Химические свойства металлов
Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы.
Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены только положительно. Поэтому металлы называются «электроположительными» элементами, в отличие от «электроотрицательных» элементов — металлоидов, для которых более характерна способность присоединять электроны.
Удельный вес и температура плавления некоторых металлов
| Название | Атомный
вес |
Удельный
вес |
Темп, пл
в °С |
| Легкие металлы | |||
| литий | 6,940 | 0,53 | 186 |
| калий | 39,100 | 0,86 | 63 |
| натрий | 22,991 | 0,97 | 97,7 |
| кальций | 40,08 | 1,54 | 851 |
| магний | 24,32 | 1,74 | 651 |
| цезий | 132,91 | 1,9 | 28 |
| алюминий | 26,98 | 2,70 | 660,1 |
| барий | 137,36 | 3,5 | 704 |
| Тяжелые металлы | |||
| хром | 52,01 | 7,14 | 1800 |
| цинк | 65,38 | 7,14 | 419,5 |
| олово | 118,70 | 7,30 | 231,9 |
| марганец | 54,94 | 7,4 | 1250 |
| железо | 55,85 | 7,87 | 1539 |
| кадмий | 112,41 | 8,65 | 320,9 |
| никель | 58,71 | 8,9 | 1453 |
| медь | 63,54 | 8,9 | 1083,2 |
| висмут | 209,00 | 9,8 | 271,3 |
| серебро | 107,880 | 10,49 | 960,8 |
| свинец | 207,21 | 11,34 | 327,4 |
| ртуть | 200,61 | 13,55 | — 38,87 |
| вольфрам | 183,86 | 19,3 | 3380 |
| золото | 197,0 | 19,3 | 1063 |
| платина | 195,09 | 21,45 | 1769 |
| осмий | 190,2 | 22,6 | 2700 |
Почему типичные металлы восстановители
Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями.
Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.
Для сравнительного изучения активности металлов можно воспользоваться различными реакциями. Особенно удобны для этой цели реакции вытеснения металлов из их солей другими металлами. Опустим, например, кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается уравнением
Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2
или в ионной форме
Zn + Pb•• = Pb + Zn••
Из уравнения видно, что эта реакция является типичной реакцией окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка отдают свои валентные электроны ионам Рb••, тем самым превращаясь в ионы Zn••, а ионы Рb•• разряжаются и выделяются в виде металлического свинца. Если поступить наоборот, т. е погрузить кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет. Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.
Сравнивая таким же способом активность свинца и меди, легко убедиться, что свинец более активен, чем медь, так как он вытесняет медь из ее солей, а медь не может вытеснять свинец:
Рb + Cu•• = Сu + Рb••
Следовательно, из трех сравниваемых металлов — цинка, свинца и меди — наиболее активным, легче других отдающим электроны, является цинк, менее активен свинец и еще менее активна медь.
Вытеснение металлов из соединений металлами
Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было подробно изучено Н. Н. Бекетовым (1865 г.), расположившим металлы по их убывающей химической активности в так называемый «вытеснительный ряд». В настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений, так как положение каждого металла в ряду точно определяется величиной электрического напряжения, или разности потенциалов, возникающей при погружении данного металла в раствор его соли. Об измерении этих величин и их значении будет сказано несколько позже.
Для наиболее важных металлов ряд напряжений, как уже было указано , имеет следующий вид:
Уменьшение химической активности нейтральных атомов
К, Na, Са, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Au
←—————————————————————————————→
Уменьшение способности ионов к присоединению электронов
В этом ряду помещен и водород, так как он тоже может вытеснять некоторые металлы из растворов их солей и в свою очередь вытесняется многими металлами из растворов кислот.
Определения положения водорода в вытеснительном ряду
Для определения положения водорода в «вытеснительном ряду» Бекетовым производились следующие опыты. В колена изогнутой стеклянной трубки (рис.) помещали отдельно друг от друга раствор соли металла, кислоту и цинк. Трубку запаивали» затем наклоняли ее так, что цинк падал в кислоту и выделяющийся водород действовал под давлением на раствор соли.
Наблюдая явления, происходящие в колене трубки, наполненном раствором соли, можно было судить о том, вытесняется ли металл водородом. На основании проведенных опытов Бекетов пришел к заключению, что в «вытеснительном ряду» водород занимает место после свинца и может вытеснять(восстанавливать) следующие за ним металлы: медь, ртуть, серебро, золото из растворов их солей.
Бекетов был убежден, что реакции вытеснения водорода металлами являются обратимыми и что для каждого металла должно существовать такое давление, при котором направление реакции меняется на обратное, т. е. водород начинает вытеснять металл из раствора его соли.
Взгляды Бекетова получили позднее полное подтверждение.
Рассмотрим, например, реакцию вытеснения водорода цинком:
Zn + 2H•⇄Zn•• + H2
Константа равновесия этой реакции выражается следующей формулой:
где вместо концентрации водорода взято его давление рн2 в атмосферах. Вычисление показывает, что при обычной температуре К = 36 • 1024. Значит, потребовалось бы недостижимое при современной технике давление водорода, чтобы сделать ощутимой обратную реакцию, т. е. вытеснение цинка водородом. При обычном же давлении равновесие реакции практически нацело смещено вправо.
Однако для реакции
Sn + 2H• ⇄ Sn•• + H2
константа равновесия
Это значит, что равновесие будет достигнуто, например, при концентрациях: [Sn••]= l г-ион/л,[Н•] = 0,01 г-ион/л и давлении водорода рн2 = 4 ат. Следовательно, при сравнительно небольшом давлении водород может вытеснить олово из раствора его соли.
Электрохимический ряд напряжений
Ряд напряжений дает много общих указаний относительно химического поведения отдельных металлов при реакциях в растворах:
- Каждый металл этого ряда, а также и водород, находящийся под давлением, вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из растворов их солей. В свою очередь сам он может быть вытеснен (восстановлен) любым из металлов, стоящих впереди него.
- Только те металлы, которые стоят в ряду напряжений впереди водорода, могут вытеснять его из разбавленных кислот («солей водорода»). Металлы, стоящие вправо от водорода, не способны вытеснять водород из кислот.
- Чем левее в ряду напряжений стоит металл, тем он активнее, тем больше его восстановительная способность в отношении ионов других металлов, тем легче он сам превращается в ионы, тем труднее восстанавливаются его ионы.
Вы читаете, статья на тему Химические свойства металлов