Reakcje metali z kwasami

Co prawda siedzimy teraz po uszy w systematyce związków nieorganicznych, ale wyskoczymy nieco przed szereg i rozpiszemy teraz reakcje kwasów z metalami, które byłyby dopiero w następnym dziale. Dzisiejszy artykuł to dla Ciebie przy okazji pasjonująca okazja do powtórki redoksów! Prawda, że się cieszysz?

1. Kwasy utleniające i nieutleniające

Zobaczmy, co tym razem serwuje dla nas matura :

Reakcje metali z kwasami utleniającymi i nieutleniającymi

Ok, o tym w sumie jeszcze nie mówiliśmy. Czym są tak naprawdę kwasy utleniające i nieutleniające?

Zadajmy sobie pytanie − czym właściwie się różni jeden kwas od drugiego? Każdy kwas to przecież połączenie wodoru z resztą kwasową, a więc jedyne czym się różni to właśnie resztą kwasową!

Dlatego też o mocy kwasu (tutaj : jego właściwościach utleniających[1]) decyduje anion, w końcu to jest jedyna różnica pomiędzy jednym czy drugim kwasem. Kwasy z 17. grupy, na przykład HCl zaliczamy do tak zwanych kwasów nieutleniających, ponieważ zdolności utleniające anionu Clー  są zerowe. Czemu ?

Bo, żeby taki anion pełnił rolę utleniacza, to sam się musi zredukować. A jak mamy chlor na − I stopniu utlenienia, to on już nie da rady się dalej zredukować.

Dokonajmy zatem podziału na kwasy utleniające i nieutleniające.

Kwasy utleniająceKwasy nieutleniające
HNO3 , HClO4
H2SO4 (gorący, stężony),
kwasy tlenowe
fluorowców
HF, HCl, HBr, HI,
H3PO4,
H2SO4 (zimny/rozcieńczony)
kwasy organiczne (większość)
Podział kwasów na utleniające oraz nieutleniające

Można zatem zapytać dlaczego przykładowa reakcja  Fe +  2HCl  ⟶  FeCl2  +  H2   przebiega jako reakcja utlenienia żelaza? Przecież używamy nieutleniającego kwasu HCl, więc jakim prawem żelazo się utlenia!? O co tu chodzi?

Wynika to z faktu, że sam jon H3O+ (H+) ma też właściwości utleniające (zobaczmy, że to nie anion chlorkowy pełni tu rolę utleniacza, bo jego stopień utlenienia się nie zmienia, to wodór się redukuje). 

Co ważne, kwas siarkowy (zimny) także będziemy zaliczać do kwasów nieutleniających, w przeciwieństwie do gorącego, stężonego kwasu H2SO4 , który już jest kwasem utleniającym. 

2. Reakcje metali z kwasami nieutleniającymi

Reakcje te są względnie proste. Polegają one na tak zwanym wypieraniu wodoru z kwasów przez metal. W słowie ,,wypieranie” chodzi o to, że w reakcji powstaje cząsteczka gazowego wodoru, który się ulatnia (wypieramy wodór).

Zapiszę dla Was reakcje wszystkich wymienionych metali z kwasami, starając się, żeby kwas były różne.

2Na  +  H2S   ⟶  Na2S + H2

Ca + 2HCl ⟶  CaCl2  +  H2

2Al +  6HBr  ⟶  2AlBr3  +  3H2

Fe +  2HCl  ⟶  FeCl2  +  H2

2K  +  2HCl   ⟶  2KCl + H2

Mg + H2SO4 (rozc) ⟶  MgSO4   +  H2

Zn +  2HCl  ⟶  ZnCl2  +  H2

3Mn +  2H3PO4  ⟶  Mn3(PO4)2   +  3H2

Cr +  2HCl  ⟶  CrCl2  +  H2

Jest tutaj jeden haczyk. Nie wszystkie metale są w stanie tak reagować. Inaczej mówiąc, nie wszystkie metale potrafią wypierać wodór z kwasów. A w sumie jeszcze inaczej mówiąc, to nie każdy metal będzie reagował z kwasami, a są to tak zwane metale szlachetne. Jak je rozpoznać? Tu również jest ściągawka w tablicach maturalnych.

Które metale nie będą roztwarzały się w kwasach nieutleniających ?

