Взаимодействие жидких металлов с кислородом

Содержание

Щелочные (Li-Fr), щелочно-земельные (Ca-Ra) металлы, Mg
Алюминий
Железо
Хром
Медь
Цинк
Взаимодействие жидких металлов с кислородом
Взаимодействие металлов с оксидами
Взаимодействие с аммиаком
Взаимодействие с водой
Взаимодействие с органическими веществами
Взаимодействие с солями
Вопросы для самоконтроля
Получение кислорода
Физические свойства кислорода
Химические свойства кислорода
Подведем итоги

Щелочные (Li-Fr), щелочно-земельные (Ca-Ra) металлы, Mg

1) Реагируют с кислородом (подробнее)

Все Щ металлы, кроме Li, образуют не оксиды, а пероксиды:

2Li O2 → 2Li2O

2Na O2 → Na2O2

Оксиды получают взаимодействием пероксидов с металлом:

Na2O2 2Na → 2Na2O

2) Реагируют с водородом (подробнее)

3) Реагируют с водой (подробнее)

4) Реагируют с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом:

3Mg 2P → Mg3P2 (t)

2Na Cl2 → 2NaCl

Ca 2C → CaC2 (t)

5) Реагируют с некоторыми кислотными оксидами:

CO2 2Mg → 2MgO C

SiO2 2Mg → 2MgO SiSiO2 2Ca → 2CaO SiSiO2 2Ba → 2BaO Si

6) Магний как восстановитель используется в производстве кремния и некоторых металлов:

2Mg TiCl4 → 2MgCl2 Ti (t)

7) Реакции Щ и ЩЗ металлов с растворами солей или кислот не рассматриваются, так как эти металлы очень бурно взаимодействуют с водой, и суммарная реакция изменится.

Алюминий

1) Реагирует с кислородом: 4Al 3O2 → 2Al2O3

2) Не реагирует с водородом (из металлов только Щ и ЩЗ металлы взаимодействуют с водородом)

3) Реагирует с водой, если удалить оксидную пленку:

2Al 6H2O → 2Al(OH)3 3H2

4) Реагирует с щелочами с выделением водорода (также Be и Zn):

2Al 2NaOH 6H2O → 2Na[Al(OH)4] 3H2

5) Реагируют с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом:

2Al 3Cl2 → 2AlCl3

4Al 3C → Al4C3

2Al N2 → 2AlN (t)

6) Используется для восстановления менее активных металлов (алюмотермия):

3FeO 2Al → 3Fe Al2O3Cr2O3 2Al → 2Cr Al2O3

7) Реагирует с кислотами-неокислителями, так как находится до водорода в ряду напряжений, с выделением водорода:

Al H2SO4 (р) → Al2(SO4)3 H2

8) Вытесняет менее активные металлы из их солей:

2Al 3CuSO4 → Al2(SO4)3 3Cu

9) На холоде пассивируется концентрированными растворами серной и азотной кислот. При нагревании реагирует без выделения водорода:

Al 4HNO3(конц.) → Al(NO3)3 NO

8Al 30HNO3(разб.) → 8Al(NO3)3 3NH4NO3 9H2O (при любой температуре, возможно образование N2O)

2Al 6H2SO4(конц.) → Al2(SO4)3 3SO2H2

Железо

1) Реагирует с кислородом:

3Fe 2O2 → Fe3O4 (железная окалина)

В присутствии воды образуется ржавчина:4Fe 3O2 6H2O → 4Fe(OH)3

2) Не реагирует с водородом (только Щ и ЩЗ металлы взаимодействуют с водородом)

Fe H2 → реакция не идет

3) Реагирует с парами воды с образованием оксида:

3Fe 4H2O → Fe3O4 4H2 (t)

4) Не реагирует с щелочами

Fe NaOH → реакция не идет

5) Реагирует с кислородом, серой, галогенами при нагревании:

2Fe 3F2 → 2FeF3 (образуется соль Fe 3)

2Fe 3Cl2 → 2FeCl3 (образуется соль Fe 3)

2Fe 3Br2 → 2FeBr3 (образуется соль Fe 3)

Fe I2 → FeI2 (образуется соль Fe 2)

Fe S → FeS

6) Реагирует с кислотами-неокислителями, так как находится до водорода в ряду напряжений, с выделением водорода:

Fe H2SO4 (разб.) → FeSO4 H2²)

Fe 2HCl → FeCl2 H2

7) Вытесняет менее активные металлы из их солей:

