У хімічних реакціях метали виступають як відновники
Ме - ne - = Mе n + процес окислення,
де Ме - атом металу, e - - електрон, Mе n + - позитивно заряджений іон металу з зарядом n +.
Це пояснюється тим, що атоми металів мають невелике число електронів на зовнішньому енергетичному рівні (головним чином 1, 2 і 3). Виняток становлять германій (Ge), олово (Sn), свинець (Pb), на зовнішньому шарі яких 4 електрона. У зв'язку з цим у металів низька величина потенціалу іонізації. Потенціал іонізації це кількість енергії, необхідне для відриву електрона від атома. Чим він менше, тим легше метали віддають електрони і тим більшою відновлювальної активністю володіють. Найменші значення іонізаційного потенціалу - у лужних металів, які і є найенергійнішими восстановителями.
Взаємодія металів з киснем. Киснем окислюються майже всі метали, особливо при нагріванні. При цьому утворюються оксиди
Лужні метали при горінні на повітрі утворюють пероксиди і надпероксида: (Na2 O2. KO2. RbO2). Однак багато металів (Cr, Al, Be, Mg, Ti і ін.) В компактному стані при звичайних температурах стійкі до дії кисню, так як покриваються найтоншої оксидною плівкою, яка оберігає їх від подальшого окислення. Золото (Au), платина (Pt) і частково срібло (Ag) не реагують з киснем.
У водних розчинах хімічну активність металу визначають на підставі ряду напруг або ряду стандартних електродних потенціалів металів (табл.2).
В ряді напруг метали розташовані в порядку збільшення алгебраїчної величини їх стандартних потенціалів, отже, зменшення відновлювальної активності атомів металів і зростання окисної активності іонів металів.
Тому кожен метал відновлює всі метали, які стоять за ним, з розчинів їх солей.
Стандартні потенціали металевих електродів (Т = 298 0 К)
Наприклад, цинк буде відновлювати з розчинів солей тільки катіони металів, що стоять у ряді напруг після нього:
Zn - 2 e - → Zn 2+ окислення
Ni 2+ + 2e - → Ni відновлення,
а реакція Zn + MgSO4 → неможлива.
В ряду стандартних електродних потенціалів металів умовно можна виділити:
- активні метали (Li, K, Rb, Cs, Ba, Ca, Na, Mg, Be, Al);
- метали середньої активності (Ti, Mn, Zn, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb);
- малоактивні метали (Cu, Ag. Hg, Pd, Pt, Au), що стоять після водню.
Взаємодія металів з водою. Окислювачем у воді формально є іон водню. Так як концентрація іонів H + у воді дорівнює 10 -7 моль / л, то обчислюючи за формулою Нернста потенціал водневого електрода отримуємо:
Тому водень із води можуть витісняти метали, що мають потенціал менший, ніж - 0,41 В, тобто стоять попереду кадмію
(Див. Табл. 2). Практично ж взаємодіють з водою лише лужні і лужноземельні метали, причому магній при нагріванні:
Пояснюється це тим, що необхідною умовою реакції між металом і водою є видалення з його поверхні оксидної плівки, наприклад, по реакції
При цьому утворюється розчинна у воді гідроксид. Якщо поверхнева плівка металу не може бути видалена водою внаслідок нерастворимости відповідного гідроксиду (Zn (OH) 2. Fe (OH) 2 та ін.), То реакція не піде. Такі метали (Zn, Fe) можуть реагувати з парами води при нагріванні, так як при високій температурі поверхнева плівка руйнується:
Взаємодія металів з соляної (соляної) кислотою. Окислювачем в соляній кислоті, так само як і в воді, є іон водню. Стандартний електродний потенціал водневого електрода прирівняний до нуля. Тому всі активні метали і метали середньої активності реагують з кислотою з виділенням водню
Але при взаємодії свинцю з соляною кислотою утворюється на початку реакції хлорид свинцю (П) важко розчинний у воді і, залишаючись на поверхні металу, захищає його від доступу нових порцій кислоти:
В результаті реакція зупиняється.
Взаємодія з розбавленою сірчаною кислотою.
Розбавлена сірчана кислота, так само як і соляна, окисляє, своїм іоном водню. Вона взаємодіє тільки з тими металами, електродні потенціали яких нижче, ніж у водню, наприклад,
а реакція свинцю з розбавленою сірчаною кислотою швидко припиняється, так як утворюється сіль PbS04 нерастворима і створює на поверхні металу захисну плівку.
Взаємодія з концентрованої сірчаної кислотою.
У концентрованої сірчаної кислоти в ролі окислювача виступає сірка в ступені окислення +6, що входить до складу сульфат-іона SO 2 4. У зв'язку з цим концентрованою кислотою окислюються все метали, електродний потенціал яких менше, ніж електродний потенціал окислювача. Максимальне значення електродного потенціалу в електродних процесах за участю сульфат-іона в якості окислювача одно 0,36 В. Тому з концентрованої сірчаної кислотою реагують і деякі малоактивні метали:
Залежно від активності металу, температури, концентрації кислоти продуктами її відновлення можуть бути H2 S, S і SО2. Справедливо правило, що чим активніше метал, тим глибше ступінь відновлення кислоти.
Взаємодіючи з активними металами (Li - Mg в ряді напруг), кислота відновлюється до сірководню (H2 S)
У реакціях з малоактивними металами (Cu, Ag) утворюється завжди газ SО2. причому срібло розчиняється в киплячій кислоті
Метали середньої активності (Zn, Sn, Pb і ін.) Реагують з концентрованою сірчаною кислотою з виділенням S або SО2
Наведені реакції показують, що олово окислюється до чотирьохвалентного стану з утворенням сульфату олова (IV), а свинець окислюється до двовалентного стану з утворенням розчинної гідросульфату свинцю.
Такі метали як Al, Fe, Сr при звичайних умовах сірчаною кислотою, концентрація якої близька до 100%, пасивуються. Пасивацією називається явище утворення захисної плівки на поверхні металу при дії сильних окислювачів. У більшості випадках пассивация грає позитивну роль, захищаючи метал від руйнування. За рахунок пассивации сірчану кислоту перевозять в сталевих цистернах.
Взаємодія з розведеною азотною кислотою.
В азотній кислоті як окислювач виступає азот в ступені окислення +5. Значення електродного потенціалу для нітрат-іона NО - 3 розведеної кислоти як окислювача одно 0,96 В, тобто воно більше в порівнянні з сульфат-іоном SO 2 4. Це вказує на те, що азотна кислота - сильніший окислювач, ніж сірчана. Дійсно, вона окисляє навіть срібло. Відновлюється азотна кислота тим глибше, чим активніше метал і чим менше її концентрація:
Активні Li - Al
Якщо метал має стійкі високі ступені окислення, то в результаті реакції виходять не нітрати, а оксиди або навіть кислоти, наприклад,
Концентрована азотна кислота (концентрація більше 70%) ще в більшій мірі, в порівнянні з сірчаної, володіє пасивуючим дією і не реагує за звичайних умов з Al, Тi, Fe, Сг. Тому концентровану азотну кислоту також перевозять в сталевих або алюмінієвих цистернах.
Взаємодія з «царської горілкою». Окисні властивості азотної кислоти посилюються при додаванні до неї концентрованої соляної кислоти. Найбільший ефект спостерігається при співвідношенні НNОз: HCl = 1: 3. Така суміш називається «царської горілкою». При дії «царської горілки» розчиняється золото і платина
Взаємодія з розчинами лугів. Лугами метали окислюватися не можуть, так як лужні метали є одними з найбільш сильних відновників, а їх іони - одні з найбільш слабких окислювачів. Однак у присутності лугів окисляє дію води може проявитися в більшій мірі, ніж в їх відсутність. При окисленні металів водою утворюються гідроксиди та водень. Якщо оксид і гідроксид відносяться до амфотерним з'єднанням, то вони будуть розчинятися в лужному розчині. В результаті пасивні в чистій воді метали можуть енергійно взаємодіяти з розчинами лугів:
Н2 О (окислювач H +) + луг (наприклад, NaOH)