И. А. Тюльков мгу им. М. В. Ломоносова Рассмотрим несколько задач, при решении которых необходимо знание различных свойств металлов. Задача

Рассмотрим несколько задач, при решении которых необходимо знание различных свойств металлов.

Задача 1. Напишите уравнения реакций, которые будут протекать при взаимодействии алюминия с: а) углеродом; б) концентрированной серной кислотой при нагревании; в) водным раствором щелочи; г) разбавленной азотной кислотой. (МГУ, химический факультет, 1999.)

Решение а) Алюминий — активный металл, при сплавлении с углеродом дает карбид (метанид): 4Al + 3C = Al₄C₃.

б) Вследствие достаточно высокой реакционной способности алюминий на воздухе покры-вается тончайшей оксидной пленкой, которая предохраняет металл от воздействия агрессивной среды. Это явление называется пассивацией. Концентрированные растворы серной (и азотной) ки-слоты также пассивируют алюминий. Оксидную пленку можно снять нагреванием, после чего алюминий будет взаимодействовать с кислотой:

2Al + 6H₂SO₄ ^t → Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O.

в) Алюминий реагирует с растворами не только кислот, но и щелочей: 2Al + 2KOH + 6H₂O = 2K[Al(OH)₄] + 3H₂↑.

В комплексных соединениях для алюминия характерны координационные числа 4 и 6. Не будет ошибкой, если формула продукта растворения алюминия в щелочи будет записана как К[Al(OH)₄(H₂O)₂] или К₃[Al(OH)₆].

г) Так как алюминий активный металл, то восстановление нитрат-иона из разбавленной азотной кислоты проходит до аммиака, при достаточном количестве азотной кислоты — до солей аммония (с очень разбавленной — менее 5 % — азотной кислотой алюминий не реагирует):

8Al + 30HNO₃ = 8Al(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O.

Задача 2. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно разделить следующие смеси с выделением их компонентов в индивидуальном виде:

а) серебро и золото (МГУ, Факультет Фундаментальной Медицины, 1999); б) железо и медь (МГУ, факультет почвоведения, 1999).

Решение а) Для разделения смеси серебра и золота нужно воспользоваться таким реагентом, кото-

рый переведет в раствор только один металл. Для растворения золота необходим очень сильный окислитель (например, «царская водка») или реагент, связывающий ионы золота в прочный ком-

плексный ион (например, кислород в растворах цианидов щелочных металлов). Проще перевести в раствор серебро, которое в отличие от золота окисляется концентрированной азотной кислотой:

Ag + 2HNO₃ = AgNO₃ + NO₂↑ + H₂O.

Из полученного раствора серебро можно осадить на пластинку из более активного металла, например меди:

2AgNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag↓.

Возможен другой путь: раствор выпарить, а остаток прокалить: 2AgNO₃ = 2Ag + 2NO₂↑ + O₂↑.

б) В электрохимическом ряду напряжений металлов медь находится после водорода, по-этому она не реагирует с разбавленной соляной кислотой¹.

Подействуем на смесь металлов разбавленной соляной кислотой, медь останется без изме-нения, а железо растворится:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑.

Обратите внимание, в соляной кислоте (а также в других галогеноводородных кислотах) железо не окисляется до степени окисления +3, так как протон не достаточно сильный окислитель.

Из полученного раствора железо можно выделить осаждением на более активном металле: Zn + FeCl₂ = ZnCl₂ + Fe↓.

Другой вариант разделения исходной смеси базируется на пассивации железа концентри-рованными растворами серной или азотной кислот.

Задача 3. Как из смеси цинка и алюминия приготовить чистые оксиды Al₂O₃ и ZnO? Запи-шите уравнения соответствующих реакций. (МГУ, факультет почвоведения, 1997.)

Решение Цинк и алюминий — активные металлы, но алюминий в отличие от цинка пассивируется

холодными сильно концентрированными (практически безводными) растворами серной и азотной кислот. Рассмотрим вариант решения задачи, основанный на этом факте.

Цинк реагирует с концентрированной азотной кислотой: Zn + 4HNO₃ = Zn(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O.

Выпарим воду из раствора и прокалим нитрат цинка: 2Zn(NO₃)₂ = 2ZnO + 4NO₂↑ + O₂↑.

Таким образом можно получить чистый оксид цинка.

Алюминий, не прореагировавший с азотной кислотой, прокалим на воздухе. В результате также образуется чистое вещество:

¹ В концентрированной соляной кислоте в присутствии кислорода воздуха возможен сле-

дующий процесс: 2Cu + 8HCl + O₂ = 2H₂[CuCl₄] + 2H₂O.

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃.

Задача 4. Имеется смесь алюминия, кальция и серебра. Как химическим путем выделить каждый из металлов в индивидуальном виде? (МГУ, факультет почвоведения, 1994.)

Решение Кальций — щелочноземельный металл, он реагирует с водой: Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑.

Отделяем алюминий и серебро, которые не растворяются в воде. К фильтрату добавляем соляную кислоту:

Ca(OH)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O.

Раствор выпариваем, расплав хлорида кальция подвергаем электролизу: CaCl₂ = Ca + Cl₂↑.

На смесь серебра и алюминия действуем концентрированной азотной кислотой. Алюминий пассивируется, а серебро растворяется:

Ag + 2HNO₃ = AgNO₃ + NO₂↑ + H₂O.

Из полученного раствора серебро можно выделить осаждением на пластинке из более ак-тивного металла, например, меди:

2AgNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag↓

Задача 5. При действии на сплав железа с медью избытка соляной кислоты выделилось 224 мл (н. у.) газа. Вычислите массу сплава, если известно, что железа в нем содержалось 20 % по массе. (Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А. Начала химии. Современный курс для посту-пающих в вузы. Т.1, 2. М.: 1 Федеративная Книготорговая Компания, 1998.))

Решение С соляной кислотой взаимодействует только железо: Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑.

По уравнению реакции