2 SO 4 → Cr 2 (SO 4) + 3H 2 O

Cr 2 O 3 + 6NaOH → 2Na 3

Взаимодействие с серой

С серой взаимодействуют все металлы (кроме Au ), образуя соли – сульфиды Me 2 S n . При этом сера восстанавливается до степени окисления «-2». Платина (Pt ) взаимодействует с серой только в мелкораздробленном состоянии. Щелочные металлы, а также Ca и Mg реагируют с серой при нагревании со взрывом. Zn , Al (в порошке) и Mg в реакции с серой дают вспышку. В направлении слева направо в ряду активности скорость взаимодействия металлов с серой убывает.

Взаимодействие с водородом

С водородом некоторые активные металлы образуют соединения – гидриды:

2 Na + H 2 → 2 NaH

В этих соединениях водород находится в редкой для него степени окисления «-1».

Е.А. Нуднoва, М.В. Андрюxова

Если в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп, выделены синим цветом), а справа вверху – элементы-неметаллы (выделены желтым цветом). Элементы, расположенные вблизи диагонали – полуметаллы или металлоиды (B, Si, Ge, Sb и др.), обладают двойственным характером (выделены розовым цветом).

Как видно из рисунка, подавляющее большинство элементов являются металлами.

По своей химической природе металлы – это химические элементы, атомы которых отдают электроны с внешнего или предвнешнего энергетического уровней, образуя при этом положительно заряженные ионы.

Практически все металлы имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов (от 1 до 3) на внешнем энергетическом уровне. Для металлов характерны низкие значения электроотрицательности и восстановительные свойства.

Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (начиная со второго), далее слева направо металлические свойства ослабевают. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются, т.к увеличивается радиус атомов (за счет увеличения числа энергетических уровней). Это приводит к уменьшению электроотрицательности (способности притягивать электроны) элементов и усилению восстановительных свойств (способность отдавать электроны другим атомам в химических реакциях).

Типичными металлами являются s-элементы (элементы IА-группы от Li до Fr. элементы ПА-группы от Мg до Rа). Общая электронная формула их атомов ns 1-2 . Для них характерны степени окисления + I и +II соответственно.

Небольшое число электронов (1-2) на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает легкую потерю этих электронов и проявление сильных восстановительных свойств, что отражают низкие значения электроотрицательности. Отсюда вытекает ограниченность химических свойств и способов получения типичных металлов.

Характерной особенностью типичных металлов является стремление их атомов образовывать катионы и ионные химические связи с атомами неметаллов. Соединения типичных металлов с неметаллами — это ионные кристаллы «катион металлаанион неметалла», например К + Вг — , Сa 2+ О 2-. Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами — гидроксидов и солей, например Мg 2+ (OН —) 2 , (Li +)2СO 3 2-.

Металлы А-групп, образующие диагональ амфотерности в Периодической системе Ве-Аl-Gе-Sb-Ро, а также примыкающие к ним металлы (Gа, In, Тl, Sn, Рb, Вi) не проявляют типично металлических свойств. Общая электронная формула их атомов ns 2 np 0-4 предполагает большее разнообразие степеней окисления, большую способность удерживать собственные электроны, постепенное понижение их восстановительной способности и появление окислительной способности, особенно в высоких степенях окисления (характерные примеры — соединения Тl III , Рb IV , Вi v). Подобное химическое поведение характерно и для большинства (d-элементов, т. е. элементов Б-групп Периодической системы (типичные примеры — амфотерные элементы Сr и Zn).

Это проявление двойственности (амфотерности) свойств, одновременно металлических (основных) и неметаллических, обусловлено характером химической связи. В твердом состоянии соединения нетипичных металлов с неметаллами содержат преимущественно ковалентные связи (но менее прочные, чем связи между неметаллами). В растворе эти связи легко разрываются, а соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично). Например, металл галлий состоит из молекул Ga 2 , в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути (II) АlСl 3 и НgСl 2 содержат сильно ковалентные связи, но в растворе АlСl 3 диссоциирует почти полностью, а НgСl 2 — в очень малой степени (да и то на ионы НgСl + и Сl —).

Общие физические свойства металлов

Благодаря наличию свободных электронов («электронного газа») в кристаллической решетке все металлы проявляют следующие характерные общие свойства:

1) Пластичность — способность легко менять форму, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.

2) Металлический блеск и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл светом.

3) Электропроводность . Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение «электронного газа».

4) Теплопроводность. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность — у висмута и ртути.

5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.

6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома. Самый легкий — литий (ρ=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (ρ=22,6 г/см3). Металлы, имеющие плотность менее 5 г/см3 считаются «легкими металлами».

7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.

Общие химические свойства металлов

Сильные восстановители: Me 0 – nē → Me n +

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

I. Реакции металлов с неметаллами

1) С кислородом:
2Mg + O 2 → 2MgO

2) С серой:
Hg + S → HgS

3) С галогенами:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2

4) С азотом:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2

5) С фосфором:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2

6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
2Li + H 2 → 2LiH

Ca + H 2 → CaH 2

II. Реакции металлов с кислотами

1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:

Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2

2Al+ 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2 ­

2) С кислотами-окислителями:

При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется!

Zn + 2H 2 SO 4(К) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

4Zn + 5H 2 SO 4(К) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O

3Zn + 4H 2 SO 4(К) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O

2H 2 SO 4(к) + Сu → Сu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O

10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

4HNO 3 (к) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

III. Взаимодействие металлов с водой

1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание (щелочь) и водород:

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:

Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2 ­

3) Неактивные (Au, Ag, Pt) — не реагируют.

IV. Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:

Cu + HgCl 2 → Hg+ CuCl 2

Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4

В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси - сплавы , в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь ) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем — дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) — это широко известные чугун и сталь.

Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой , в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.

Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка (ржавчина ), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.

Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией . Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Ве, Вi, Со, Fе, Мg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте — металлы А1, Ве, Вi, Со, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ, Тh и U.

При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Nа + , Са 2+ ,А1 3+ ,Fе 2+ и Fе 3+)

Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Сu, Аg и Нg — только серной (концентрированной) и азотной кислотами, а Рt и Аи — «царской водкой».

Коррозия металлов

Нежелательным химическим свойством металлов является их , т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.

Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СО 2 и SО 2 ; создается кислотная среда, и катионы Н + вытесняются активными металлами в виде водорода Н 2 (водородная коррозия ).

Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов (контактная коррозия). Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или Сu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (Sn, Сu), и более активный металл разрушается (корродирует).

Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).

Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении ; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром (нержавеющая сталь ), имеют высокую коррозионную стойкость.

электрометаллургия , т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов солей;

пирометаллургия , т. е. восстановление металлов из руд при высокой температуре (например, получение железа в доменном процессе);

гидрометаллургия , т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора СuSO 4 действием цинка, железа или алюминия).

В природе иногда встречаются самородные металлы (характерные примеры — Аg, Аu, Рt, Нg), но чаще металлы находятся в виде соединений (металлические руды ). По распространенности в земной коре металлы различны: от наиболее распространенных — Аl, Nа, Са, Fе, Мg, К, Тi) до самых редких — Вi, In, Аg, Аu, Рt, Rе.