Fe CuSO4 → FeSO4 Cu (образуется соль Fe 2)

8) На холодe пассивируется концентрированными растворами серной и азотной кислот (т.е. реакция не протекает). При нагревании реагирует без выделения водорода:

Fe 6HNO3(конц.) → Fe(NO3)3 3NO2³)Fe 4HNO3(разб.) → Fe(NO3)3 NO³)2Fe 6H2SO4(конц.) → Fe2(SO4)3 3SO2³)

9) Соединения Fe 3 реагируют с железом, медью, восстанавливаясь до Fe 2:

2FeCl3 Fe → 3FeCl2

Fe3O4 Fe → 4FeO

Fe2O3 Fe → 3FeO

Хром

1) Реагирует с кислородом:

4Cr 3O2 → 2Cr2O3

2) Не реагирует с водородом (только Щ и ЩЗ металлы взаимодействуют с водородом)

Cr H2 → реакция не идет

3) Реагирует с парами воды с образованием оксида:

2Cr 3H2O → Cr2O3 3H2 (t)

4) Не реагирует с щелочами

Cr NaOH → реакция не идет

5) Реагирует с кислородом, серой, галогенами при нагревании:

2Cr 3Cl2 → 2CrCl3 (образуется соль Fe 3)

2Cr 3Br2 → 2CrBr3 (образуется соль Fe 3)

Cr S → Cr2S3 (образуется соль Fe 3)

Cr H2SO4 (разб.) → CrSO4 H2²)Cr 2HCl → CrCl2 H2²)

7) Пассивируется концентрированными растворами серной и азотной кислот (реакция идут только при нагревании)

Про кислород: Крутые химические реакции (24 гифки) » Триникси

Cr 6HNO3(конц.) → Cr(NO3)3 3NO2

Медь

1) Реагирует с кислородом:

2Cu O2 → 2CuO

2) Реагирует с соединениями Cu 2 с образованием промежуточной степени окисления 1:

CuO Cu → Cu2O

CuCl2 Cu → 2CuCl

3) Не реагирует с водородом (только Щ и ЩЗ металлы взаимодействуют с водородом)

Cu H2 → реакция не идет

4) Не реагирует с парами воды (так как находится в ряду напряжений после водорода):

Cu H2O → реакция не идет

5) Не реагирует с щелочами

Cu NaOH → реакция не идет

6) Реагирует с кислородом, серой, галогенами при нагревании:

Cu Cl2 → CuCl2 (образуется соль Cu 2)

Cu Br2 → CuBr2 (образуется соль Cu 2)

2Cu I2 → 2CuI (образуется соль Cu 1)

Cu S → CuS (образуется соль Cu 2)

7) Не реагирует с N2, C, Si.

8) Не реагирует с кислотами-неокислителями, так как находится правее водорода в ряду напряжений:

Cu H2SO4(р) → реакция не идет.

9) Реагирует с кислотами-окислителями как слабый восстановитель:

Cu 4HNO3(конц.) → Cu(NO3)2 2NO2

Цинк

1) Реагирует с кислородом: 2Zn O2 → 2ZnO

2) Не реагирует с водородом (из металлов только Щ и ЩЗ металлы взаимодействуют с водородом)

3) Реагирует с парами воды, т.е. при сильном нагревании, с образованием оксида:

Zn H2O → ZnO H2

4) Реагирует с твердыми щелочами и растворами щелочей с выделением водорода (также Be и Al):

Zn 2NaOH(тв.) → Na2ZnO2 H2 (t)

Zn 2NaOH 2H2O → Na2[Zn(OH)4] H2

5) Реагируют с галогенами, серой при нагревании:

Zn Cl2 → ZnCl2

Zn S → ZnS

Zn H2SO4 (разб.) → ZnSO4 H2

8) Реагирует с кислотами-окислителями:

4Zn 5H2SO4(конц.) → 4ZnSO4 H2S

Так как Zn находится примерно в центре ряда напряжений, то в реакциях с азотной кислотой могут образовываться разные продукты:

Zn 4HNO3(конц.) → Zn(NO3)2 2NO2

4Zn 10HNO3(разб.) → 4Zn(NO3)2 NH4NO3 3H2O.

22.04.2022

Подавляющее большинство металлов как в жидком, так и твердом состояниях активно взаимодействует с кислородом. Конечным продуктом взаимодействия являются оксиды. Это объясняется тем, что равновесное давление кислорода над оксидами составляет величину, значительно меньшую 2*10в4 Па — парциальное давление кислорода в атмосфере воздуха (табл. 3).

Хотя с повышением температуры равновесное давление кислорода над оксидами возрастает, однако при температурах плавления чистых металлов эта величина остается очень малой. Так, для закиси меди при 1200 С равновесное давление кислорода равно всего 10 Па, а для оксидов других металлов оно намного порядков меньше. Исключение составляет закись серебра, у которой при 600 °C равновесное давление кислорода равно 10в6 Па. Следовательно, этот оксид будет неустойчив на воздухе, и плавка серебра на воздухе при 900—1000 °C не должна привести к появлению свободной закиси серебра.

Для плавки металлов важна не только возможность образования свободного оксида. He менее важным является образование растворов кислорода в расплаве, которое может предшествовать появлению свободного оксида. По этому признаку металлы можно разбить на два типа, как это сделано в приведенном ниже ряду. Металлы, не способные растворять в своем расплаве кислород в практически заметных количествах, отмечены знаком «-», а те, в которых кислород растворяется, отмечены знаком « »:

Как видно, легкоплавкие металлы по алюминий включительно не растворяют кислород, находясь в жидком состоянии. У них взаимодействие с этим газом выражается в появлении пленки нерастворимого оксида. В олове, висмуте и свинце имеется небольшая растворимость кислорода, но для обычного процесса плавки она не имеет значения. Все остальные перечисленные в ряду более тугоплавкие металлы, начиная с серебра, растворяют заметные количества кислорода. Эта особенность хорошо видна на диаграммах состояния систем металл — кислород при давлении около 10в3 Па, где имеются обширные области жидких растворов кислорода в металле (рис. 6, 7).

Особенность поведения металлических расплавов чистых металлов, содержащих растворенный кислород, состоит в том, что при их охлаждении и кристаллизации этот газ никогда не выделяется из раствора в свободном виде, а переходит либо целиком в твердый раствор (например, в системе титан — кислород), либо в твердые соединения — оксиды, появляющиеся в результате эвтектического превращения (в системах медь — кислород, железо — кислород, никель — кислород). Это значит, что кислород в подобных металлах не вызывает появления газовой пористости. Исключение составляет серебро, оксид которого устойчив лишь до 190 °С. Поэтому при кристаллизации серебра, содержащего растворенный кислород, этот газ выделяется в свободном виде при 939 °С по так называемой газоэвтектической реакции: жидкость → кристаллы газ. В результате в литом металле образуется газовая пористость.

Про кислород: Кислород технический в баллонах оптом в Москве

В тугоплавких металлах 6-й группы (молибдене и вольфраме), по-видимому, возможно появление небольшой газовой пористости при кристаллизации расплава, содержащего растворенный кислород, но пористость образована не чистым газом, а парами оксидов этих металлов, поскольку их температуры кипения ниже, чем температуры плавления самих металлов.

Таким образом, взаимодействие жидких металлов с кислородом приводит либо к загрязнению расплава частицами нерастворимых оксидов (от олова до алюминия в приведенном выше ряду), либо к загрязнению растворенным газом (серебро и далее до молибдена). При продолжительном контакте с газом и достаточном его количестве оксиды в свободном виде могут появиться при плавке и этих металлов, за исключением серебра.

Взаимодействие жидких сплавов с кислородом проходит более сложно и приводит к различным результатам в зависимости от основы сплава и легирующих компонентов. Сплавы на основе легкоплавких металлов при любых легирующих компонентах ведут себя с кислородом подобно чистым металлам-основам, т. е. при соприкосновении таких расплавов с газовой средой, содержащей кислород, на поверхности расплавов возникает пленка нерастворимых оксидов. Состав этой пленки определяется условием наименьшего значения равновесного давления кислорода над чистыми оксидами, их соединениями или растворами между собой и содержанием компонентов в сплаве.

Жидкие сплавы из таких металлов, как серебро, медь, никель, железо, при взаимодействии с кислородом растворяют этот газ в количествах, промежуточных по сравнению с чистыми металлами. При избытке кислорода появляется свободный жидкий или твердый оксид менее благородного металла из содержащихся в сплаве. Кристаллизация этих сплавов, содержащих растворенный кислород, не сопровождается выделением газа в свободном виде. Кислород из жидкого раствора переходит в оксидную фазу по эвтектической реакции. Обычно этой фазой является закись менее благородного металла.