A więc zobaczmy, które reakcje nie zachodzą :

Bi + HBr ⟶ nie zachodzi

Ag + H2SO4 (rozc) ⟶ nie zachodzi

Cu + HCl ⟶ nie zachodzi

Au + HCl ⟶ nie zachodzi

Zwróć uwagę, że używamy ciągle rozcieńczonego (rozc) kwasu siarkowego, bo wtedy nie przejawia właściwości utleniających. A czemu jak jest stężony to już traktujemy go jak utleniający[2] ?

2. Reakcje metali z kwasami utleniającymi

Ok, tu się zaczyna jazda bez trzymanki. Reakcje metali z kwasami to generalnie jedne z trudniejszych reakcji, serio! Jeśli chcesz dokładnie zagłębić się w temat, to zapraszam tutaj.

Zacznijmy od tego, że jest dużo czynników, które wpływają na przebieg reakcji. Oto kilka z nich :

  stężenie kwasu azotowego HNO3 (rozcieńczony lub stężony)

,,aktywność pierwiastka”, którą możemy oceniać po położeniu w szeregu elektrochemicznym pokazanym przed chwilą.

➤  warunki reakcji −  głównie chodzi tutaj o temperaturę. 

stopień rozdrobnienia metalu. 

Ostatnie dwa czynniki są mniejszą czcionką, ponieważ będą miały dla nas mniejsze znaczenie.

Niektóre metale nieszlachetne (nad wodorem w szeregu elektrochemicznym) jak żelazo, glin czy chrom łatwo ulegają działaniu rozcieńczonego HNO3 , ale nie roztwarzają się w stężonym HNO3[3].

Co może być produktem samej redukcji kwasu azotowego (który jako utleniacz się redukuje) ? Możliwości zostały zebrane w tabelce wraz z podanymi stopniami utlenienia azotu : 

ProduktNO2NON2ON2NH lub  NH4NO3
Stopień utl.azotu+IV+II+I0−III
Najważniejsze dla nas będą tlenek azotu (IV) oraz (II).

Jak widzimy, produkty te zostały zestawione od najwyższego do najmniejszego stopnia utlenienia. Jeśli w reakcji zostanie użyty bardzo mocny reduktor (jak np. Zn) to produktem może być amoniak (czy też azotan amonu), natomiast użycie słabszego reduktora jak miedzi może skutkować powstaniem tlenków NO2 czy NO. 

Drugim kluczowym czynnikiem, na który będziemy patrzeć to stężenie kwasu azotowego. Generalnie podział na rozcieńczony i stężony kwas HNO3  jest zbyt mało dokładny (ile % to rozcieńczony : 1 , 5 , 10 , 15, 20% ?), co być może jest przyczyną tak ogromnej rozbieżności w przedstawianiu produktów reakcji w różnych książkach. 

W przypadku stężeń HNO3 da się zaobserwować pewną zależność :  

➤  użycie rozcieńczonego HNO3 (rozc)  zwykle prowadzi do powstania azotu (II), czyli tlenku NO

➤  użycie stężonego HNO3 (st)  zwykle prowadzi do powstania azotu (IV), czyli tlenku NO2

Cu  +  4HNO3(st)  ⟶   Cu(NO3)2  +  2NO2  +  2H2O

3Cu  +  8HNO3 (roz)   ⟶   3Cu(NO3)2  +  2NO  +  4H2O

Pb  +  4HNO3(st)  ołów nie roztwarza się w stężonym HNO3  

Nie martw się, na maturze są zazwyczaj normalne przypadki, które najczęściej sprowadzają się do zależności :

➤   stężony kwas  HNO3     ➠  prawdopodobnie powstanie NO2 

  rozcieńczony kwas  HNO3    ➠  prawdopodobnie powstanie NO

➤ dokładniejsze opisy powstających produktów podane w informacji do zadania

Poniżej jeszcze podsumowanie ogólnych wytycznych wraz z odpowiednimi reakcjami połówkowymi − pamiętaj jednak, że ZAWSZE decyduje treść (informacja) zadania. Twoje produkty muszą się zgadzać z tym, co zostało podane w treści zadania (kolor, stan skupienia, obliczenia itp.)

Reakcje metali z kwasem azotowym i siarkowym – wszystkie możliwości w jednym miejscu. Co ważne – na szaro zaznaczono dodatkowe przypadki, nie musisz tego umieć. Czyli łącznie masz tylko trzy rzeczy do zapamiętania.

