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 în cationi metalici, manifestând caracter reducător:

M^o – ze^-  M^z+

Capacitatea atomilor metalici de a se transforma în ioni este diferită şi se exprimă prin valoarea potenţialului standard de oxidare, E_ox⁰ . În 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 în metale comune şi în metale nobile:

În 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 în reacţia cu metale formează hidruri. Hidrurile metalelor alcaline şi alcalino-pământoase sunt compuşi ionici care conţin ionul negativ de hidrogen, hidrură, H^-:

Na + H₂ = 2NaH                    Ca  + H₂ = CaH₂

Hidrurile metalelor pământoase, 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 în 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 formând halogenuri metalice:

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

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

Aurul reacţionează numai cu halogenii în stare atomică:

Halogenurile metalice sunt halogenuri ionice sau parţial covalente, în 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 îndepărtarea mercurului accidental împrăştiat.

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

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

g)     Metalele pot reacţiona cu alte metale formând combinaţii intermetalice care se pot întâlni în 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 E⁰_M) poate reacţiona cu specii mai puţina active (cu potenţial standard de reducere mai mare), înlocuindu-le din compuşi.

a)      În reacţia cu apa, cu degajare de hidrogen, vor reacţiona numai metalele active (E⁰_M < 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-pământoase 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 formând hidroxizii corespunzători, greu solubili în apă, din acest motiv reacţia este limitată:

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

Fierul înroşit reacţionează cu vaporii de apă, rezultând oxid feroferic:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂

b)     Metalele active înlocuiesc protonii şi din acizi, formând 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, formând 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, în topitură sau în 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-pământoase 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 formând 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 formând compuşi organo-magnezieni, intermediari preţioşi în 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 în structura lor orbitali electronici vacanţi putând astfel funcţiona ca acceptori ai uneia sau a mai multor perechi de electroni, formând 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.