Reakcje metali z roztworami wodnymi:
Dla metali ważnym parametrem, który mówi o przebiegu reakcji jest potencjał utleniania, oznaczany jako \(E_{Me}^{0}\) . Im niższa wartość potencjału danego metalu tym metal jest mniej szlachetny i tym samym bardziej reaktywny - chętniej chce występować jako kation. Metale szlachetne i półszlachetne to metale o wartości potencjału powyżej od 0.00 V, poniżej tej wartości metale nazywamy nieszlachetnymi. Metale szlachetne nie reagują z kwasami z wyparciem wodoru.
Reakcja z wodą:
Metal wrzucony do wody może w zależności od wartości potencjału przereagować z utworzeniem wodorotlenku i wydzieleniem wodoru, zgodnie z schematem:
\[Me\ + H_{2}O\ \rightarrow \ Me(OH)_{n} + H_{2}\]
lub nie przereagować w ogóle. Reakcja ta zachodzi dla metali aktywnych – metali, których potencjał jest niższy od potencjału magnezu. Sam magnez reaguje na ciepło, a na zimno nie. Zobaczmy kilka przykładów:
Potas wrzucony do wody - potas ma potencjał znacznie niższy od magnezu, więc reakcja zachodzi z utworzeniem wodorotlenku i wydzieleniem wodoru
\[\ 2K\ + 2H_{2}O\ \rightarrow 2KOH\ + H_{2}\]
Cynk wrzucony do wody - cynk ma potencjał wyższy od magnezu, więc reakcja nie zachodzi.
\[Zn + H_{2}O \rightarrow brak\ reakcji\]
Reakcje z kwasami:
Przebieg reakcji metali z kwasami zależy od typu kwasu oraz szlachetności metalu, reakcje te, o ile zachodzą, prowadzą do powstania soli tego metalu i użytego kwasu oraz gaz. Metale szlachetne reagują jedynie z kwasami utleniającymi, tymi kwasami są: stężony kwas azotowy(V), rozcieńczony kwas azotowy(V) oraz kwas siarkowy(VI), reszta kwasów (licealnych) to kwasy nieutleniające np. HCl, rozcieńczony H 2 SO 4 H 2 CO 3 , itd. Możliwe produkty umieszczono w tabeli:
| Metal szlachetny E>0V | Metal nieszlachetny E<0V | |
|---|---|---|
| Kwas nieutleniajacy | Brak reakcji | Sól + H 2 |
| HNO 3(stęż) | Sól + NO 2 + H 2 O | Sól + NO 2 + H 2 O |
| HNO 3(rozc) | Sól + NO + H 2 O | Sól + H 2 |
| H 2 SO 4(stęż) | Sól + SO 2 + H 2 O | Sól + SO 2 + H 2 O |
Porównajmy reakcje dwóch metali - cynku i miedzi:
Cynk ma potencjał niższy od wodoru, więc jest metalem nieszlachetnym, potencjał utlenienia miedzi wynosi około 0.8V - miedź jest metalem szlachetnym.
Dla reakcji miedzi oraz cynku z stężonymi utleniającymi kwasami powinien się wydzielić ten sam gaz- tlenek azotu(IV) i powstać odpowiednia sól:
\(Cu\ + \ \mathbf{HN}\mathbf{O}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{steż}} \rightarrow \ Cu\left( NO_{3} \right)_{2}\ + \ \mathbf{N}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\ + \ H_{2}O\)
Bilans tej reakcji, jak wszystkich, w których wydziela się gaz inny niż wodór, nastręcza trudności, do obliczenia współczynników potrzebna jest omówiona w innym dziale umiejętność bilansów redoks. Po obliczeniach otrzymujemy:
\(Cu\ + \ 4\mathbf{HN}\mathbf{O}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{steż}} \rightarrow \ Cu\left( NO_{3} \right)_{2}\ + 2\ \mathbf{N}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\ + \ 2H_{2}O\)
Równanie reakcji dla miedzi będzie bardzo zbliżone, szczególnie, że kationy obu metali są dwuwartościowe:
\(Zn\ + \ \mathbf{HN}\mathbf{O}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{steż}} \rightarrow \ Zn\left( NO_{3} \right)_{2}\ + \ \mathbf{N}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\ + \ H_{2}O\)
Po bilansie otrzymujemy:
\(Zn\ + 4\ \mathbf{HN}\mathbf{O}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{steż}} \rightarrow \ Zn\left( NO_{3} \right)_{2}\ + \ 2\mathbf{N}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\ + 2H_{2}O\)
Różnice będziemy obserwować w przypadku użycia rozcieńczonego kwasu azotowego (V). W przypadku roztwarzania metalu o potencjale wyższym od 0V, takiego jak miedź, wydzielać się będzie tlenek azotu(II), natomiast dla metalu nieszlachetnego wypieranym gazem będzie wodór. Bilans reakcji cynku nie stanowi problemu, natomiast miedź zalicza się do tych " trudniejszych" - jest bilansem redoks.
\(Zn\ + \ 2\mathbf{HN}\mathbf{O}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{roz}} \rightarrow \ Zn\left( NO_{3} \right)_{2}\ + \ \mathbf{H}_{\mathbf{2}}\)
\(3Cu\ + 8\mathbf{HN}\mathbf{O}_{\mathbf{3}}^{\mathbf{roz}} \rightarrow \ 3Cu\left( NO_{3} \right)_{2}\ + 2\ \mathbf{N}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\ + 4\ H_{2}O\)
Różnic w rodzaju wydzielanego gazu nie będziemy obserwować w przypadku rozpuszczania w drugim z kwasów utleniających - stężonym kwasie siarkowym. W obu przypadkach - i dla metalu szlachetnego i nieszlachetnego wydzielać się będzie tlenek siarki (IV). Przyjrzyjmy się reakcjom:
\[Cu\ + \ 2\mathbf{\ }\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{S}\mathbf{O}_{\mathbf{4}}^{\mathbf{stez}} \rightarrow \ CuSO_{4}\ + \ \mathbf{S}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\ + \ 2\ H_{2}O\]
\[Zn\ + \ 2\mathbf{\ }\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{S}\mathbf{O}_{\mathbf{4}}^{\mathbf{stez}} \rightarrow \ ZnSO_{4}\ + \ \mathbf{S}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\ + \ 2\ H_{2}O\]
Jak widać reakcje te nie różnią się niczym, po za oczywiście symbolem metalu.
Reakcja z kwasami nieutleniającymi takimi jak kwas solny, ale również rozcieńczony kwas siarkowy, zachodzi tylko dla cynku.
\[Cu + \mathbf{\ }\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{S}\mathbf{O}_{\mathbf{4}}^{\mathbf{roz}} \rightarrow \ brak\ reakcji\]
\[Zn\ + \ \mathbf{\ }\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{S}\mathbf{O}_{\mathbf{4}}^{\mathbf{roz}} \rightarrow \ ZnSO_{4}\ + H_{2}\]
Reakcje metali z zasadami:
Przed przeczytaniem tego fragmentu zalecam zapoznanie się z omówioną dalej budową związków kompleksowych, gdyż występują one nagminnie w tych reakcjach.
W reakcjach z wodnymi roztworami zasad mogą uczestniczyć tylko i wyłącznie metale nieszlachetne o potencjale niższym od wodoru, wypierając zawsze wodór z soli. Produkt tych reakcji zależy od charakteru chemicznego wodorotlenku metalu, który się tworzy. W przypadku metalu aktywnego, który daje tylko tlenki zasadowe reakcja przebiega zwyczajna reakcja z wodą np. wrzucając potas do wodnego roztworu zasady sodowej otrzymamy wodorotlenek potasu oraz wodór.
\[2K\ + \ 2H_{2}O\ \rightarrow \ 2KOH\ + H_{2}\]
Jak widać obecność wodorotlenku sodu " nie przeszkadza" w tej reakcji, a sam wodorotlenek zwyczajnie nie bierze w niej udziału.
W przypadku użycia metalu, który tworzy wodorotlenki amfoteryczne (i użycia nadmiaru zasady) otrzymujemy związek kompleksowy zbudowany z kationu użytego metalu oraz anionów wodorotlenkowych. W każdej takiej reakcji zostaje wyparty wodór. Rozpatrzmy reakcje berylu z zasadą sodową:
\[\mathbf{Be}\ + 2\ NaOH\ + 2\ H_{2}O\ - > \ Na_{2}\lbrack Be(OH)_{4}\rbrack\ + \ \mathbf{H}_{\mathbf{2}}\]
Otrzymujemy związek kompleksowy, w którym dwudodatni kation berylu jest otoczony przez cztery jony hydroksylowe z jednoczesnym wyparciem wodoru. Pewnym problemem może być zbilansowanie tej reakcji, szczególnie, iż należy dopisać wodę i jednocześnie uzupełnić współczynnik stechiometryczny przy wodorze. Należy podkreślić, iż w tej reakcji ilość wydzielanych się ATOMÓW wodoru jest dokładnie równa stopniu utlenienia metalu, który uzyskujemy (widzimy, że cząsteczka wodoru składa się z dwóch atomów).
Analogicznie dla reakcji glinu z wodorotlenkiem baru:
\[2\mathbf{Al}\ + \ 3Ba(OH)_{2} + \ 6\ H_{2}O\ \rightarrow \ Ba_{3}\left\lbrack \mathbf{Al}(OH)_{6} \right\rbrack_{2}\ + \ 3H_{2}\]
Alternatywna metoda ustalania współczynników polega na bilansie najpierw atomów metali, następnie bilansie tlenów, a na końcu bilansie wodorów.
Kwestia pasywacji.
Pasywacja ogólnie zdefiniowana jest jako pokrywanie się powierzchni metalu produktem reakcji tego metalu z odczynnikami obecnymi w środowisku (tlen, kwas, zasada itp...). Tworząca się warstwa związku metalu jest stabilna w otrzymanych warunkach i jednocześnie nie reaguje dalej; zabezpiecza położony pod nim metal przed wpływem warunków, które powinny utlenić obecny pod nią metal. Przykładem pasywacji jest pokrywanie się miedzi patyną.
W programie szkolnym szczególnie podkreślona jest pasywacja metali takich jak glin, żelazo oraz chrom w obecności stężonych kwasów utleniających. Metale te są nieszlachetne, więc w obecności stężonych kwasów powinny przereagować z wydzieleniem tlenków siarki lub azotu. Jednakże po umieszczeniu tych metali w środowisku stężonych kwasów następuje wydzielenie pęcherzyków gazu na powierzchni metalu, sam metal matowieje i dalej reakcja przestaje przebiegać. Metale te pokrywają warstwą nierozpuszczalnego w środowisku reakcji tlenku, który zapobiega dalszej reakcji w całej objętości metalu, z wydzieleniem tlenku kwasowego takiego jak w przypadku reakcji metalu niepasywującego się z odpowiednim kwasem. Na powierzchni metalu zachodzi reakcja:
\[2Al\ + 6HNO_{3} \rightarrow \ Al_{2}O_{3}\ + \ 6NO_{2}\ + \ 3H_{2}O\]
Analogicznie dla żelaza w reakcji z kwasem siarkowym (VI):
\[2Fe\ + 3H_{2}SO_{4} \rightarrow \ Fe_{2}O_{3}\ + \ 3SO_{2}\ + \ 3H_{2}O\]
Dobranie współczynników w powyższych równaniach wymaga umiejętności bilansów redoks.
Jednocześnie należy podkreślić, iż poprawną odpowiedzią na pytanie czy reakcja kwasu z metalem zachodzi jest NIE - metal się pasywuje, natomiast reakcję możemy zapisać tylko dla powierzchni.