Back Next

2.6. Proprietăţi chimice ale metalelor

 

Elementele grupelor 1…10 ale sistemului periodic, elementele din perioadele mari, grupele 13,14,15, lantanoidele şi actinoidele sunt metale.

Metalele sunt alcătuite din atomi care conţin un număr mic de electroni pe ultimul strat electronic. Datorită acestei structuri atomii metalelor au energie de ionizare mică şi afinitate pentru electroni mică, adică atomii metalelor se caracterizează prin valori mici ale electronegativităţii relative. Comportarea chimică a atomilor de metal se caracterizează prin tendinţa de a ceda electroni (de a se oxida) şi de a se transforma īn cationi metalici, manifestānd caracter reducător:

Mo – ze-  Mz+

Capacitatea atomilor metalici de a se transforma īn ioni este diferită şi se exprimă prin valoarea potenţialului standard de oxidare, Eox0 . Īn tabele este de obicei prezentat potenţialul standard de reducere a metalelor care este egal şi de semn contrar cu potenţialul standard de oxidare. După valoarea potenţialului standard metalele se pot clasifica īn metale comune şi īn metale nobile:

 

Li, K, Ba,

...,Fe, Ni, Sn, Pb...

H

Cu, Ag, Sb, Hg,

…..Pt, Au

metale comune (active)

 

metale nobile (pasive)

E0, redM

< 0

0

> 0

 

Īn Tabelul 2.3 sunt prezentate valorile potenţialului standard corespunzător reducerii ionilor cu formarea de metale. Aceste valori sunt corelate cu principalele caracteristici chimice ale metalelor.

Metalele reacţionează cu substanţe elementare:

a)     Hidrogenul īn reacţia cu metale formează hidruri. Hidrurile metalelor alcaline şi alcalino-pămāntoase sunt compuşi ionici care conţin ionul negativ de hidrogen, hidrură, H-:

 

Na + H2 = 2NaH                    Ca  + H2 = CaH2

Hidrurile metalelor pămāntoase, hidrura de staniu, hidrura de plumb şi hidrura de bismut sunt compuşi covalenţi şi se obţin de obicei prin metode indirecte.

Hidrurile metalelor tranziţionale sunt hidruri interstiţiale.

b)     Oxigenul formează īn reacţia cu metalele oxizii corespunzători:

 

2Zn + O2 = ZnO                                            2Hg + O2 = 2HgO

2Al + 3O2 = 2Al2O3                                       2Pb + O2 = 2PbO

Dacă reacţionează metalele alcaline se obţin superoxizi sau peroxizi:

 

2K + 2O2 = K2O4                  K –O-O-O-O-K, superoxid de potasiu

2Na + O2 = Na2O2                 Na-O-O-Na, peroxid de sodiu

c)      Halogenii reacţionează cu metalele formānd halogenuri metalice:

 

  Zn + Cl2 = ZnCl2                                 Pt + 2Cl2 = PtCl4                 Au + 3Cl = AuCl3

  2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3               2Al + 3Cl2 = 2AlCl3

Aurul reacţionează numai cu halogenii īn stare atomică:

Halogenurile metalice sunt halogenuri ionice sau parţial covalente, īn funcţie de natura metalului.

d)     Sulful formează sulfuri metalice:

 

 Fe + S = FeS             Hg + S = HgS             2Na + S = Na2S         2Al + 3S = Al2S3

Reacţia mercurului cu sulful, cu formarea sulfurii mercurice, se desfăşoară cu viteză convenabilă şi la temperatura camerei şi se utilizează la īndepărtarea mercurului accidental īmprăştiat.

e)      Azotul reacţionează cu unele metale şi formează azoturi (nitruri) stoechiometrice iar cu altele formează azoturi interstiţiale:

 

3Ca + N2 = Ca3N2                             6Li + N2 = 2Li3N

 

Tabelul 2.3  Potenţiale standard de reducere şi proprietăţi chimice ale unor metale

 

 

Mz+/M0

Ered0

 

[V]

Stare naturală

Reacţio-nează cu H+ din…

Oxidabi-litate

Prprietăţile oxizilor

Caract. Reducător

Li+/Li

-3,030

 

 

 

 

 

 

 

Nu se găsesc īn stare nativă

 

 

Apă, acizi

la rece

 

Uşor, īn aer, la tempera- tura camerei

 

 

 

Oxizii se reduc greu

 

Cs+/Cs

-2,914

Rb+/Rb

-2,930

K+/K

-2,925

Ba2+/Ba

-2,900

Sr2+/Sr

-2,890

Ca2+/Ca

-2,870

Na+/Na

-2,713

Mg2+/Mg

-2,370

Apă la cald,

acizi diluaţi

 

 

 

 

 

 

 

Īn aer, la temperatură ridicată

Be2+/Be

-1,850

Al3+/Al

-1,660

V2+/V

~ -1,20

 

 

Acizi diluaţi, la tempera-tura obiş-nuită

 

 

 

Oxizii se reduc relativ greu

Mn2+/Mn

-1,190

Zn2+/Zn

-0,763

Cr3+/Cr

-0,740

Fe2+/Fe

-0,440

 

Rar īn stare nativă

Cd2+/Cd

-0,402

Ti3+/Ti

-0,370

Co2+/Co

-0,280

Ni2+/Ni

-0,230

Acizi, la cald

Sn2+/Sn

-0,136

Pb2+/Pb

-0,126

H+/H

0,000

 

Cu2+/Cu

-0,337

Adesea īn stare nativă

Acizi oxi-danţi (mai uşor īn prezen-ţa O2),

Ameste-curi oxidante de acizi, la cald sau īn topitură

 

 

 

 

Nu se oxidează īn aer

 

 

 

 

Oxizii se reduc uşor

 

Ru2+/Ru

+0,450

Hg22+/Hg

+0,792

Ag+/Ag

+0,799

Rh3+/Rh

~ +0,80

Īn ge-neral īn stare nativă

Os2+/Os

+0,850

Hg2+/Hg

+0,854

Pd2+/Pd

+0,987

Pt2+/Pt

~ +1,20

Au3+/Au

+1,410

 

 

f)       Multe metale reacţionează cu fosforul, carbonul, siliciul şi cu borul, formānd compuşii corespunzători, de obicei interstiţiali. Asemenea reacţii se īntālnesc īn tratamentele termochimice ale metalelor.

g)     Metalele pot reacţiona cu alte metale formānd combinaţii intermetalice care se pot īntālni īn unele tipuri de aliaje.

Metalele reacţionează şi cu substanţe compuse anorganice: apa, acizi, hidroxizi alcalini şi săruri.

Un metal (caracterizat de un potenţial standard de reducere E0M) poate reacţiona cu specii mai puţina active (cu potenţial standard de reducere mai mare), īnlocuindu-le din compuşi.

a)      Īn reacţia cu apa, cu degajare de hidrogen, vor reacţiona numai metalele active (E0M < 0) iar viteza de reacţie depinde de temperatură. Nu reacţionează cu apa metalele care au potenţialul standard de reducere pozitiv.

Metalele alcaline şi unele metale alcalino-pămāntoase reacţionează violent cu apa la temperatura camerei cu formare de hidroxizi şi hidrogen. Aceste metale se păstrează sub petrol.

2Na + 2HOH = 2 NaOH + H2                      Ca + 2HOH = Ca(OH)2 + H2

Alte metale reacţionează cu apa numai la temperaturi ridicate formānd hidroxizii corespunzători, greu solubili īn apă, din acest motiv reacţia este limitată:

Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2                      2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

Fierul īnroşit reacţionează cu vaporii de apă, rezultānd oxid feroferic:

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

b)     Metalele active īnlocuiesc protonii şi din acizi, formānd săruri şi hidrogen:

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2                Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

Metalele puţin active (nobile) reacţionează numai cu acizi oxidanţi (HNO3, H2SO4, HClO4) sau cu amestecuri de acizi, formānd săruri, produsul de reducere al acidului şi apă:

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

 Au + 3HCl + HNO3 = AuCl3 + NO + H2O

           apă regală

c)      O serie de metale ca Zn, Al, Sn, Pb, Al, Cr reacţionează, īn topitură sau īn soluţie, cu hidroxizi alcalini, cu formare de săruri şi hidrogen. Metalele care pot reacţiona şi cu acizi şi cu baze prezintă caracter amfoter.

 

Zn + 2NaOH  Na2ZnO2 + H2   Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2

                          zincat de sodiu                                     tetrahidroxozincat de sodiu

 

e)  Metalele mai active pot deplasa din sărurile lor metalele mai puţin active:

3CuCl2 + 2Al = 3Cu + 2AlCl3         Hg(NO3)2 + Cu = Hg + Cu(NO3)2

 

f) Metalele alcaline şi alcalino-pămāntoase pot reacţiona cu amoniacul lichid:

2Na + 2NH3 = 2NaNH2 + H2;                     2Na + 2NaNH2 = 2Na2NH + H2;

                amidură de sodiu                                                       imidură de sodiu

2Na + 2 Na2NH = 2Na3N + H2

                       azotură de sodiu

g)     Metalele pot reacţiona şi cu compuşi organici: alcooli,  acizi carboxilici, derivaţi halogenaţi:

 

Metalele alcaline reacţionează cu alcoolii şi cu fenolii formānd compuşi ionici, alcoxizi sau fenoxizi şi hidrogen:

2Na + 2C2H5OH = 2C2H5ONa+ H2                        2Na + 2C6H5OH = 2C6H5ONa+ H2

                                  etoxid de sodiu                                           fenoxid de sodiu

Metalele active reacţionează cu acizii carboxilici cu formare de săruri (carboxilaţi metalici) şi hidrogen. Sărurile acizilor graşi cu metale se numesc săpunuri.

2CH3COOH + Zn = (CH3COO)2Zn + H2  

acid acetic                 acetat de zinc

2CH3(CH2)16COOH + 2Na = 2CH3(CH2)16COONa + H2

acid stearic                     stearat de sodiu (săpun)

Magneziul reacţionează cu derivaţi halogenaţi formānd compuşi organo-magnezieni, intermediari preţioşi īn sintezele organice:

CH3CH2I + Mg = CH3CH2MgI

Iodetan             iodură de etilmagneziu

 

Prin sinteză electrochimică se pot obţine şi alţi compuşi organo-metalici cum sunt: aditivul antidetonaţie numit tetraetilplumb, (C2H5)4Pb, aditivul pentru arderea fără fum a păcurii numit ferocen, Fe(C2H5)2, etc.

Metalele au īn structura lor orbitali electronici vacanţi putānd astfel funcţiona ca acceptori ai uneia sau a mai multor perechi de electroni, formānd substanţe complexe. Pe această proprietate se bazează calitatea de catalizator a unor metale cum sunt platina, paladiul, nichelul ca şi proprietatea lor de adsorbanţi pentru monoxidul de carbon şi pentru alte gaze toxice.