Сплавы на основе тех же металлов (серебра, меди, никеля, железа) с металлами, обладающими большим сродством к кислороду, такими, как олово, кадмий, свинец, цинк, магний, алюминий, титан, хром, кремний, при взаимодействии с кислородом почти неспособны растворять его, поэтому подобные расплавы сразу же покрываются пленкой нерастворимых оксидов, которые состоят в основном из кислородных соединений наиболее активного по отношению к этому газу металла. Следовательно, в результате взаимодействия рассматриваемых жидких сплавов с кислородом расплав загрязняется неметаллическими включениями оксидного характера. Подобные включения называют первичными или докристаллизационными. Несколько отличается от описанного поведение сплавов на основе железа с небольшими добавками марганца и кремния. В этих сплавах, когда они находятся в жидком состоянии, кислород способен растворяться, хотя в ограниченном количестве, причем между содержанием легирующих компонентов и содержанием кислорода наблюдается обратная пропорциональность. Эта зависимость есть следствие закона действия масс. При охлаждении такого жидкого раствора-расплава из него выделяется самостоятельная оксидная фаза до начала кристаллизации. Частицы этой фазы также образуют в расплаве взвешенные неметаллические включения докристаллизационного характера. Строго говоря, подобным же образом ведут себя все сплавы на основе серебра, меди, никеля, железа с добавками более активных по отношению к кислороду металлов. Однако количество растворенного кислорода настолько мало, что им в большинстве случаев можно пренебречь и считать, что оксидная фаза образуется сразу, как это и было сделано ранее.

Сплавы никеля и железа с углеродом взаимодействуют с кислородом формально так же, как и сплавы этих металлов с кремнием и марганцем. Существенное отличие состоит в том, что в результате этого взаимодействия образуется газ — окись углерода. Следовательно, в рассматриваемых сплавах не происходит загрязнение расплава неметаллическими включениями Однако при охлаждении и кристаллизации сплавов никеля и железа, содержащих не более 1—2%С, возможно выделение окиси углерода, вызывающей образование пор и пузырей.

Сплавы на основе тугоплавких металлов 4, 5 и 6-й групп периодической системы элементов в жидком состоянии взаимодействуют с кислородом подобно чистым металлам-основам.

Взаимодействие металлов с оксидами

Для металлов при высокой температуре характерно восстановление неметаллов или менее активных металлов из их оксидов.

8Al 3Fe3O4 = 4Al2O3 9Fe (алюмотермия)

3Са Cr2O3 = 3СаО 2Cr (кальциетермия)

Взаимодействие с аммиаком

Щелочные металлы реагируют с аммиаком с образованием амида натрия:

2Li 2NH3 = 2LiNH2 H2

Взаимодействие с водой

Все металлы I A и IIA группы реагируют с водой, в результате образуются растворимые основания и выделяется H2. Литий реагирует спокойно, держась на поверхности воды, натрий часто воспламеняется, а калий, рубидий и цезий реагируют со взрывом:

2Li 2H2O = 2LiOH H2

Ca 2H2O = Ca(OH)2 H2

Про кислород: Производители кислорода увеличили поставки в 10 раз с начала пандемии — РБК

Металлы средней активности реагируют с водой только при условии, что металл нагрет до высоких температур. Результат данной реакции — образование оксида.

Cr H2O = Cr2O3 H2

Zn H2O = ZnO H2

Неактивные металлы с водой не взаимодействуют.

Взаимодействие с органическими веществами

Металлы IА группы реагируют со спиртами и фенолами, которые проявляют в данном случае кислотные свойства:

2Na 2C2H5OH = 2C2H5ONa H2

2K 2C6H5OH = 2C6H5OK H2

Также они могут вступать в реакции с галогеналканами, галогенпроизводными аренов и другими органическими веществами.

Взаимодействие с солями

Металлы способны вытеснять из растворов солей другие металлы, стоящие в ряду напряжений правее, и могут быть вытеснены металлами, расположенными левее:

Zn CuSO4 = ZnSO4 Cu

На металлы IА и IIА группы это правило не распространяется, так как они реагируют с водой.

Реакция между металлом и солью менее активного металла возможна в том случае, если соли — как вступающие в реакцию, так и образующиеся в результате — растворимы в воде.

Вопросы для самоконтроля

С чем реагируют неактивные металлы?
С чем связаны восстановительные свойства металлов?
Верно ли утверждение, что щелочные и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой, образуя щелочи?
Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции по схеме:
Mg HNO3 → Mg(NO3)2 NH4NO3 Н2O
Как металлы реагируют с кислотами?

