Теоретическое введение

Лабораторная работа № 9

Сравнение химической активности металлов в реакциях с кислотами.

Цель занятия: изучить химические свойства металлов научиться составлять уравнения реакций взаимодействия металлов с водой, кислотами, щелочами

Приобретаемые умения и навыки: Прививать навыки простейших исследований

Оснащение рабочего места: Спиртовка, пробиркодержатель, штатив с пробирками, фенолфталеин, стеклянная палочка, лучина, цинковые опилки, алюминиевый порошк, Натрий (мет.) или Кальций (мет.), Цинк (мет.), Медь (мет.), растворы: HNO₃, NaOH, Н₂SO_4(конц).

Особые правила по технике безопасности:

1. Осторожно обращаться с реактивами, не пробовать их на вкус.

2. Осторожно пользоваться спиртовками. Спиртовку при работе не зажигать, наклоняя ее к другой спиртовке.

3. Нагревая раствор, не наклоняться над сосудом т.к. возможно разбрызгивание и даже выброс жидкости. Нагревая пробирки, не держать их отверстием к себе или в сторону товарищей.

4. Приступить к выполнению задания только после указания преподавателя о начале работы.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Металлы, имея низкие потенциалы ионизации, легко отдают валентные электроны и образуют положительно заряженные ионы:

M − nē = Mⁿ⁺.

Поэтому металлы в химических реакциях являются восстановителями и способны взаимодействовать с различными веществами − окислителями.

Рассмотрим некоторые типичные случаи такого взаимодействия.

1. Металлы высокой химической активности могут разлагать воду с вытеснением водорода при комнатных температурах:

2K + 2H₂O = 2KOH + H₂.

2. С кислотами металлы реагируют различно в зависимости от активности самого металла и окислительных свойств кислоты:

– В разбавленной серной кислоте и в растворах галогеноводородов окислителем является ион H ⁺, поэтому в них растворяются металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода:

Cd + H₂SO₄ (разб.) = CdSO₄ + H₂;

Ni + 2HCl = NiCl₂ + H₂.

– Концентрированная серная кислота является окислителем за счет S⁺⁶ и может при нагревании окислять металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода. Продукты ее восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла. При взаимодействии с малоактивными металлами кислота восстанавливается до SO₂:

Hg + 2H₂SO₄ (конц.) = HgSO₄ + SO₂ + 2H₂O.

При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как SO₂, так и свободная сера и сероводород:

Cd + 2H₂SO₄ (конц.) = CdSO₄ + SO₂ + 2H₂O;

3Zn+ 4H₂SO₄ (конц.) = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O;

4Mg + 5H₂SO₄ (конц.) = 4MgSO₄ + H₂S + 4H₂O.

В этих реакциях часть молекул серной кислоты играют роль среды.

– Азотная кислота является сильнейшим окислителем за счет N⁺⁵. Продукты восстановления различны и зависят от концентрации кислоты и активности металла:

HNO₃ → NO₂ → NO → N₂O → N₂ → NH₄NO₃.

При реакциях с концентрированной кислотой чаще всего выделяется NO₂.

При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами выделяется NO. В случае более активных металлов выделяется N₂O.

Сильно разбавленная азотная кислота взаимодействует с активными металлами с образованием иона аммония, дающего с кислотой нитрат аммония.

Ag + 2HNO₃ (конц.) = AgNO₃ + NO₂ + H₂O;

3Ag + 4HNO₃ (разб.) = 3AgNO₃ + NO + H₂O;

4Mg + 10HNO₃ (разб.) = 4Mg(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O;

4Ca + 10HNO₃ (оч. разб.) = 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

Al, Fe, Cr  с концетрированной азотной кислотой пассивируются.

3. Со щелочами реагируют металлы, дающие амфотерные гидроксиды (бериллий, цинк, алюминий, олово, свинец), а также металлы, обладающие высокими степенями окисления в присутствии сильных окислителей:

Be + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Be(OH)₄] + H₂;

2Mo + 4KOH + 3O₂ 2K₂MoO₄ + 2H₂O.

Контрольные вопросы при допуске к работе:

1. Почему металлический натрий (кальций) хранят под слоем керосина?
2. Какие металлы реагируют с кислотами?

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Опыт 1. Взаимодействие металлов с водой

В кристаллизатор с водой добавить несколько капель фенолфталеина. Пинцетом достать кусочек натрия (или кальция) из склянки, где он хранится под слоем керосина, и высушить его фильтровальной бумагой. Ножом отрезать небольшую часть (размером со спичечную головку) и пинцетом перенести в кристаллизатор с водой. Что наблюдается?

Требования к результатам опыта

1. Составить уравнение реакции взаимодействия натрия с водой.

2. Сделать вывод, какие металлы взаимодействуют с водой

Опыт 2. Действие разбавленной и концентрированнойсерной кислоты на металлы

• В три пробирки налить по 2–3 мл разбавленной серной кислоты и опустить в одну из них кусочек железа, в другую – цинка, в третью – меди. Какие металлы реагируют с кислотами?
• (Проводить в вытяжном шкафу!) В две пробирки налить по 2–3 мл концентрированной серной кислоты. В одну из них опустить кусочек цинка, в другую – кусочек меди. Обе пробирки слегка нагреть. Наблюдать выделение серы и по запаху определить выделяющийся газ в первой пробирке. Какой газ выделяется во второй пробирке?

Требования к результатам опыта

1. Составить уравнения реакций взаимодействия металлов с разбавленной серной кислотой.

2. Сделать вывод, какие металлы взаимодействуют с разбавленной серной и соляной кислотами.

3. Составить уравнения реакций взаимодействия цинка и меди с концентрированной серной кислотой.

4. Сформулировать правило взаимодействия металлов с концентрированной серной кислотой.

Опыт 3. Действие разбавленной и концентрированной азотной кислоты на металлы

• (Проводить в вытяжном шкафу!) В две пробирки налить по 2–3 мл разбавленной азотной кислоты и опустить в одну из них кусочек цинка, в другую – кусочек меди. Слегка нагреть обе пробирки. Наблюдать выделение газа.
• (Проводить в вытяжном шкафу!) В две пробирки налить по 2–3 мл концентрированной азотной кислоты и опустить в одну из них кусочек цинка, в другую – кусочек меди. Какой газ выделяется?

Требования к результатам опыта

1. Составить уравнения реакций взаимодействия цинка и меди с разбавленной азотной кислотой.

2. Составить уравнения реакций взаимодействия цинка и меди с концентрированной азотной кислотой.

3. Сформулировать правило взаимодействия металлов с концентрированной и разбавленной HNO₃.

Опыт 4. Действие щелочи на металлы

В две пробирки налить по 2–3 мл концентрированного раствора щелочи. В одну из них насыпать небольшое количество цинковых опилок, в другую – алюминиевого порошка. Если реакция не идет, слегка нагреть. Когда начнется интенсивное выделение газа, поднести к отверстиям пробирок зажженную лучинку. Что наблюдается?

Требования к результатам опыта

1. Составить уравнения реакций взаимодействия цинка и алюминия с раствором щелочи.

2. Сделать вывод, какие металлы реагируют со щелочами.

Задание для отчета.

1.   Провести реакции взаимодействия металлов с водой, щелочами, разбавленными и концентрированными растворами серной и азотной кислот.
2. Выполнить требования к результатам опытов.
3. Оформить отчет в виде таблицы.
4. Решить задачу.
5. Кратко записать ход выполнения опытов и наблюдений.
6. Написать соответствующие уравнения реакций.

ХОД РАБОТЫ

№ п/п	Краткая запись работы, что брали, что делали	Краткая запись наблюдений
Опыт1	2Na + 2H2O → ↑ H2 + 2NaOH	В воду прилили фенол-фталеин – вода была бесцветна. После погружения натрия в воду – наблюдали появление малинового окрашивания раствора, что характерно для раствора щелочи. При поднесении зажженой спички с натрию – воспламеняется с хлопком газ, что характерно для водорода.
Опыт2	H2SO4  (р)+ Mg → Mg SO4  +  ↑H2 H2SO4  (р)+ Cu ≠ H2SO4 (к) + Mg → MgSO4 +↑SO2+ H2O H2SO4  (k)+ Cu → CuSO4 + ↑SO2 + H2O	Разбавленная кислота реагирует как и другие кислоты только с активными металлами с выделением водорода. Концентрированная кислота реагирует с любыми металлами с образованием соли, оксида серы (II, IV или S, H2S  - зависит от активности металла или концентрации кислоты) и воды.
Опыт3	4HNO3(к) + Mg → Mg(NO3)2 +2↑NO2+ 2H2O 4HNO3(k)+ Cu → Cu(NO3)2+ 2↑NO2 + 2H2O Выделяемый бурый газ – «лисий хвост»	Конц. кислота реагирует с разными металлами, зависит от концентрации кислоты и активности металла.
Опыт4	Zn +2 NaOH → Na2 ZnO2 + H2↑	Лышен хлопок «ПАХ», что  характерный для водорода.

ВЫВОД: написать самим

 

 

Контрольные вопросы при защите (индивидуальные варианты)

1. Закончить и уравнять реакции:

а) Ba + H₂O = …; б) Sn + NaOH + H₂O = …;

в) Sn + HNO₃ (разб.) = …; г) Hg + H₂SO₄ (конц.) = ….

2. Закончить и уравнять реакции:

а) Cd + H₂SO₄ (разб.) = …; б) Be + NaOH + H₂O = …;

в) Bi + HNO₃ (конц.) = …; г) Li + H₂O = ….

3. Какие из перечисленных металлов (Mg, Mn, Hg, Au, Al, Cd, Ag) растворяются в разбавленной H₂SO₄? Написать уравнения реакций.

4. Закончить и уравнять реакции:

а) Mg + HNO₃ (разб.)= …; б) Sn + KOH + H₂O = …;

в) Ni + H₂SO₄ (конц.) = …; г) W + HNO₃ + HF = H₂[WF₈] + ….

5. Закончить и уравнять реакции:

а) Ga + NaOH + H2O = …; б) Bi + HNO₃ (разб.) = …;

в) La + H₂O =* …; г) Co + H₂SO₄ (конц.) = ….

*Электродный потенциал лантана –2,55 В.

6. Закончить и уравнять реакции:

а) Rb + H₂O = …; б) W + Na₂CO₃ + NaNO₃ → Na₂WO₄ + …;

в) Be + KOH + H₂O = …; г) Sn + HCl = ….

7. Закончить и уравнять реакции:

а) Pb + NaOH + H₂O = …; б) Fe + O₂ = …;

в) Ni + HNO₃ (конц.) = …; г) La + H₂SO₄ (разб.) =* ….

* Электродный потенциал лантана –2,55 В.

8. Закончить и уравнять реакции:

а) Ga + H₂SO₄ (разб.) =* …; б) Cd + HNO₃ (конц.) = …;

в) Sr + H₂O =* …; г) Al + C →….

* Электродный потенциал стронция –2,88 В, галлия –0,53 В.

9. Закончить и уравнять реакции:

а) Mn + HNO₃ (разб.) = …; б) Al + KOH + H₂O = …;

в) Ca + H₂O = …; г) Fe + H₂SO₄ (разб.) = ….

10. Закончить и уравнять реакции:

а) Ta + HNO₃ + HF = H₂[TaF₇] + …; б) Cs + H₂O = …;

в) Ag + HNO₃ (разб.) = …; г) Al + HCl = ….

11. Закончить и уравнять реакции:

а) Zr + HNO₃ + HCl = ZrCl₄ + …; б) Rb + H₂O = …;

в) Mn + HNO₃ (конц.) = …; г) Sn + KOH + H₂O = ….

12. Закончить и уравнять реакции:

а) Mo + NaNO₃ + NaOH → Na₂MoO₄ + …; б) Ni + H₂SO₄ (разб.) = …;

в) Ni + H₂SO₄ (конц.) = …; г) Mg + H₂O ….

13. Закончить и уравнять реакции:

а) Na + H₂ = …; б) Zn + CH₃COOH = …;

в) Sn + H₂SO₄ (конц.) = …; г) Ca + HNO₃ (оч. разб.) = ….

14. Закончить и уравнять реакции:

а) Hg + HNO₃ + HCl = HgCl₂ + …; б) Co + HNO₃ (конц.) = …;

в) K + H₂O = …; г) Sc + H₂SO₄ (разб.) =* ….

* Электродный потенциал скандия –2,01 В.

15. Какие из перечисленных металлов (Cu, Ca, Hg, Au, Fe, Cr, Ag, Al) растворяются в HCl? Написать уравнения реакций.

16. Закончить и уравнять реакции:

а) Nb + HNO₃ + HF = H₂[NbF₇] + …; б) Li + N₂ = …;

в) Pb + KOH + H₂O = …; г) Fe + HNO₃ (разб.) = ….

17. Закончить и уравнять реакции:

а) V + KOH + O₂ → КVО₃ + …; б) Sn + HNO₃ (конц.) = H₂SnO₃ + …;

в) Ag + H₂SO₄ (конц.) → …; г) Mn + H₂SO₄ (разб.) = ….

18. Закончить и уравнять реакции:

а) Pt + HNO₃ + HCl = H₂[PtCl₆] + …; б) Fe + H₂SO₄ (конц.) →…;

в) Al + S →…; г) Sn + KOH + H₂O = ….

19. Закончить и уравнять реакции:

а) Fe + Cl₂ = …; б) Be + KOH + H₂O = …;

в) Cd + HNO₃ (разб.) = …; г) Sn + H₂SO₄ (разб.) = ….

20. Закончить и уравнять реакции:

а) Ca + H₂ = …; б) Mn + HCl = …;

в) Mo + Na₂CO₃ + NaNO₃ → Na₂MoO₄ + …; г) Cd + HNO₃ (разб.) = ….