8.3.6. Взаимодействие металлов с азотной кислотой
Окислительно-восстановительные потенциалы для всех реакций восстановления HNO3 близки, поэтому процессы взаимодействия металлов и азотной кислоты неселективные.
Продуктами взаимодействия металла с азотной кислотой являются соль-нитрат металла в высокой степени окисления, вода и продукты восстановления N +5 (NO2, HNO2, NO…, NH + 4), состав которых определяется активностью металла и концентрацией кислоты. Концентрированная азотная кислота восстанавливается преимущественно до оксида азота (IV); разбавленная – преимущественно до NO с неактивными металлами или до NH4 + – с активными металлами
NO (с неактивными металлами)
HNO3(разб.) NH4 + (с активными металлами)
Окисляются азотной кислотой металлы, стоящие в ряду стандартных окислительно-восстановительных потенциалов до серебра включительно. Некоторые металлы (Be, Al, Cr, Fe, Co, Ni…) концентрированной азотной кислотой на холоде пассивируются.
8.4. Лабораторная работа № 5
Химические свойства металлов
Опыт 1. Взаимодействие металлов с соляной кислотой.
Ряд стандартных окислительно-восстановительных потенциалов металлов
В пять пробирок налить по 1 мл 2 М раствора соляной кислоты и поместить в каждую пробирку по одному кусочку металла Mg, Zn, Fe, Pb, Cu. Наблюдать за изменениями в пробирках в течение 5-10 минут. Пробирку со свинцом нагреть, после охлаждения добавить 2 капли сульфида натрия.
- Отметить, как протекают реакции в каждой из пробирок, что выделяется;
- расположить металлы в порядке уменьшения их активности по отношению к соляной кислоте;
- какой металл не взаимодействует с соляной кислотой;
- составить уравнения реакций
- определить окислитель и восстановители;
- выписать из табл.3 приложения значения стандартных окислительно-восстановитель-ных потенциалов электрохимических систем
- рассчитать ЭДС проведенных реакций
- указать, какие из проведенных реакций термодинамически возможны;
- сформулировать условие самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции;
- отметить, какие изменения происходят в пробирке со свинцом после нагревания;
- составить уравнение реакции
- составить уравнение реакции, подтверждающей наличие ионов Pb 2+ в растворе
- ответить, почему свинец не взаимодействует с соляной кислотой при комнатной температуре;
- объяснить, что такое «пассивирование металла»;
- сформулировать, какие металлы могут вытеснять молекулярный водород из кислот.
Опыт 2. Взаимодействие металлического цинка с растворами солей
В пять пробирок внести по грануле металлического цинка и прилить по 1мл раствора соли в первую пробирку–хлорида магния; во вторую–сульфата железа (II); в третью – хлорида олова (II); в четвертую – нитрата свинца (II); в пятую – сульфата меди (II). Наблюдать за изменениями в пробирках в течение 5-10 минут. Используя универсальный индикатор, измерить рН в растворах солей.
- Отметить, как протекают реакции в каждой из пробирок, что выделяется;
- ответить, реакция металлов с водными растворами – гомогенная или гетерогенная;
- ответить, с раствором какой соли цинк не взаимодействует;
- составить уравнения основных реакций:
- указать восстановитель и окислитель;
- используя значения стандартных окислительно-восстановительных потенциалов (табл.3 приложения), рассчитать ЭДС проведенных реакций:
- расположить растворы солей в порядке увеличения ЭДС и активности их взаимодействия с цинком;
- используя ряд стандартных окислительно-восстановительных потенциалов, сформулировать, какие металлы могут быть «вытеснены» из растворов их солей цинком;
- по измеренной величине рН, ответить, какая среда в каждом из растворов солей;
- ответить, какой газ выделяется;
- составить уравнения побочных реакций:
Me 2+ + H2O MeOH + + H + (уравнение гидролиза)
Опыт 3. Взаимодействие металлов - Ca и Mg - с водой
В две пробирки налить по 2-3 мл дистиллированной воды и добавить 2 капли раствора фенолфталеина. В одну пробирку поместить немного металлического магния, в другую-кальция. Наблюдать за изменениями в пробирках в течение 3-5 минут. Пробирку с магнием нагреть на спиртовке до кипения.
- Отметить, как протекает реакция с Mg при комнатной температуре; с Mg при нагревании;
- сравнить активность металлов Ca и Mg ;
- составить уравнения реакций:
- указать восстановители и окислитель; какой газ выделяется;
- рассчитать потенциал «водородного электрода»
- рассчитать ЭДС реакций: ЭДС = φок. – φвос.;
- ответить, почему при комнатной температуре магний практически не взаимодействует с водой;
- что «пассивирует» Mg и почему при нагревании реакция осуществляется;
- отметить, в какой пробирке окраска фенолфталеина более интенсивная;
- используя рис. 2, по окраске фенолфталеина указать, какая среда в растворах полученных продуктов;
ответить, какие металлы активно взаимодействуют с водой.
Опыт 4. Взаимодействие металлов – Al, Sn и Zn с водным раствором
Налить в три пробирки по 1-2 мл концентрированного раствора щелочи - гидроксида натрия - и поместить в каждую из пробирок один из металлов (в первую – алюминиевую стружку, во вторую – гранулу цинка, в третью – гранулу олова). Пробирки осторожно нагреть на спиртовке.
- Отметить, как протекает реакция металлических Al, Zn, и Sn с водным раствором щелочи;
- растворы каких веществ называют щелочами, привести примеры;
- сравнить активность металлических Al, Zn и Sn по отношению к водному раствору щелочи;
- ответить, чем покрыт каждый из металлов;
- составить уравнения реакции растворения оксидных пленок металлов в растворе гидроксида натрия, учитывая, что образуются гидроксокомплексы
- составить уравнения реакций металла с раствором гидроксида натрия, учитывая, что образуются соответствующие гидроксокомплексы с координационным числом, равным четырем:
- указать восстановители и окислитель;
- ответить, какой газ выделяется;
- выписать (табл.3 приложения) значения стандартных окислительно-восстановительных потенциалов электрохимических систем
Me + 4OH - - ne [Me(OH)4] n-4 :
- сравнить их значения с соответствующими потенциалами для процессов окисления в кислой среде:
- ответить, в какой среде восстановительные свойства металлических Al, Zn и Sn более выражены;
- рассчитать потенциал «водородного электрода» при рН=14;
- рассчитать ЭДС реакций: ЭДС = φок . – φвос.
Опыт 5. Взаимодействие металлов - Mg и Fe - с концентрированной серной кислотой
а) В пробирку поместить 1-2 стружки магния и прилить
1 мл конц. серной кислоты. Подержать над отверстием пробирки фильтровальную бумагу, смоченную раствором соли свинца (II). Наблюдать за изменениями в пробирке в течение 2-3 минут, пробирку осторожно нагреть на спиртовке;
- отметить, какие изменения происходят в пробирке; на фильтровальной бумаге;
- ответить, какой элемент является окислителем в концентрированной серной кислоте;
- до каких продуктов может восстанавливаться концентрированная серная кислота;
- ответить, что образуется при окислении металлического магния;
- составить уравнение первой реакции, учитывая, что первоначально выделяющийся газ – SO2:
- составить уравнение второй реакции, учитывая, что образующийся белый осадок - S:
- составить уравнение третьей реакции, учитывая, что выделяющийся газ с характерным запахом – H2S:
- составить уравнение реакции, протекающей на фильтровальной бумаге и доказывающей образование сероводорода:
- ответить, реакция магния с концентрированной серной кислотой является селективной или нет.
б) В пробирку поместить 1-2 стружки железа и прилить 1 мл концентрированной серной кислоты. Наблюдать за изменениями в пробирке в течение 2-3 минут; пробирку нагреть на спиртовке. После охлаждения 2-3 капли полученного раствора внести в пробирку с 1 мл дистиллированной воды и добавить 2 капли тиоцианата калия (KSCN)
отметить, какие изменения происходят в пробирке при комнатной температуре; при нагревании;
ответить, в каких условиях железо «пассивируется» концентрированной серной кислотой;
отметить, какие изменения происходят в пробирке с тиоцианатом калия (KSCN);
составить уравнение реакции, объясняющей появление кроваво-красного окрашивания в результате образования гексатиоцианатоферрата (III) калия
составить уравнение реакции железа с концентрированной серной кислотой
при нагревании, учитывая, что образуется сульфат железа (III), вода и оксид серы (IV):
Опыт 6. Взаимодействие металлов – Mg, Fe, Cu – с разбавленной азотной кислотой (показательный)
В три пробирки налить по 2-3 мл разбавленной азотной кислоты. Осторожно опустить в первую пробирку пластинку меди, во вторую – железа, в третью – магния. Если реакция идет слабо, слегка нагреть пробирки, после охлаждения в пробирку с Fe добавить 1 каплю тиоцианата калия (KSCN)
отметить, какие изменения происходят в каждой из пробирок, с каким металлом реакция идет наиболее энергично;
составить уравнения возможных реакций Mgс разбавленной азотной кислотой, учитывая, что образуется нитрат магния, вода и продукт восстановления азота (V)
составить уравнения реакции Feс разбавленной азотной кислотой, учитывая, что образуются нитрат железа (III), вода и оксид азота (II):
ответить, действием какого реактива можно доказать образование соли железа (III);
составить уравнение реакции меди с разбавленной азотной кислотой, учитывая, что образуются нитрат меди (II), вода и оксид азота (II).
Опыт 7. Взаимодействие металлов – Al, Fe, Cu – с концентрированной азотной кислотой (показательный)
В три пробирки налить по
1 мл концентрированной азотной кислоты. Осторожно опустить в первую пробирку пластинку меди, во вторую – железа, в третью – алюминия. Наблюдать за изменениями в пробирках в течение
2 минут. Пробирки с железом и алюминием нагреть.
Отметить, какие изменения происходят в каждой из пробирок при комнатной температуре; при нагревании;
ответить, с каким металлом при комнатной температуре реакция идет наиболее энергично, какие металлы "пассивируются" концентрированной азотной кислотой;
составить уравнение реакции меди с концентрированной азотной кислотой, протекающей при комнатной температуре с образованием нитрата меди (II), оксида азота (IV) и воды:
составить уравнение реакции железа с концентрированной азотной кислотой, протекающей при нагревании с образованием соли – нитрата железа (III), оксида азота (IV) и воды:
составить уравнение реакции алюминия с концентрированной азотной кислотой, протекающей при нагревании с образованием соли – нитрата алюминия, оксида азота (IV) и воды:
Контрольные тестовые задания по теме «Химические свойства металлов»
Среди приведенных металлов наиболее активный:
Ответы: 1) Na; 2) Fe; 3) Mg; 4) Cu; 5) Ag.
Используя ряд электродных потенциалов металлов, расположите металлы в порядке увеличения их химической активности:
Ответы: 1) Zn,Ca,Ag; 2)Ca,Ag,Zn; 3)Ag,Zn,Ca; 4)Ca,Zn,Ag; 5)Zn,Ag,Ca.
Используя ряд электродных потенциалов металлов, расположите металлы в порядке увеличения их химической активности:
Ответы: 1) Fe, Cu, Al; 2) Cu, Al, Fe; 3) Al, Fe, Cu; 4) Cu, Fe, Al; 5) Fe, Al, Cu.
Используя ряд электродных потенциалов металлов, расположите металлы в порядке увеличения их химической активности:
Ответы: 1) Mg,Hg,Sn; 2)Hg,Sn,Mg; 3)Sn,Mg,Hg; 4)Hg,Mg,Sn;
Используя ряд электродных потенциалов металлов, расположите металлы в порядке уменьшения их химической активности:
Ответы: 1) Na, Al, Au; 2) Al, Au, Na; 3) Au, Na, Al; 4) Al, Na, Au; 5) Na, Au, Al.
Используя ряд электродных потенциалов металлов, расположите ме-
таллы в порядке увеличения их химической активности:
Ответы: 1) Ba,Pb,Zn; 2)Pb,Zn,Ba; 3)Zn,Ba,Pb; 4)Pb,Ba,Zn; 5)Ba,Zn,Pb.
Железо из раствора соли FeCl2вытесняет:
Ответы: 1) магний; 2) олово; 3) свинец; 4) медь; 5) серебро.
Цинк из раствора соли ZnSO4вытесняет:
Ответы: 1) железо; 2) свинец; 3) медь; 4) никель; 5) алюминий.
Металл, который не вытесняет олова из соли SnCl2:
Ответы: 1) Ca; 2) Mg; 3) Cu; 4) Fe; 5) Ni.
Железо вытесняет металл из раствора соли:
Химическая реакция произойдет между веществами:
Ответы: 1) CuиHCl; 2)AgиCuSO4; 3)ZnиFeSO4; 4)ZnиMgCl2;