Dodatkowo, chciałbym Ci jeszcze pokazać skąd się bierze cząsteczka wody w tych reakcjach.

3. Reakcje metali z kwasami utleniającymi−wszystkie równania reakcji

Łącznie mamy cztery metale do ogarnięcia, a każdy ma reagować z dwoma kwasami, z czego azotowy na różnych stężeniach (rozcieńczony i stężony). Więc ostatecznie to daje dwanaście reakcji metali z kwasami utleniającymi, które musimy przyswoić.

Cu  +  4HNO3(st)  ⟶   Cu(NO3)2  +  2NO2  +  2H2O

3Cu  +  8HNO3 (roz)   ⟶   3Cu(NO3)2  +  2NO  +  4H2O

Cu  +  2H2SO4 (st)   ⟶   CuSO4  +  SO2  +  2H2O

3Ag  +  4HNO3    ⟶   3AgNO3  +  NO  +  2H2O

2Ag  +  2H2SO4 (st)    ⟶   Ag2SO4  +  SO2  +  2H2O

2Al  +  6HNO3 (roz)  ⟶  2Al(NO3)3  + 3H2

2Al  +  6HNO3 (st)  ⟶  pasywacja

Al  +  H2SO4 (st)   ⟶   pasywacja

2Fe  +  2HNO3 (roz)  ⟶  2Fe(NO3)2  + H2

Fe +  HNO3(st)  ⟶   pasywacja

*2Al  +  6HNO3 (st)  ⟶  Al2O3  +  6NO2 +  3H2O


[1] Moc kwasu to nie jest to samo, co zdolność utleniająca. O mocy kwasów mówiliśmy w ostatnim poście, rozumieliśmy to jako kwasowość Bronsteda, a więc jak chętnie kwas będzie dysocjował (dawca jonu H+), natomiast teraz mówimy o mocy utleniającej. Jak widzisz w przypadku HCl jest właśnie tak, że jest on mocnym kwasem, a jednocześnie należy do kwasów nieutleniających.

[2] Zależność stężenia kwasu od mocy utleniającej jest logiczna : wraz ze wzrostem stężenia kwasu rośnie stężenie jonów wodorowych (wraz ze spadkiem stopnia dysocjacji), które powodują protonowanie atomu tlenu, co z kolei ułatwia rozerwanie wiązania  NーO  w przypadku kwasu azotowego czy też  SーO  w przypadku kwasu siarkowego. Dlatego stężony kwas jest mocniejszym utleniaczem niż rozcieńczony. 

[3] Jest to oczywiście spowodowane pasywacją, czyli wytworzeniem się cienkiej warstewki tlenku tego metalu, która jest już odporna na działanie HNO3 , przez co reakcja nie zachodzi. Rozcieńczony kwas jednak nie ma takiej ,,mocy” utleniającej i nie powoduje wytworzenia tlenku.

[4] To nawet mogłeś już zauważyć w poprzednim schemacie z kwasem siarkowym, a tutaj dodatkowo dla kwasu azotowego : 

Mechanizm ,,powstawania wody” w reakcjach metali z kwasami.

[5] W kwestii układania zadań egzaminatorzy mają tutaj ogromne pole do popisu (na przykład jako zadanie z redoksów i systematyki jednocześnie), ponieważ reakcje metali z kwasami są bardzo różnorodne. Spójrz sam :

3Pb  +  8HNO3 (roz)   ⟶   3Pb(NO3)2  +  2NO  +  4H2O

5Mn  +  12HNO3 (roz)   ⟶   5Mn(NO3)2  +  N2  + 6H2O

3Mn  +  8HNO3 (st)   ⟶   3Mn(NO3)2  +  2NO  + 4H2O

4Mg  +  10HNO3 (roz)   ⟶   4Mg(NO3)2  +  NH4NO3  + 3H2O

4Mg  +  10HNO3 (st)   ⟶   4Mg(NO3)2  +  N2O  + 5H2O

8Mg  +  20HNO3 (roz)   ⟶   8Mg(NO3)2  +  NH4NO3 +  N2O  + 8H2O

2 thoughts on “Reakcje metali z kwasami

Leave a Reply

%d bloggers like this: