Воздействие кислот на металлы
Действие кислот и щелочей на разные металлы различно в зависимости от реакционной способности металла и концентрации кислоты или щелочи.
В разбавленных кислотах и щелочах металлы с более отрицательным потенциалом окисляются ионом водорода, вытесняя его из растворов. При этом протекают следующие реакции окисления - восстановления:
2 nH + + ne = n/2 Н2
Эти реакции протекают с одинаковой скоростью, взаимно обуславливая друг друга, и могут быть реализованы как на одной и той же поверхности металла (и даже в одной материальной точке поверхности), так и на разных металлах, если они находятся в контакте. В последнем случае анодный процесс (реакция 1) будет протекать на металле с более отрицательным потенциалом, а катодный процесс (реакция 2) будет протекать преимущественно на металле с более положительным потенциалом.
В технических металлах и сплавах видимого разделения участков с анодными и катодными процессами не наблюдается, если поверхность однородна с точки зрения чистоты обработки, наклепа, наличия загрязнений и т.д. При погружении таких металлов в кислоту происходит выделение водорода со всей поверхности, объем которого эквивалентен количеству растворенного металла. Концентрированные кислоты (особенно горячие) являются более сильными окислителями, поэтому в них не устойчивы благородные металлы. Так, например, окисление в концентрированной серной кислоте может протекать до различной степени восстановления ее, в зависимости от реакционной способности металла, с выделением SO2 и даже H2S.
Азотная кислота в зависимости от концентрации и реакционной способности металла проходит следующие стадии восстановления:
Судить о количестве растворенного металла в таких кислотах по объему выделившихся газообразных продуктов трудно, так как состав газовой фазы является сложным и не остается постоянным в процессе окисления металла, поскольку некоторые газы хорошо растворяются в воде (SO2, NO2), а другие образуют комплексные соединения.
Для некоторых металлов концентрированные кислоты менее опасны, чем разбавленные. Например, серная кислота для железа, свинца и алюминия. Потому, что на их поверхности образуются нерастворимые соли, играющие роль защитных покрытий. В сильно разбавленных щелочах ввиду малой концентрации ионов водорода окисление происходит, главным образом, за счет кислорода по реакции (для двухвалентного металла):
Эта реакция идет с поглощением кислорода из воздуха.
Стойкость металлов в щелочах зависит от характера образующейся гидроокиси. Если гидроокись амфотерна, и может образовывать с гидроксид-ионом растворимый комплексный продукт, то металл будет неустойчив в щелочи. Такие гидроокиси образуют алюминий, цинк, олово, свинец и др.
Если гидроокиси металлов не амфотерны (гидроокиси никеля, магния), то они не растворяются в щелочных растворах, и поверхность металла пассивируется гидроокисной пленкой, предохраняющей его от окисления. В этом случае водород перестает выделяться, и коррозия не протекает.
Явление самопроизвольной пассивности наблюдается и при действии разбавленных кислот на некоторые сплавы, например, при действии серной кислоты концентрацией до 20 % на высокохромистые чугуны с добавками титана или соляной кислоты на высокохромистые чугуны с добавкой молибдена и т.п. Для этих сплавов характерным является интенсивное растворение ( и, соответственно, обильное выделение водорода). В начальные периоды испытания наблюдается замедление, и даже прекращение процесса через некоторое время. Время до наступления пассивного состояния зависит от состава сплава и концентрации раствора. Это время легко установить по прекращению выделения водорода, а также по изменению знака потенциала.
Объемный метод широко используют в лабораторной практике, когда нужно установить кинетику коррозионного разрушения металла или сплава в кислотах или щелочах, окисляющих ионом водорода. Измеряя объем водорода через равные промежутки времени, можно выяснить характер изменения скорости коррозии и установить способность металла к самопроизвольному пассивированию в данных условиях.
Количество выделившегося водорода, являющегося мерой скорости коррозии, зависит от суммарноготока, возникшего в коррозионной системе.
Предполагая, что токи, протекающее через микроэлементы, равны между собой, объём выделившегося водорода будет пропорциональным количеству микропор, имеющихся на поверхности металла, т. е. его неоднородности.
Величина тока, протекающего через каждый микроэлемент, пропорционально разности потенциалов, установившихся в процессе растворения между анодным и катодным участками.
Введение в сплав легирующих элементов, вызывающих пассивацию сплава должно вызвать увеличение перенапряжения выделение водорода на микрокатодах и уменьшение скорости коррозии.
Увеличение структурной неоднородности и образование ликокатодов с малым перенапряжение выделяющего водорода должно вызвать увеличение количества выделившегося водорода, т. е. скорость коррозии.
Этот метод позволяет непрерывно следить за изменением скорости коррозии.
Выполнение работы
Пред проведением работ необходимо ознакомится:
1. с влиянием примесей и присадок на коррозионную устойчивость металлов в кислотах;
2. с объёмны методом определения скорости коррозии;
3. с оценкой коррозионной стойкости металлов.
1-й вариант. Наблюдения за объемом выделяющегося водорода можно производить с помощью бюретки, опущенной в стакан. В первом случае нижняя часть бюретки соединяется с воронкой, под которую помещаем испытуемый образец. Раствор наливаем в стакан с помощью водоструйного насоса, засасываем его в бюретку до метки. Затем бюретку отключаем от насоса и производим запись показаний уровня жидкости в ней через 10 минут.
Опыт производят на двух образцах. Желательно иметь сплавы с различной способностью к самопроизвольному пассивированию. Взвешенные на аналитических весах образцы помещают в стакан, куда наливают раствор.
Можно начинать опыт, отсчитывая объем выделяющегося водорода. Длительность испытания - 1,5 часа. По окончании испытания образцы необходимо взвесить на тех же аналитических весах и с той же точностью. Потерю в весе выразить в г/(м 2 ч), произвести оценку стойкости металла по 10-бальной шкале. В том случае если сплав перешел в пассивное состояние в процессе испытания, необходимо определить время коррозии, а весовые потери разделить не на все время испытания, а на то, в течение которого происходило растворение.
По данным наблюдений построить графики:
1. Объем водорода, отнесенный к единице поверхности S - время в мин.
2. Изменения относительного объема водорода во времени V - время в мин. Для построения первого графика необходимо объем водорода, полученный за каждый отсчет, разделить на поверхность образца.
Для построения второго графика необходимо найти разницу показаний относительно объема водорода между ближайшими отсчетами и разделить на время между отсчетами (10 мин).
По общему объему водорода, выделившегося за время опыта, можно вычислить весовые потери в граммах, пользуясь уравнением:
где М – атомная масса металла
n- валентность металла
V –объем выделившегося водорода, мл
VH2 – измеренный объем водорода, мл
t – температура раствора, о С.
Задание:
1. Опишите процессы, которые вы наблюдали.
2 Оцените стойкость металла в данной агрессивной среде
3 Сделайте заключение о целесообразности использования сплава в данной среде.
2-й вариант. Для определения скорости коррозии по выделению водорода широко применяется метод, при котором водород вытесняет раствор, объём которого измеряется.
Выделяющийся водород вытесняет из герметически закрытой бутылки кислоту, которая капает в бюретку; объём вытесненной жидкости соответствует объёму выделившегося водорода.
Образцами для испытаний служат:
- серый чугун – феррит + перлит + зеерлит ;
- сталь 0,4% - феррит + перлит
- хромистая сталь с 12% Cr – твёрдый раствор + карбиды;
- хромоникелевая сталь с 8% Ni + 18% Cr – аустенит;
Образцы с измеренной поверхностью должны быть зачищены наждачной бумагой, тщательно обезжирены содой, промыты в проточной воде и вытерты фильтровальной бумагой. Опыт проводят в установке, изображенной на рисунке
Подготовленные образцы М помещают в стеклянные держатели, которые подвешивают на стеклянные крючки, укреплённые в пробке Б.
. В склянки с тубусом наливают 5% - ную Н2SO4, пробку Б и кран А плотно закрывают, после чего открывают зажим Е, из которого при этом вытекает в бюретку небольшое количество раствора. Зажим Е в дальнейшем при работе оставляют открытым.
Загрузив образец, записывают уровень жидкости в бюретке – этот момент и является началом опыта.
В дальнейшем в течение 100 мин такую запись повторяют каждые 20 мин.
После окончания опыта закрывают зажимы Е и вынимают образцы с пробками.
. Образцы хорошо ополаскивают водой и вытирают
Результаты опытов записывают по форме.
Результаты опытов т. е. объём выделившегося водорода в см 3 относят к единице поверхности образцов и выражают в см 3 /см 2 .
Кроме того, результаты опытов оформляются в виде диаграмм, показывающие зависимость количества выделившегося водорода с единицы поверхности образца ΔV ( см 3 /см 2 ) от продолжительности испытания для каждого образца τ.мин.
Зная объём водорода, выделившегося за время опыта, можно вычислить весовые потери корродировавших образцов.
При вычислении исходят из того, что при растворении одного грамм-эквивалента металла выделившегося при нормальных условиях 11,2л. водорода.
Условно принимаем, что во всех взятых для испытания образцах происходит растворение железа.
Характеризую коррозионную устойчивость испытанных образцов по шкале коррозионной стойкости ( таблица 3).
Коррозия металлов в кислотах
Коррозия металла в кислотах – это его разрушение при взаимодействии с концентрированными или разведенными кислотами. Часто такие разрушения встречаются на химических производствах и других сферах деятельности человека. Слабые кислотные растворы могут создавать даже некоторые продукты питания, и непокрытый металл, соприкасающийся с ними, будет коррозировать. То, как себя поведет металлический предмет при контакте с кислотой, зависит от его способности пассивироваться. Процесс коррозии металлов в кислотах проходит с выделением водорода.
Рассмотрим более подробно случаи коррозии металла в кислотах разного происхождения.
Коррозия металлов в соляной кислоте
Соляная кислота является очень агрессивной по отношению к металлам. В большей степени это обуславливается содержанием в ней ионов Cl - . Даже коррозионно-стойкие стали подвергаются разрушению, когда концентрация кислоты выше среднего. Если же раствор достаточно сильно разбавлен, такие стали коррозии не подвергаются.
Коррозия никеля в серной кислоте не протекает даже в случаях, когда достигается температура кипения. В присутствии трехвалентного железа, хлоридов, других окислителей никель и его сплавы начинают разрушаться.
Низколегированная аустенитная сталь при комнатной температуре и концентрации соляной кислоты в 0,2 – 1% подвергается коррозии со скоростью 24 г/(м 2 •сут).
Коррозия металлов в органических кислотах
Самой сильной среди органических кислот является уксусная. В яблочной, бензойной, пикриновой, олеиновой, винной, стеариновой кислотах даже при больших температурах (выше 100°С) коррозионно-стойкие стали отличаются высокой устойчивостью. При контакте металлов с муравьиной кислотой образуются питтинги (особенно при увеличении температуры). Глубина их даже больше, чем в уксусной кислоте.
В органических кислотах высокой устойчивостью обладает алюминий, т.к. на его поверхности присутствует защитная пленка труднорастворимых окислов.
Щавелевая, себациновая, лимонная и молочная кислоты вызывают коррозию сталей только при больших концентрациях. В них устойчивы хромистые стали с добавками молибдена.
Коррозия металлов в азотной кислоте
Азотная кислота обладает агрессивным воздействием по отношению ко многим металлам. Малоуглеродистые стали не обладают достаточной устойчивостью в растворах азотной кислоты. Кроме того, при повышении концентрации HNO3 до 35 – 40% (при данных концентрациях сталь переходит в пассивное состояние) коррозия малоуглеродистых сталей в азотной кислоте увеличивается. При концентрации азотной кислоты близкой к 100% пассивное состояние нарушается. Азотная кислота является окислителем. При коррозии железа катодными деполяризаторами являются молекулы азотной кислоты и нитрат-ионы. Устойчивость в азотной кислоте хромистых сталей повышается, если в их состав вводить никель и молибден. Коррозионное разрушение сталей в азотной кислоте происходит по границам зерен. На алюминий слабое влияние оказывают пары азотной кислоты или растворы с концентрацией более 80%. При нормальной температуре алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью в азотной кислоте. Скорость коррозии алюминия в азотной кислоте возрастает при постоянном перемешивании и присутствии в растворе хлорид-ионов.
Коррозия металлов в серной кислоте
При концентрации серной кислоты около 50 – 55% поверхность железа переходит в пассивное состояние. Далее с повышением температуры и концентрации серной кислоты поверхность железа становится активной (наблюдается коррозия железа в серной кислоте).
В растворах серной кислоты, как и в других кислотах, на скорость коррозии железа большое влияние оказывает природа анионов. Это связано с торможением катодного и анодного процессов и их адсорбцией на поверхности металла.
Я.М. Колотыркин развил представления, что на анодное растворение железа оказывают влияние анионы. Это связано с образование комплекса:
Из вышеперечисленных уравнений понятно, что скорость анодного процесса возрастает с увеличением концентрации ионов HSO4 - и SO4 2- . С поверхности железа сульфат ионы вытесняются хлорид ионами, но до определенной концентрации ионов хлора, скорость протекания анодного процесса замедляется.
В 95 – 98% серной кислоте при нормальной температуре хорошей устойчивостью обладают хромистые стали (с содержанием хрома около 17%) с небольшой добавкой молибдена или без него. В таких условиях (при большой концентрации серной кислоты) стоек также алюминий и углеродистые стали. Чистый алюминий (99,5%) более устойчив в серной кислоте, чем его сплавы, в состав которых не входит медь. Скорость коррозии алюминия в серной кислоте (и его сплавов) при повышении температуры с 20°С до 98°С увеличивается с 8 до 24 г/(м 2 •сут). Коррозионно-стойкие стали в 5-ти или 20-% растворе при температуре кипения серной кислоты устойчивы только в присутствии ингибиторов коррозии.
При обычной температуре в серной кислоте коррозия меди практически не наблюдается. А при повышении температуры до 100°С процесс разрушения интенсифицируется. В 25% растворе серной кислоты, повышенном давлении и температуре близкой к 200°С медь быстро разрушается.
Латунь не обладает коррозионной стойкостью в растворах серной кислоты любых концентраций даже при комнатной температуре. Устойчивость латуней к разрушению в серной кислоте можно только повысить введением в раствор 30% соли CuSO4•5H2O.
Коррозия металлов в фосфорной кислоте
Наибольшей стойкостью к коррозии в фосфорной кислоте отличаются молибденовые стали. Алюминий и его сплавы (в состав которых не входит медь, магний) устойчивы в фосфорной кислоте. При обычной температуре не поддаются также разрушениям хромоникелевые аустенитные стали (в растворах фосфорной кислоты любой концентрации). В концентрированной технической фосфорной кислоте при температуре не выше 50°С стойки малоуглеродистые стали. Если сталь с 17% хрома поместить в раствор фосфорной кислоты, концентрацией от 1 до 10%, то она будет обладать высокой устойчивостью даже при температуре кипения.
Медь практически не подвергается коррозии в фосфорной кислоте при температуре от 20 до 95°С. Но если в систему вводить окислитель и повышать температуру – скорость коррозии меди в фосфорной кислоте значительно увеличивается. Бронзы и латуни в фосфорной кислоте ведут себя аналогично.
Коррозия металлов во фтористоводородной кислоте
Чугун, малоуглеродистая сталь и железо во фтористоводородной кислоте быстро разрушаются. В 10-% фтористоводородной кислоте при нормальной температуре обладают хорошей устойчивостью хромистые стали (с содержанием хрома 17%). В 20-% кислоте при температуре до 50°С устойчивы аустенитные высоколегированные стали. Латуни не разрушаются в 40-60-% фтористоводородной кислоте при 20°С. Магниевые сплавы устойчивы при температурах до 65°С в 45-% растворе.
Коррозия алюминия
Коррозия алюминия – разрушение металла под влиянием окружающей среды.
Для реакции Al 3+ +3e → Al стандартный электродный потенциал алюминия составляет -1,66 В.
Температура плавления алюминия - 660 °C.
Плотность алюминия - 2,6989 г/см 3 (при нормальных условиях).
Алюминий, хоть и является активным металлом, отличается достаточно хорошими коррозионными свойствами. Это можно объяснить способностью пассивироваться во многих агрессивных средах.
Коррозионная стойкость алюминия зависит от многих факторов: чистоты металла, коррозионной среды, концентрации агрессивных примесей в среде, температуры и т.д. Сильное влияние оказывает рН растворов. Оксид алюминия на поверхности металла образуется только в интервале рН от 3 до 9!
Очень сильно влияет на коррозионную стойкость Al его чистота. Для изготовления химических агрегатов, оборудования используют только металл высокой чистоты (без примесей), например алюминий марки АВ1 и АВ2.
Коррозия алюминия не наблюдается только в тех средах, где на поверхности металла образуется защитная оксидная пленка.
При нагревании алюминий может реагировать с некоторыми неметаллами:
2Al + N2 → 2AlN – взаимодействие алюминия и азота с образованием нитрида алюминия;
4Al + 3С → Al4С3 – реакция взаимодействия алюминия с углеродом с образованием карбида алюминия;
2Al + 3S → Al2S3 – взаимодействие алюминия и серы с образованием сульфида алюминия.
Коррозия алюминия на воздухе (атмосферная коррозия алюминия)
Алюминий при взаимодействии с воздухом переходит в пассивное состояние. При соприкосновении чистого металла с воздухом на поверхности алюминия мгновенно появляется тонкая защитная пленка оксида алюминия. Далее рост пленки замедляется. Формула оксида алюминия – Al2O3 либо Al2O3•H2O.
Реакция взаимодействия алюминия с кислородом:
Толщина этой оксидной пленки составляет от 5 до 100 нм (в зависимости от условий эксплуатации). Оксид алюминия обладает хорошим сцеплением с поверхностью, удовлетворяет условию сплошности оксидных пленок. При хранении на складе, толщина оксида алюминия на поверхности металла составляет около 0,01 – 0,02 мкм. При взаимодействии с сухим кислородом – 0,02 – 0,04 мкм. При термической обработке алюминия толщина оксидной пленки может достигать 0,1 мкм.
Алюминий достаточно стоек как на чистом сельском воздухе, так и находясь в промышленной атмосфере (содержащей пары серы, сероводород, газообразный аммиак, сухой хлороводород и т.п.). Т.к. на коррозию алюминия в газовых средах не оказывают никакого влияния сернистые соединения – его применяют для изготовления установок переработки сернистой нефти, аппаратов вулканизации каучука.
Коррозия алюминия в воде
Коррозия алюминия почти не наблюдается при взаимодействии с чистой пресной, дистиллированной водой. Повышение температуры до 180 °С особого воздействия не оказывает. Горячий водяной пар на коррозию алюминия влияния также не оказывает. Если в воду, даже при комнатной температуре, добавить немного щелочи – скорость коррозии алюминия в такой среде немного увеличится.
Взаимодействие чистого алюминия (не покрытого оксидной пленкой) с водой можно описать при помощи уравнения реакции:
При взаимодействии с морской водой чистый алюминий начинает корродировать, т.к. чувствителен к растворенным солям. Для эксплуатации алюминия в морской воде в его состав вводят небольшое количество магния и кремния. Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов, при воздействии морской воды, значительно снижается, если в состав метала будет входить медь.
Коррозия алюминия в кислотах
С повышением чистоты алюминия его стойкость в кислотах увеличивается.
Коррозия алюминия в серной кислоте
Для алюминия и его сплавов очень опасна серная кислота (обладает окислительными свойствами) средних концентраций. Реакция с разбавленной серной кислотой описывается уравнением:
Концентрированная холодная серная кислота не оказывает никакого влияния. А при нагревании алюминий корродирует:
При этом образуется растворимая соль – сульфат алюминия.
Al стоек в олеуме (дымящая серная кислота) при температурах до 200 °С. Благодаря этому его используют для производства хлорсульфоновой кислоты (HSO3Cl) и олеума.
Коррозия алюминия в соляной кислоте
В соляной кислоте алюминий или его сплавы быстро растворяются (особенно при повышении температуры). Уравнение коррозии:
Аналогично действуют растворы бромистоводородной (HBr), плавиковой (HF) кислот.
Коррозия алюминия в азотной кислоте
Концентрированный раствор азотной кислоты отличается высокими окислительными свойствами. Алюминий в азотной кислоте при нормальной температуре исключительно стоек (стойкость выше, чем у нержавеющей стали 12Х18Н9). Его даже используют для производства концентрированной азотной кислоты методом прямого синтеза
При нагревании коррозия алюминия в азотной кислоте проходит по реакции:
Коррозия алюминия в уксусной кислоте
Алюминий обладает достаточно высокой стойкостью к воздействию уксусной кислоты любых концентраций, но только если температура не превышает 65 °С. Его используют для производства формальдегида и уксусной к-ты. При более высоких температурах алюминий растворяется (исключение составляют концентрации кислоты 98 – 99,8%).
В бромовой, слабых растворах хромовой (до10%), фосфорной (до 1%) кислотах при комнатной температуре алюминий устойчив.
Слабое влияние на алюминий и его сплавы оказывают лимонная, масляная, яблочная, винная, пропионовая кислоты, вино, фруктовые соки.
Щавелевая, муравьиная, хлорорганические кислоты разрушают металл.
На коррозионную стойкость алюминия очень сильно влияет парообразная и капельножидкая ртуть. После недолгого контакта металл и его сплавы интенсивно корродируют, образуя амальгамы.
Коррозия алюминия в щелочах
Щелочи легко растворяют защитную оксидную пленку на поверхности алюминия, он начинает реагировать с водой, в результате чего металл растворяется с выделением водорода (коррозия алюминия с водородной деполяризацией).
Воздействие кислот на металлы
ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К КИСЛОТАМ
Чаще всего в химической практике используются такие сильные кислоты как серная H 2 SO 4 , соляная HCl и азотная HNO 3 . Далее рассмотрим отношение различных металлов к перечисленным кислотам.
Соляная кислота ( HCl )
Соляная кислота – это техническое название хлороводородной кислоты. Получают ее путем растворения в воде газообразного хлороводорода – HCl . Ввиду невысокой его растворимости в воде, концентрация соляной кислоты при обычных условиях не превышает 38%. Поэтому независимо от концентрации соляной кислоты процесс диссоциации ее молекул в водном растворе протекает активно:
Образующиеся в этом процессе ионы водорода H + выполняют роль окислителя, окисляя металлы, расположенные в ряду активности левее водорода. Взаимодействие протекает по схеме:
Me + HCl соль + H 2 ↑
При этом соль представляет собой хлорид металла ( NiCl 2 , CaCl 2 , AlCl 3 ), в котором число хлорид-ионов соответствует степени окисления металла.
Соляная кислота является слабым окислителем, поэтому металлы с переменной валентностью окисляются ей до низших положительных степеней окисления:
Fe 0 → Fe 2+
Co 0 → Co 2+
Ni 0 → Ni 2+
Cr 0 → Cr 2+
Mn 0 → Mn 2+ и др .
2 Al + 6 HCl → 2 AlCl 3 + 3 H 2 ↑
2│ Al 0 – 3 e - → Al 3+ - окисление
3│2 H + + 2 e - → H 2 – восстановление
Соляная кислота пассивирует свинец ( Pb ). Пассивация свинца обусловлена образованием на его поверхности трудно растворимого в воде хлорида свинца ( II ), который защищает металл от дальнейшего воздействия кислоты:
Pb + 2 HCl → PbCl 2 ↓ + H 2 ↑
Серная кислота ( H 2 SO 4 )
В промышленности получают серную кислоту очень высокой концентрации (до 98%). Следует учитывать различие окислительных свойств разбавленного раствора и концентрированной серной кислоты по отношению к металлам.
Разбавленная серная кислота
В разбавленном водном растворе серной кислоты большинство ее молекул диссоциируют:
Образующиеся ионы Н + выполняют функцию окислителя.
Как и соляная кислота, разбавленный раствор серной кислоты взаимодействует только с металлами активными и средней активности (расположенными в ряду активности до водорода).
Химическая реакция протекает по схеме:
1│2Al 0 – 6e - → 2Al 3+ - окисление
Металлы с переменной валентностью окисляются разбавленным раствором серной кислоты до низших положительных степеней окисления:
Mn 0 → Mn 2+ и др .
Свинец ( Pb ) не растворяется в серной кислоте (если ее концентрация ниже 80%) , так как образующаяся соль PbSO 4 нерастворима и создает на поверхности металла защитную пленку.
Концентрированная серная кислота
В концентрированном растворе серной кислоты (выше 68%) большинство молекул находятся в недиссоциированном состоянии, поэтому функцию окислителя выполняет сера, находящаяся в высшей степени окисления ( S +6 ). Концентрированная H 2 SO 4 окисляет все металлы, стандартный электродный потенциал которых меньше потенциала окислителя – сульфат-иона SO 4 2- (0,36 В). В связи с этим, с концентрированной серной кислотой реагируют и некоторые малоактивные металлы.
Процесс взаимодействия металлов с концентрированной серной кислотой в большинстве случаев протекает по схеме:
Me + H 2 SO 4 (конц.) соль + вода + продукт восстановления H 2 SO 4
Продуктами восстановления серной кислоты могут быть следующие соединения серы:
Практика показала, что при взаимодействии металла с концентрированной серной кислотой выделяется смесь продуктов восстановления, состоящая из H 2 S , S и SO 2. Однако, один из этих продуктов образуется в преобладающем количестве. Природа основного продукта определяется активностью металла: чем выше активность, тем глубже процесс восстановления серы в серной кислоте.
Взаимодействие металлов различной активности с концентрированной серной кислотой можно представить схемой:
Алюминий ( Al ) и железо ( Fe ) не реагируют с холодной концентрированной H 2 SO 4 , покрываясь плотными оксидными пленками, однако при нагревании реакция протекает.
Ag , Au , Ru , Os , Rh , Ir , Pt не реагируют с серной кислотой.
Концентрированная серная кислота является сильным окислителем, поэтому при взаимодействии с ней металлов, обладающих переменной валентностью, последние окисляются до более высоких степеней окисления, чем в случае с разбавленным раствором кислоты:
Fe 0 → Fe 3+ ,
Cr 0 → Cr 3+ ,
Mn 0 → Mn 4+ ,
Sn 0 → Sn 4+
Свинец ( Pb ) окисляется до двухвалентного состояния с образованием растворимого гидросульфата свинца Pb ( HSO 4 )2 .
пятница, 20 февраля 2015 г.
Взаимодействие металлов с кислотами
С разбавленными кислотами, которые проявляют окислительные свойства за счет ионов водорода (разбавленные серная, фосфорная, сернистая, все бескислородные и органические кислоты и др.)
реагируют металлы:
• расположенные в ряду напряжений до водорода (эти металлы способны вытеснять водород из кислоты);
• образующие с этими кислотами растворимые соли (на поверхности этих металлов не образуется защитная солевая
пленка).
В результате реакции образуются растворимые соли и выделяется водород:
2А1 + 6НСI = 2А1С13 + ЗН2↑
М g + Н2 SO 4 = М gS О4 + Н2↑
разб.
С u + Н2 SO 4 → X (так как С u стоит после Н2)
разб.
РЬ + Н2 SO 4 → X (так как РЬ SO 4 нерастворим в воде)
разб.
Некоторые кислоты являются окислителями за счет элемента, образующего кислотный остаток, К ним относятся концентрированная серная, а также азотная кислота любой концентрации. Такие кислоты называют кислотами-окислителями.
Окислительные свойства кислотных остатков и значительно сильнее, чем нона водорода Н, поэтому азотная и концентрированная серная кислоты взаимодействуют практически со всеми металлами, расположенными в ряду напряжений как до водорода, так и после него, кроме золота и платины. Так как окислителями в этих случаях являются ноны кислотных остатков (за счет атомов серы и азота в высших степенях окисления), а не ноны водорода Н, то при взаимодействии азотной, а концентрированной серной кислот с металлами не выделяется водород. Металл под действием данных кислот окисляется до характерной (устойчивой) степени окисления и образует соль, а продукт восстановления кислоты зависит от активности металла и степени разбавления кислоты
Разбавленная и концентрированная серные кислоты ведут себя по-разному. Разбавленная серная кислота ведет себя, как обычная кислота. Активные металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода
вытесняют водород из разбавленной серной кислоты. Мы видим пузырьки водорода при добавлении разбавленной серной кислоты в пробирку с цинком.
Медь стоит в ряду напряжений после водорода – поэтому разбавленная серная кислота не действует на медь. А в концентрированной серной кислоты, цинк и медь, ведут себя таким образом…
Цинк, как активный металл, может образовывать с концентрированной серной кислотой сернистый газ, элементарную серу, и даже сероводород.
Медь - менее активный металл. При взаимодействии с концентрированно серной кислотой восстанавливает ее до сернистого газа.
Следует иметь в виду, что на схемах указаны продукты, содержание которых максимально среди возможных продуктов восстановления кислот.
На основании приведенных схем составим уравнения конкретных реакций — взаимодействия меди и магния с концентрированной серной кислотой:
0 +6 +2 +4
С u + 2Н2 SO 4 = С uSO 4 + SO 2 + 2Н2 O
конц.
0 +6 +2 -2
4М g + 5Н2 SO 4 = 4М gSO 4 + Н2 S + 4Н2 O
конц.
Некоторые металлы ( Fe . АI, С r ) не взаимодействуют с концентрированной серной и азотной кислотами при обычной температуре, так как происходит пассивации металла. Это явление связано с образованием на поверхности металла тонкой, но очень плотной оксидной пленки, которая и защищает металл. По этой причине азотную и концентрированную серную кислоты транспортируют в железных емкостях.
Если металл проявляет переменные степени окисления, то с кислотами, являющимися окислителями за счет ионов Н + , он образует соли, в которых его степень окисления ниже устойчивой, а с кислотами-окислителями — соли, в которых его степень окисления более устойчива:
0 +2
F е+Н2 SO 4 = F е SO 4 +Н2
0 разб. + 3
F е+Н2 SO 4 = F е2( SO4 )3 + 3 SO2 + 6Н2 O
конц
Читайте также: