V.3. Reacția metalelor cu un acid
Metalele situate înaintea hidrogenului în seria activității chimice a metalelor, în reacție cu acizii, formează săruri și hidrogen.
Me + Acid → Sare + H2 ↑
Exemplu
Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 ↑
a) Metalele situate după hidrogen în seria activității chimice a metalelor nu reacționează cu hidracizii.
b) Metalele situate după hidrogen în seria activității chimice a metalelor în reacție cu oxiacizii nu scot hidrogenul din acești acizi. Se formează săruri, apă și un oxid nemetalic. Aceste reacții nu sunt reacții de substituție.
De exemplu, cuprul cu acidul azotic formează azotat de cupru II, apă și monoxid de azot. Monoxidul de azot reacționează cu oxigenul din aer cu formare de dioxid de azot (un gaz de culoare brună, extrem de toxic și ritant).
3 Cu + 8 HNO3 → 3 Cu(NO3)2 + 4 H2O + 2 NO ↑
2 NO + O2 → 2 NO2 ↑
c) Unele metale nu reacționează cu diferiți acizi.
- Metalele nobile (aurul, platina) nu reacționează cu niciun acid. Ele pot reacționa numai cu un amestec de acizi (3 părți HCl concentrat : 1 parte HNO3 concentrat).
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesor!
🔥 Atenție! Acidul sulfuric este extrem de caustic, oxidant (poate agrava un incendiu), toxic și periculos pentru mediu!
Materiale necesare:
Eprubetă, acid sulfuric concentrat, un obiect de fier, pipetă, clește de lemn, spirtieră.
Descrierea experimentului:
- Pune în eprubetă câteva picături de acid sulfuric concentrat și adaugă apoi obiectul de fier.
- Ce observi ?
Cuiul de fier nu reacționează cu acidul sulfuric concentrat la rece.
- Încălzește eprubeta în flacăra spirtierei.
- Ce observi ?
Cuiul de fier nu reacționează cu acidul sulfuric concentrat nici la cald.
Concluzia experimentului:
Cuiul de fier nu reacționează cu acidul sulfuric concentrat, nici la rece, nici la cald. Acest lucru se întâmplă deoarece fierul se pasivează la suprafață (formează un strat aderent de oxizi de fier) în prezența acizilor oxigenați puternici și concentrați.
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesor!
🔥 Atenție! Acidul azotic este extrem de caustic, puternic oxidant (poate agrava un incendiu), toxic și periculos pentru mediu!
Materiale necesare:
Eprubetă, acid azotic concentrat, o granulă de aluminiu, pipetă, clește de lemn, spirtieră.
Descrierea experimentului:
- Pune în eprubetă câteva picături de acid azotic concentrat și adaugă apoi granula de aluminiu.
- Ce observi ?
Aluminiul nu reacționează cu acidul azotic concentrat la rece.
- Încălzește eprubeta în flacăra spirtierei.
- Ce observi ?
Aluminiul nu reacționează cu acidul azotic concentrat nici la cald.
Concluzia experimentului:
Aluminiul nu reacționează cu acidul azotic concentrat, nici la rece, nici la cald. Acest lucru se întâmplă deoarece aluminiul se pasivează la suprafață (formează un strat aderent de oxid de aluminiu). Datorită stratului protector, aluminiul este un metal cu o durabilitate foarte mare, fiind utilizat în construcții, transport, industria aerospațială și la transportul acidului azotic în cisterne de aluminiu.
Spre deosebire de fier, aluminiul se pasivează natural (în aer, în apă), nu numai în prezența oxiacizilor concentrați.
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesor!
🔥 Atenție, când lucrezi cu surse de foc !
🔥 Atenție! Hidrogenul arde cu explozie în oxigen!
🔥 Atenție! Acidul clorhidric este caustic și îți poate provoca arsuri grave !
Materiale necesare:
Pahar Erlenmeyer, chibrit, spatulă, acid clorhidric, granulă de zinc, dop prevăzut cu un tub, eprubetă, lumânare.
Descrierea experimentului:
- Pune în paharul Erlenmeyer puțin acid clorhidric și introdu apoi în acid, granula de zinc.
- Astupă paharul cu dopul prevăzut cu tub și vino cu un chibrit deasupra tubului. Ce observi ?
- Pune deasupra tubului o eprubetă cu gura în jos și, după 10 secunde, ia eprubeta și adu-o cu gura în flacăra lumânării.
- Ce observi ?
Gazul degajat este hidrogen, deoarece arde în oxigen cu o mică explozie (se aude un „poc!”).
Concluzia experimentului:
Reacția zincului cu acid clorhidric - HCl decurge cu formare de clorură de zinc – ZnCl2 și
hidrogen – H2. Este o reacție de substituție, deoarece avem ca reactanți o substanță simplă și una compusă,
iar ca produși avem tot o substanță simplă și una compusă:
Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2 ↑
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesor purtând echipament de protecție
(ochelari de protecție, mănuși de protecție)!
🔥 Atenție! Reacția este puternic exotermă!
🔥 Atenție! Acidul clorhidric este caustic și periculos pentru mediu acvatic!
🔥 Atenție! Sulfatul de cupru pentahidratat este iritant și periculos pentru mediu acvatic!
Materiale necesare:
Sulfat de cupru pentahidratat, acid clorhidric, folie de aluminiu, pahar Erlenmeyer înalt, chibrit sau
aprinzător electric.
Descrierea experimentului:
- În pahar pune o spatulă de CuSO4 ∙ 5H2O și adaugă apă. Amestecă până la dizolvarea completă a cristalelor de piatră vânătă.
- Adaugă în pahar 40-50 mL de HCl. Observă formarea unei soluții verzi de clorură cuprică.
CuSO4 (aq) + 2HCl (aq) → H2SO4 (aq) + CuCl2 (aq)
- Adaugă în pahar folie de aluminiu și aprinde cu chibritul gazul rezultat.
Gazul rezultat arde cu o flacără verde-albăstruie, care parcă dansează.
Concluzia experimentului:
În pahar au loc următoarele reacții chimice:
2Al (s) + 3CuCl2 (aq) → 2AlCl3 (aq) + 3Cu (s)
2Al (s) + 6HCl (aq) → 2AlCl3 (aq) + 3H2 (g)↑
Căldura degajată la arderea hidrogenului excită atomii de cupru, care emit o lumină caracteristică verde-albăstruie, cu o anumită lungime de undă. Testul colorației flăcării se bazează pe spectrul de emisie caracteristic fiecărui element chimic.
Dacă atomului i se dă energie din exterior, electronii trec pe nivele energetice superioare și atomul ajunge într-o stare excitată. După circa 10-7 s electronii revin pe nivelele inferioare inițiale și vor ceda energia primită la excitare sub formă de radiație electromagnetică de o anumită frecvență.
🔥 Atenție! Experiment demonstrativ efectuat numai de către profesor!
🔥 Atenție! Acidul clorhidric este caustic!
🔥 Atenție! Sodiul se poate aprinde în aer!
🔥 Atenție! Pilitura de magneziu este inflamabilă!
🔥 Atenție! Pilitura de aluminiu este inflamabilă!
🔥 Atenție! Atenție când lucrezi cu surse de încălzire! Pericol de ardere!
Materiale necesare:
4 eprubete, clește metalic, acid clorhidric de concentrație 10%, sodiu, pilitură de magneziu, pilitură de aluminiu, pilitură de cupru, sursă de încălzire.
Descrierea experimentului:
- Toarnă în cele 4 eprubete câte 2 ml de HCl de concentrație 10%
- Cu multă grijă taie o bucățică mică de sodiu sub petrol (metalele alcaline, fiind foarte reactive, se păstrează sub petrol).
- Curăță stratul de oxid de pe bucățica mică de sodiu cu hârtie de filtru.
- Cu un clește pune bucățica de sodiu în prima eprubetă cu acid clorhidric.
- Ce observi?
Sodiul reacționează violent cu acidul clorhidric cu degajare de hidrogen.
2 Na + 2 HCl → 2 NaCl + H2↑
- Adaugă pilitură de magneziu în cea de a doua eprubetă cu acid clorhidric.
- Ce observi?
Pilitura de magneziu reacționează efervescent cu degajare de hidrogen.
Mg + 2 HCl→ MgCl2 + H2↑
- Adaugă pilitură de aluminiu în cea de a treia eprubetă cu acid clorhidric.
- Ce observi?
Pilitura de aluminiu nu reacționează cu acidul clorhidric la temperatura camerei, dar începe să reacționeze efervescent la o ușoară încălzire, cu degajare de hidrogen.
2 Al + 6 HCl→ 2 AlCl3 + 3 H2↑
Toate cele trei reacții sunt exoterme.
- Adaugă pilitură de cupru în cea de a patra eprubetă cu acid clorhidric.
- Ce observi?
Pilitura de cupru nu reacționează cu acidul clorhidric la temperatura camerei și nici după încălzire.
Cu + HCl → nu reacționează
Concluzia experimentului:
Metalele aflate înaintea hidrogenului în seria activităţii metalelor, înlocuiesc hidrogenul din molecula de acid, formând o sare și eliberează hidrogenul. Cuprul se află după hidrogen în seria activităţii metalelor și nu scoate hidrogenul din acizi.
Desfășurarea tuturor reacțiilor prezentate anterior sunt determinate de reactivitatea diferită a metalelor cu diferiți reactanţi. Astfel, în perioada a 3 a, sodiul este cel mai reactiv metal, apoi magneziu este mai slab reactiv decât sodiul și aluminiul este mai slab reactiv decât magneziul (nu reacționează nici cu apa fiartă).
În perioadă, caracterul metalic scade de la grupa IA (1) la grupa a IIIA (13).