Получение кислорода

Различают промышленные и лабораторные способы получения кислорода. Так, в промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха, а к основным лабораторным способам получения кислорода относят реакции термического разложения сложных веществ:

2KMnO4 = K2MnO4 MnO2 O2↑

4K2Cr2O7 = 4K2CrO4 2Cr2O3 3 O2↑

2KNO3 = 2KNO2 O2↑

2KClO3 = 2KCl 3 O2↑

Физические свойства кислорода

Кислород – самый распространенный элемент на земле (47% по массе). В воздухе содержание кислорода составляет 21% по объему. Кислород – составная часть воды, минералов, органических веществ. В растительных и животных тканях содержится 50 -85 % кислорода в виде различных соединений.

В свободном состоянии кислород представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, плохо растворимый в воде (в 100 л воды при 20 $^{circ}$

Химические свойства кислорода

Кислород является сильным окислителем, т.к. для завершения внешнего электронного уровня ему не хватает всего 2-х электронов, и он легко их присоединяет. По химической активности кислород уступает только фтору. Кислород образует соединения со всеми элементами кроме гелия, неона и аргона.

Непосредственно кислород нее вступает в реакции взаимодействия с галогенами, серебром, золотом и платиной (их соединения получают косвенным путем). Почти все реакции с участием кислорода – экзотермические. Характерная особенность многих реакций соединения с кислородом — выделение большого количества теплоты и света. Такие процессы называют горением.

Взаимодействие кислорода с металлами. Со щелочными металлами (кроме лития) кислород образует пероксиды или надпероксиды, с остальными – оксиды. Например:

4Li O2 = 2Li2O;

2Na O2 = Na2O2;

K O2 = KO2;

2Ca O2 = 2CaO;

4Al 3O2 = 2Al2O3;

2Cu O2 = 2CuO;

3Fe 2O2 = Fe3O4.

Взаимодействие кислорода с неметаллами. Взаимодействие кислорода с неметаллами протекает при нагревании; все реакции экзотермичны, за исключением взаимодействия с азотом (реакция эндотермическая, происходит при 3000 $^{circ}$

4P 5O2 = 2P2O5;

S O2 = SO2;

С O2 = СО2;

2Н2 O2 = 2Н2О;

N2 O2 ↔ 2NO – Q.

Взаимодействие со сложными неорганическими веществами. При горении сложных веществ в избытке кислорода образуются оксиды соответствующих элементов:

2H₂S 3O₂ = 2SO₂↑ 2H₂O (t $^{circ}$ ₃ 3O₂ = 2N₂↑ 6H₂O (t $^{circ}$ ₃ 3O₂ = 2N₂↑ 6H₂O (t $^{circ}$ ₃ 5O₂ = 4NO↑ 6H₂O (t $^{circ}$ ₃ 4O₂ = 2H₃PO₄ (t $^{circ}$ ₃ 4O₂ = 2H₃PO₄ (t $^{circ}$

SiH4 2O2 = SiO2 2H2O;

4FeS₂ 11O₂ = 2Fe₂O₃ 8 SO₂↑ (t $^{circ}$

Кислород способен окислять оксиды и гидроксиды до соединений с более высокой степенью окисления:

2CO O₂ = 2CO₂ (t $^{circ}$ ₂ O₂ = 2SO₃ (t $^{circ}$ ₂ O₂ = 2SO₃ (t $^{circ}$ ₂O₅);

2NO O2 = 2NO2;

4FeO O₂ = 2Fe₂O₃ (t $^{circ}$

Взаимодействие со сложными органическими веществами. Практически все органические вещества горят, окисляясь кислородом воздуха до углекислого газа и воды:

CH4 2O2 = CO2↑ H2O.

Кроме реакций горения (полное окисление) возможны также реакции неполного или каталитического окисления, в этом случае продуктами реакции могут быть спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и другие вещества:

Окисление углеводов, белков и жиров служит источником энергии в живом организме.

Подведем итоги

От активности металлов зависит их химические свойства. Простые вещества — металлы в окислительно-восстановительных реакциях являются восстановителями. По положению металла в электрохимическом ряду можно судить о том, насколько активно он способен вступать в химические реакции (т. е. насколько сильно у металла проявляются восстановительные свойства).

Напоследок поделимся таблицей, которая поможет запомнить, с чем реагируют металлы, и подготовиться к контрольной работе по химии.