WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE METALI

WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE METALI, Inne, N A U K A, Chemia Ogólna
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE METALI
Opracowanie: dr inż. Krystyna Moskwa, dr Jadwiga Zawada
CZĘŚĆ TEORETYCZNA
1. Charakterystyka stanu metalicznego
Najliczniej wśród pierwiastków reprezentowane są metale. W układzie okresowym znajdujemy ponad 80
pierwiastków metalicznych. Bloki
s, d, f
tablicy układu okresowego są zapełnione wyłącznie przez metale (z
wyjątkiem helu i wodoru). Jedynie w bloku
p
metale są mniej licznie reprezentowane.
Ze względu na właściwości metale znalazły szerokie zastosowanie w gospodarce i życiu codziennym. O
właściwościach fizycznych metali decyduje występujące w nich
wiązanie metaliczne
. Sieć krystaliczną metali
stanowią rdzenie atomów, które oddziałują z elektronami walencyjnymi tworzącymi chmurę elektronową, zdolną do
swobodnego przemieszczania się, co jest przyczyną
dobrego przewodnictwa prądu elektrycznego
. Tą
ruchliwością elektronów można tłumaczyć też
dobre przewodnictwo cieplne metali
; energia cieplna może być
bowiem szybko przenoszona przez elektrony z jednej części metalu do innej.
Obecność chmury elektronowej w metalu pozwala na wyjaśnienie charakterystycznego dla metali
połysku
.
Strumień światła padający na metal wprawia w ruch oscylacyjny znajdujące się na powierzchni metalu elektrony,
które następnie oddają energię elektromagnetyczną w postaci światła. Jego strumień odbija się od powierzchni
metalu dając charakterystyczny efekt połysku. Metale wykazują dużą zdolność odbijania światła pod wszystkimi
kątami.
Inne cechy metali takie jak
twardość, kowalność, ciągliwość
można wyjaśnić istnieniem sił, które
utrzymują sieć krystaliczną. Siły przyciągania między jonami metalu a chmurą elektronową działają we wszystkich
kierunkach, nie ma kierunku uprzywilejowanego. Rezultatem tego jest duża łatwość przesunięcia jonu w sieci z
jednego położenia w inne.
Temperatury topnienia i wrzenia
metali są zróżnicowane: od –39
0
C dla rtęci, 28,5
0
C dla cezu do 3370
0
C
dla wolframu (pod ciśnieniem normalnym).
2. Właściwości chemiczne metali bloku s
Właściwości chemiczne pierwiastków są funkcją ich konfiguracji elektronowej. Metale bloku
s
mają
konfigurację elektronów walencyjnych
ns
1
i ns
2
.
Przejście w stan jonowy atomu mającego jeden lub dwa elektrony
walencyjne jest możliwe już przy niewielkim nakładzie energii. Metale bloku
s
są aktywne chemicznie. Tlenki tych
metali w reakcji z wodą tworzą wodorotlenki o charakterze typowo zasadowym:
K
2
O + H
2
O = 2KOH
KOH = K
+
+ OH
-
CaO + H
2
O = Ca(OH)
2
Ca(OH)
2
= Ca
2+
+ 2OH
-
Metale bloku
s
są dobrymi reduktorami, właściwości redukujące zaś zwiększają się ze wzrostem liczby
atomowej pierwiastka w grupie. Właściwości redukujące metali bloku
s
przejawiają się w ich reakcjach z wodą,
tlenem, chlorem, wodorem a w reakcji z kwasami nieutleniajacymi wydzielają gazowy wodór, np.
Mg + 2HCl = MgCl
2
+ H
2
Z kwasami utleniającymi metale te reagują, w zależności od stężenia kwasu, oprócz soli metalu, tlenki
azotu na niższym stopniu utlenienia np.
Ca + 4HNO
3
= Ca(NO
3
)
2
+ 2NO
2
+ 2H
2
O
stężenie kwasu maleje
3Ca + 8HNO
3
= 3Ca(NO
3
)
2
+ 2NO + 4H
2
O
ß
5Ca + 12 HNO
3
= 5Ca(NO
3
)
2
+ N
2
+ 6H
2
O
ß
Ca + 2HNO
3
= Ca(NO
3
)
2
+ H
2
Metale bloku
s
i ich związki wprowadzone do płomienia nadają mu charakterystyczne zabarwienie:
lit – karminowe
wapń - ceglastoczerwone
sód – żółte
stront - karminowe
potas – różowofioletowe
bar - żółtozielone
rubid – jasnofioletowe
rad - karminowoczerwone
cez – niebieskofioletowe
Ogrzewane substancje absorbują energię z płomienia. W wyższym stanie energetycznym atomy lub jony
przebywają przez bardzo krótki czas (rzędu 10
-8
s), a następnie powracają do stanu podstawowego emitując
kwanty energii, odpowiadające rożnym długościom fali. Promieniowanie o różnych długościach fal obserwujemy
jako różne barwy płomienia.
3. Właściwości chemiczne metali bloku p
Pierwiastki występujące w bloku
p
mają elektrony walencyjne rozmieszczone na ostatniej zewnętrznej
powłoce. Nie wszystkie z nich są pierwiastkami metalicznymi. Metale bloku
p
to Al (glin), Sn (cyna), Pb (ołów), Bi
(bizmut). Wszystkie z nich mają właściwości amfoteryczne. Z wymienionych metali największe znaczenie ma glin.
Czysty glin jest mało wytrzymały pod względem mechanicznym, ale jego stopy z innymi metalami (np.
duraluminium) oznaczają się dużą wytrzymałością. Mimo aktywności chemicznej aluminium jego stopy są odporne
na korozję, ponieważ na jego powierzchni powstaje ochronna warstewka tlenkowa (warstewka pasywna).
Glin jest dobrym reduktorem ze względu na jego niski potencjał normalny (-1,66 V). Łatwo roztwarza się w
kwasie solnym i rozcieńczonym kwasie siarkowym z wydzieleniem wodoru:
2Al + 3HCl = 2AlCl
3
+ 3H
2
2 Al + 3H
2
SO
4
= Al
2
(SO
4
)
3
+ 3H
2
W reakcji ze stężonym kwasem siarkowym(VI) i azotowym(V) czyli w reakcji z kwasami utleniającymi powstaje
pasywna warstewka tlenku glinu z równoczesną redukcją siarki lub azotu na niższe stopnie utlenienia.
2Al + 2 HNO
3
= Al
2
O
3
+ 2NO + H
2
O
Glin jest pierwiastkiem amfoterycznym, co oznacza, że reaguje nie tylko z kwasami, ale też roztwarza się w
mocnych zasadach:
2Al + 2NaOH + 6H
2
O = 2Na[ Al(OH)
4
] + 3H
2
Wodorotlenek glinu otrzymany przez działanie zasad na sole glinu, wykazuje też właściwości amfoteryczne –
słabej zasady lub słabego kwasu w zależności od środowiska:
Al
3+
+ 3OH
-
Û
Al(OH)
3
Û
H
3
AlO
3
Û
3H
+
+ AlO
3
3-
ß
lub H
2
O + HAlO
2
Û
H
+
+ AlO
2
-
4. Właściwości chemiczne metali bloku d
Pierwiastki występujące w bloku
d
czyli w grupach 3 – 12, mają elektrony walencyjne rozmieszczone na
dwóch powłokach zewnętrznych – ostatniej i przedostatniej. Konfigurację elektronów walencyjnych metali bloku
d
można przedstawić następująco:
(n - 1)d
1 – 10
ns
2
lub
(n - 1)d
1 – 10
ns
1
Pierwiastki o takiej konfiguracji elektronów walencyjnych występują na wielu różnych dodatnich stopniach
utlenienia. W przypadku grup 3 – 7 maksymalna wartość stopnia utlenienia odpowiada numerowi grupy, w której
leży pierwiastek. Prawidłowość ta nie jest spełniona w przypadku pierwiastków grup 8 – 11, z wyjątkiem rutenu i
osmu.
Atomy metali bloku
d
stosunkowo łatwo oddają elektrony walencyjne z podpowłoki
s
tworząc związki o
budowie jonowej i występują w postaci jonów prostych. Większość związków metali bloku
d
posiada intensywne
zabarwienie np:
sole miedzi(II) – barwa niebieska
sole żelaza(II) -
²
bladozielona
sole żelaza(III) -
²
żółta
sole kobaltu(II) -
²
różowa
sole kobaltu(III) -
²
niebieska
sole chromu(II) -
²
niebieska
sole chromu(III) -
²
fioletowa
Właściwość ta wiąże się z pochłanianiem kwantów światła przez elektrony znajdujące się na częściowo
zapełnionej podpowłoce
d
. Przy całkowicie zapełnionej podpowłoce
d
lub przy braku elektronów
d
jony proste
metali tego bloku są bezbarwne np. sole cynku(II), tytanu(IV).
Na wyższych stopniach utlenienia tworzą związki kowalencyjne, w których występują w jonach złożonych.
Zróżnicowany udział wiązania jonowego w związkach tych metali jest przyczyną ich odmiennych
właściwości. Poznamy je na przykładzie związków cynku, żelaza i miedzi.
4.1. Związki żelaza
Żelazo leży w ósmej grupie układu okresowego w bloku
d
ma więc elektrony walencyjne na podpowłoce
4s
i
3d
3d
6
4s
2
26
Fe: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
p
6
¯­ ­
­
­
­
­¯
Stosunkowo łatwo atom żelaza oddaje 2 lub 3 elektrony i przechodzi w jony Fe
2+
lub Fe
3+
. Uzyskiwanie wyższych
stopni wymaga znacznych nakładów energetycznych i zachodzi bardzo trudno.
Żelazo jest pierwiastkiem dość aktywnym, wchodzi w reakcje z wieloma substancjami, m.in. siarką, chlorem,
tlenem w obecności pary wodnej i z samą parą wodną. Nie reaguje z tlenem w suchej atmosferze.
Związki żelaza z tlenem to: FeO – tlenek żelaza(II), Fe
2
O
3
– tlenek żelaza(III), Fe
3
O
4
– tlenek żelaza(II, III) tzw.
tlenek magnetyczny.
Z kwasami nieutleniającymi żelazo reaguje tworząc sole żelaza(II) i wydzielając wodór;
Fe + 2HCl = FeCl
2
+ H
2
Z kwasami utleniającymi (np. stężony kwas siarkowy(VI), kwas azotowy(V)) reakcja zachodząca początkowo
gwałtownie ulega szybko zahamowaniu wskutek pasywacji żelaza.
Fe + 6H
2
SO
4
= Fe
2
(SO
4
)
3
+ 3SO
2
+ 6H
2
O
2Fe + 3H
2
SO
4
= Fe
2
O
3
+ 3SO
2
+ 3H
2
O
4.2. Cynkowce
Cynkowce: Zn (cynk), Cd (kadm), Hg (rtęć) leżą w 12 grupie układu okresowego. Konfigurację elektronów
walencyjnych można przedstawić następująco:
(n – 1)d
10
ns
2
Reaktywność cynkowców maleje ze wzrostem masy atomowej pierwiastków. Pierwiastki tej grupy są
dwudodatnie, (Zn
2+
, Cd
2+
, Hg
2+
). Wyjątkowo rtęć tworzy również kationy Hg
2
2+
, które odpowiadają pierwszemu
stopniowi utlenienia rtęci. Wodorotlenki cynkowców są słabymi zasadami i również słabo rozpuszczają się w
wodzie. Wodorotlenek cynku wykazuje właściwości amfoteryczne, tzn reaguje zarówno z kwasem jak i z mocną
zasadą:
Zn(OH)
2
+ 2HCl = ZnCl
2
+ 2H
2
0
Zn(OH)
2
+ 2NaOH = Na
2
ZnO
2
+ 2H
2
O
Cynkowce wykazują dobre własności metaliczne. Cynk na powietrzu lekko matowieje, gdyż wytwarza się
warstewka tlenku (ZnO), wodorotlenku (Zn(OH)
2
lub węglanu cynku (ZnCO
3
).
Cynk z rozcieńczonymi kwasami nieutleniającymi łatwo reaguje (roztwarza się) i wydziela się gazowy wodór;
Zn + 2HCl = ZnCl
2
+ H
2
Zn + H
2
SO
4
= ZnSO
4
+ H
2
Z kwasami utleniającymi, czyli ze stężonym H
2
SO
4
i stężonym HNO
3
cynk reaguje redukując siarkę lub azot na
niższy stopień utlenienia.
Zn + 2H
2
SO
4
= ZnSO
4
+ SO
2
+ H
2
O
3Zn + 8HNO
3
= 3Zn(NO
3
)
2
+ 2NO + 4 H
2
O
Cynk metaliczny reaguje również z ługiem wg schematu:
Zn + 2NaOH = Na
2
ZnO
2
+ H
2
lub Zn + 2NaOH + H
2
O = Na
2
[Zn(OH)
4
] + H
2
Podobnie jak inne pierwiastki przejściowe cynk i cynkowce mają dużą skłonność do tworzenia trwałych jonów
kompleksowych.
4.3. Miedziowce
Miedziowce: Cu (miedź), Ag (srebro), Au (złoto) leżą w 11grupie układu okresowego. Konfigurację elektronów
walencyjnych można przedstawić następująco:
(n – 1)d
10
ns
1
Miedziowce to typowe metale ciężkie, miękkie, kowalne i ciagliwe, o wysokich temperaturach topnienia i wrzenia,
bardzo dobrze przewodzące elektryczność i ciepło.
Miedziowce są usytuowane w szeregu elektrochemicznym za wodorem. Pod względem chemicznym metale tej
grupy wykazuja małą aktywność, są słabszymi reduktorami niż wodór, nie wypierają więc wodoru z kwasów - nie
reagują z kwasami nieutleniającymi. Miedź i srebro reagują z kwasami utleniającymi wg schematu:
3Cu + 8HNO
3
= 3Cu(NO
3
)
2
+ 2NO + 4 H
2
O
Spośród miedziowców tylko miedź reaguje z tlenem i tworzy tlenki: czarny CuO i ceglastoczerwony Cu
2
O. Tlenek
miedzi(II) reaguje ze stężonym kwasem solnym tworząc kwas tetrachloromiedziowy(II) o zabarwieniu zielonym.
CuO + 4HCl = H
2
CuCl
4
+ H
2
O
H
2
CuCl
4
= 2H
+
+ CuCl
4
2-
5. Podsumowanie
Aktywność
chemiczna
metali
maleje
Blok Metal Związki z tlenem Związki z
aktywnym
niemetalem
Produkt reakcji z
kwasem nieutl.
(HCl)
Produkt reakcji z
kwasem
utleniającym
(HNO
3
)
Produkt reakcji
z zasadą
(NaOH)
K K
2
O, K
2
O
2
KCl, K
2
S
KCl
KNO
3
-
ß
ß
s
Mg MgO
MgCl
2
, MgS
MgCl
2
Mg(NO
3
)
2
-
Na Na
2
O, Na
2
O
2
NaCl, Na
2
S
NaCl
NaNO
3
-
p
Al Al
2
O
3
AlCl
3
, Al
2
S
3
AlCl
3
Al
2
O
3
*
Na[Al(OH)
4
]
Mn MnO
2
, Mn
2
O
3
MnCl
2
, MnS
MnCl
2
Mn(NO
3
)
2
-
Zn ZnO
ZnCl
2
, ZnS
ZnCl
2
Zn(NO
3
)
2
Na
2
[Zn(OH)
4
]
Cr CrO, Cr
2
O
3
, CrO
3
CrCl
2
, CrS
CrCl
2
Cr(NO
3
)
3
*
-
Fe FeO, Fe
2
O
3
, Fe
3
O
4
FeCl
2
, FeS
FeCl
2
Fe
2
O
3
*
-
d
Cu Cu
2
O, CuO
CuCl
2
, CuS
-
Cu(NO
3
)
2
-
Ag -
AgCl, Ag
2
S
-
AgNO
3
-
W stężonych roztworach kwasów utleniających ulega pasywacji
CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
Ćw. 1. Działanie kwasów na metale
Sprzęt: - statyw z probówkami (pod wyciągiem)
Odczynniki: - 2M kwasy;HCl, HNO
3
, H
2
SO
4
- stężone kwasy; HCl, HNO
3
, H
2
SO
4
- pręty lub blaszki: Al., Zn, Fe, Cu
Opis ćwiczenia
Wyczyścić dokładnie papierem ściernym na wysokość 2 cm pręty lub blaszki metali, a następnie przemyć końcówki
wodą i wodą destylowaną. Do czterech probówek wlewamy kolejno po 1 cm
3
2M HCl, HNO
3
i H
2
SO
4
. Do czterech
następnych po 1cm
3
stężonych kwasów. Do każdej z nich wkładamy oczyszczone metale i obserwujemy
zachodzące reakcje.
Miedź metaliczna
nie reaguje
z rozcieńczonymi kwasami. Reaguje tylko z kwasami utleniającymi, do których
zalicza się stężony H
2
SO
4
i stężony HNO
3
. W reakcjach tych tworzą się sole miedzi, lecz
nie wydziela się wodór.
Następuje redukcja siarki lub azotu do niższego stopnia utlenienia (NO, NO
2
, SO
2
).
Cynk z kwasami utleniającymi reaguje podobnie jak miedź. Żelazo i glin ulegają pasywacji w tych kwasach
(tworzą się tlenki). Z kwasami rozcieńczonymi reagują wypierając z nich wodór. Równocześnie powstają sole
odpowiednich metali).
Odmienne zachowanie się miedzi w porównaniu do pozostałych badanych metali w reakcjach z kwasami
rozcieńczonymi wynika z ich położenia względem wodoru w szeregu napięciowym metali.
Wyniki obserwacji oraz zachodzące reakcje zamieszczamy w sprawozdaniu.
Ćw. 2. Działanie ługów na metale
Sprzęt: - statyw z probówkami
Odczynniki: - 1M NaOH
- pręty lub blaszki: Mg, Al., Zn, Fe, Cu
Opis ćwiczenia
Wyczyścić dokładnie na wysokość 2 cm pręty lub blaszki metali, a następnie przemyć końcówki wodą i wodą
destylowaną. Do czterech probówek wlać po 1 cm
3
1 M NaOH. Do każdej probówki włożyć jeden z metali i
obserwować zachodzące reakcje. W obserwacjach należy uwzględnić:wydzielanie wodoru, brak reakcji, ocenę
stanu powierzchni metalu.
Wyniki obserwacji i reakcje zamieścić w tabeli w sprawozdaniu. Napisać reakcje wg schematu:
Metal amfoteryczny + NaOH = sól + H
2
*
20..../....
Nazwisko, imię
Zaliczenie
Wydz.
Gr.
Temat:
WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE METALI
Ćw. 1. Działanie kwasów na metale
Przebieg reakcji
Zmiana stopnia
utlenienia
Obserwacje,wnioski
1
Zn + HCl =
2
Zn + HNO
3
=
3
Zn + H
2
SO
4
=
4
Zn + HCl
stęż
=
5
Zn + HNO
3stęż
=
6
Zn + H
2
SO
4stęż
=
7
Cu+ HCl =
8
Cu + HNO
3
=
9
Cu + H
2
SO
4
=
10
Cu + HCl
stęż
=
11
Cu + HNO
3stęż
=
12
Cu + H
2
SO
4stęż
=
13
Al + HCl =
14
Al + HNO
3
=
15
Al + H
2
SO
4
=
16
Al + HCl
stęż
=
17
Al + HNO
3stęż
=
18
Al + H
2
SO
4stęż
=
19
Fe + HCl =
20
Fe + HNO
3
=
21
Fe + H
2
SO
4
=
22
Fe + HCl
stęż
=
23
Fe + HNO
3stęż
=
24
Fe + H
2
SO
4stęż
=
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • diabelki.xlx.pl
  • Podobne
    Powered by wordpress | Theme: simpletex | © Spojrzeliśmy na siebie szukając słów, które nie istniały.