5.2. Взаимодействие металлов с водой
Окислителем в воде является ион Н+. Окислительные свойства системы
2H+ + 2e H2 (pH<7)
или
2H2O + 2e H2 + 2OH– (pH≥7)
зависят
в соответствии с уравнением Нернста от
рН раствора (для Т=298К и
):
В
нейтральной водной среде рН=7 и
.
Термодинамически возможна реакция воды
с металлами, для которых
<
.
То есть с металлами, находящимися в ряду стандартных окислительно-восстановительных потенциалов металлов левее Cd. Однако большинство (от Mg до Cd) из них покрыты защитными оксидными пленками, нерастворимыми в воде, которые и «пассивируют» металлы. Взаимодействие с водой металлов, стоящих в ряду стандартных окислительно-восстановительных потенциалов правее Cd термодинамически невозможно.
Таким образом, активно взаимодействуют с водой только щелочные (IA-подгруппа) и щелочно - земельные металлы, оксиды которых хорошо растворимы. Продуктами реакции являются молекулярный водород и растворимые гидроксиды металлов.
2Me + 2nH2O → 2Me(OH)n + nH2
Me: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr (IA – подгруппа)
Ca, Sr, Ba, Ra (IIA – подгруппа)
Ближайший аналог щелочно - земельных металлов – магний – активный металл, при комнатной температуре пассивирован оксидной пленкой, но при кипячении оксидная пленка частично растворяется и магний взаимодействует с водой:
t
MgO + H2O → Mg(OH)2 (растворение оксидной пленки)
Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
Защитная оксидная пленка может быть удалена механически или химическим способом, например амальгамированием.
Амальгамирование – это обработка поверхности металла солью ртути, в результате на поверхности металла выделяется ртуть, препятствующая образованию защитной оксидной пленки. Например, при обработке алюминиевой проволоки нитратом ртути (II) протекают следующие реакции.
В растворе соли ртути (II) подвергаются гидролизу по катиону и среда в растворе кислая:
Hg(NO3)2 + H2O → HgOHNO3 + HNO3
Оксидная пленка на поверхности алюминиевой проволоки растворяется:
Al2O3 + 6HNO3 → 2 Al(NO3)3 + 3H2O
Далее происходит восстановление ртути на поверхности алюминиевой проволоки:
2Al + 3Hg(NO3)2 → 3Hg + 2 Al(NO3)3
На поверхности «амальгамированного» алюминия защитная оксидная пленка не образуется, на воздухе алюминий окисляется, но оксид алюминия получается в виде отдельных белых кристаллов.
4Al + 3O2 → 2Al2O3
Незащищенный «амальгамированный» алюминий взаимодействует с водой в соответствии с уравнением реакции:
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
Образующийся гидроксид алюминия не растворим в воде, но имеет «рыхлую» структуру и не проявляет защитных свойств.
В побочных подгруппах с водой способны взаимодействовать металлы IIIБ-подгруппы – ближайшие соседи щелочно - земельных металлов. Скандий подобно алюминию покрыт плотной оксидной пленкой, которая его пассивирует. Однако растворимость оксидов и гидроксидов элементов одной подгруппы с ростом заряда ядра увеличивается. Поэтому иттрий, лантан и лантаноиды, актиний и актиноиды медленно реагируют с водой уже при обычных условиях.