Химические свойства металлов

Определяющим химическим свойством металлов является способность их атомов отдавать валентные электроны и становиться ионами с положительными зарядами. Противоположное явление — присоединение электрона атомом металла — встречается очень редко. Таким образом, металлы в химических реакциях почти всегда являются восстановителями. Электроотрицательность большинства металлов ниже, чем неметаллов. Она изменяется от 0,7 у цезия до 2,5 у золота. Последнее значение близко к электроотрицательности неметалла иода. Есть неметаллы (бор, кремний) и с более низкой электроотрицателыюстыо, чем у таких металлов, как золото. Поэтому можно сделать вывод, что величина электроотрицателыюсти не определяет принадлежность элемента к металлам или неметаллам.

Типичные металлы по физическим свойствам, такие как медь, серебро, золото, могут быть химически стойкими и в этом смысле отличаться от большинства других металлов, легко окисляющихся в химических реакциях.

Способность к отдаче электронов проявляется у разных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем с большим выделением энергии он вступает в реакции с различными веществами. Сравнительное изучение активности металлов можно проводить на основе различных реакций. Особенно удобны для этой цели реакции вытеснения металлов из солей другими металлами. Опустим, например, гранулу цинка в раствор соли свинца. Ионы цинка переходят в раствор, а на поверхности гранулы растут игольчатые кристаллы свинца в виде так называемой свинцовой шубы:

или в ионной форме.

Из уравнения следует, что это реакция окисления-восстановления. Атомы цинка отдают два электрона ионам свинца. Металлический цинк в виде ионов переходит в состав соли, а свинец принимает электроны и из соли выделяется в виде металла. Если поставить опыт иначе, т. е. опустить свинец в виде металла в раствор нитрата цинка, то химической реакции не наблюдается. Это означает, что реакция цинка с солью свинца практически необратима, и возможна только отдача электронов более активного цинка менее активному свинцу.

Сравнивая таким же методом активность свинца и меди, легко убедиться, то свинец более активен, чем медь, так как он вытесняет медь из ее солей, а медь не может вытеснять свинец:

Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было подробно изучено Н. Н. Бекетовым (1827—1911), расположившим металлы по их убывающей химической активности в так называемый вытеснительный ряд. Для наиболее распространенных металлов вытеснительный ряд имеет следующий вид.

При сопоставлении вытеснительного ряда с изменением значений стандартных потенциалов (ф°) окислительно-восстановительных пар Мс^п*/Мс выясняется, что расположение металлов в этом ряду соответствует повышению ф°. Поэтому в настоящее время вытеснительный ряд чаще называют рядом напряжений металлов.

В ряд напряжений включен водород, который может не только вытесняться при реакциях металлов с кислотами, но и сам вытесняет металлы из солей. Для этого требуется действовать водородом на растворы солей под давлением. В изогнутую запаянную трубку (рис. 25.3) помещают цинк, кислоту и раствор соли изучаемого металла, например сульфат меди.

Рис. 25.3. Прибор для демонстрации замещения металла водородом.

Наклоняя трубку вправо, приводят кислоту в контакт с цинком. Выделяющийся водород создает в трубке повышенное давление. Растворяясь в растворе соли, он может вытеснять металл. В опыте с солыо меди оказывается, что из раствора вытесняется медь. Олово, находящееся в ряду напряжений близко от водорода слева, при давлении меньше 4 атм не вытесняется. На направление реакции влияет также и среда раствора.

Пример 25.1. Будет ли водород при давлении 101,3 кПа и температуре 298 К вытеснять олово из раствора SnCl₂ с концентрацией 0,1 моль/л и с (Н⁺) = 0,001 моль/л (pH = 3)?

Решение. При решении задачи требуется применить материал, касающийся химического равновесия. Напишем предполагаемое уравнение реакции:

Ф° (по табл. 15.1) = -0,14 — 0.

Напишем выражение закона действующих масс:

Реакция сможет идти слева направо, если Пс < К. Вычислим произведение концентраций. Следует учесть, что при нормальном давлении вместо р (Н₂) подставляется единица (1 атм):

Вычислим константу равновесия по формуле (15.5):

Расчеты показывают, что в данных условиях Пс < К, следовательно, возможно восстановление олова водородом.

Ряд напряжений металлов позволяет сформулировать следующие положения, касающиеся реакций металлов с солями и кислотами:

• — каждый металл может восстанавливать любой металл, стоящий правее него в ряду напряжений;
• — все металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, реагируют в растворами кислот с выделением Н₂;
• — следует учитывать, что металлы, стоящие в ряду напряжений до натрия (все щелочные и щелочноземельные металлы), реагируют с водой при обычной температуре, выделяя Н₂, поэтому их не применяют для восстановления металлов из растворов солей.

Многие элементы-металлы необходимы для жизни. Особенно выделяется среди этих элементов кальций, содержание которого в организме человека близко к 1 кг. Он сосредоточен в костях, а также в небольшом количестве обязательно содержится в крови. Далее идут калий и натрий, которые можно назвать элементами нервной проводимости. Еще более 10 элементов-металлов необходимы для жизни в малых количествах. Они регулируют скорость биохимических превращений, находясь в составе ферментов.