4.8. Metallide keemilised omadused

Metallid on tüüpilised redutseerijad keemilistes reaktsioonides ning loovutavad alati redoksreaktsioonide käigus elektrone. Seda näed igapäevaelus sellest, et metalli pind tuhmub kergesti ehk korrodeerub. Metallide üldisemaid keemilisi omadusi saad vaadata järgmisest videost.

Allikas: https://youtu.be/xLBQO2PDpoM

Metallide redoksomadused

Metallidele on iseloomulik loovutada elektrone, kuna tuumalaengu mõju on nõrk tänu metalli aatomi suurtele mõõtmetele. Väliskihi elektrone ei hoita tugevalt kinni ning need loovutatakse kergesti. Metallid on keemilistes reaktsioonides seega tüüpilised redutseerijad. Redutseerijad on ained, milles aineosakesed loovutavad elektrone. Näiteks alumiiniumi reageerimisel joodiga tekib alumiiniumjodiid:  2Al + 3I2 → 2AlI3.

pilt

Joonis 1. Alumiiniumi reaktsioon joodiga katalüsaatori juuresolekul. Tekib alumiiniumjodiid: 2Al+3I\(_2\)→2All\(_3\) Jood sublimeerub, ehk muutub tahkest otse gaasiliseks ning on näha tekkinud lillakat joodiauru.

Reaktsioon on väga eksotermiline, st reaktsiooni käigus vabaneb palju energiat, mille tulemusena ka üks läheteaine, jood (I2), osaliselt sublimeerub. Sublimeerumine on aine üleminek tahkest olekust gaasilisse ilma vahepealse vedela oleku tekkimiseta. Jooniselt 1 on näha lillakad joodiaurud. Selle reaktsiooni käigus metalli aatomid loovutavad elektrone ning mittemetalli (I2) molekulid seovad elektrone.

Al - 3e- → Al3+ metall on redutseerija

I2 + 2e- → 2I- mittemetall on oksüdeerija

Elektroni loovutamisel tekib metalli katioon ja metalli oksüdatsiooniaste kasvab, elektroni liitmisel tekib mittemetallist anioon ja oksüdatsiooniaste kahaneb.

Metallide reaktsioonid mittemetallidega

Enamik metalle reageerib mittemetallidega kõrgemal temperatuuril. Reaktsiooni saab kiirendada ka sobiva katalüsaatori valimisel. Metallide reaktsioonid mittemetallidega leiad tabelist 1.

Tabel 1. Metallide reaktsioonid mittemetalidega

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

METALL

+ HAPNIK

→ OKSIID
(peroksiidid
tekivad K, Na jt)

4 Fe + 3 O2 $\xrightarrow{temp}$ 2 Fe2O3   raud(III)oksiid

2 Cu + O2 $\xrightarrow{temp}$ 2 CuO    vask(II)oksiid

4 Na + O2 $\xrightarrow{temp}$2 Na2O   naatriumoksiid

(2 Na + O2 $\xrightarrow{temp}$ Na2O2)   naatriumperoksiid

2 Zn + O2 $\xrightarrow{temp}$ 2 ZnO   tsinkoksiid

4 Al + 3O2 $\xrightarrow{temp}$ 2 Al2O3   alumiiniumoksiid

+ VÄÄVEL

→ SOOL
(sulfiid) (S o.a –II)

2 Na + S $\xrightarrow{temp}$ Na2S   naatriumsulfiid

+ HALOGEEN

CI2, F2, Br2 jne

→ SOOL
(halogeniidid)

2 K + Cl2$\xrightarrow{temp}$ 2 KCl    kaalimkloriid

2 Na + Br2$\xrightarrow{temp}$ 2 NaBr    naatriumbromiid

Ca + F2$\xrightarrow{temp}$ CaF2   kaltsiumfluoriid

+ H2 VESINIK

→ hüdriidid
(H o.a –I)

2 Na+ H2 $\xrightarrow{temp}$ 2 NaH   naatriumhüdriid

+ N2 LÄMMASTIK

→ nitriidid
(N o.a –III)

3 Ca+ N2 $\xrightarrow{temp}$ Ca3N2    kaltsiumnitriid

+ P FOSFOR

→ fosfiidid 
(P o.a –III)

3 Ca+ 2P $\xrightarrow{temp}$ Ca3P2   kaltsiumfosfiid

3 Mg + 2 P $\xrightarrow{temp}$ Mg3P2   magneesiumfosfiid

+ C SÜSINIK

→ karbiidid 
(C o.a –IV)

Ca+ 2 C $\xrightarrow{temp}$ CaC2   kaltsiumkarbiid



Metallide reaktsioonid hapete lahjade vesilahustega

Metallide reaktsioonide kirjutamisel lahjendatud hapete lahustega kasuta metallide pingerida:

pilt

Metallide reageerimisel happe lahusega on oksüdeerijaks happe vesinikioonid

Metallid, mis asuvad metallide pingereas vesinikust vasakul, reageerivad lahjendatud hapete vesilahustega ning reaktsiooni tulemusena tekivad sool ja vesinik. Erandiks on lahjendatud lämmastikhappelahus, millest tuleb juttu hiljem.

METALL + HAPPE LAHJENDATUD LAHUS → SOOL  + VESINIK

Zn(t) + 2 HCl(lahjendatud) → ZnCl2(l)+ H2(g)

pilt

Mg(t) + 2 HCl(lahj) → MgCl2(l) + H2(g)

Fe(t) + 2 HCl(lahj) → FeCl2(l) + H2(g)

2 Al(t) + 6 HCl(lahj) → 2 AlCl3(l) + 3 H2(g)

Eriti aktiivselt eraldub vesinikku magneesiumi reageerimisel. Järgneva nelja video põhjal saad näha, kui aktiivselt reageerib metall lahjendatud happelahusega. Aktiivsema metalli (Mg) reaktsioonil happelahusega eralduvad intensiivselt vesinikumullid. Kõige aeglasemalt toimub raua (Fe) reatsioon happelahusega.

pilt   pilt
Magneesiumi reageerimine soolhappe lahusega:
Mg(t) + 2 HCl(lahj) → MgCl2(l)+ H2(g)
 
Alumiiniumi reageerimine soolhappe lahusega:
2Al(t) + 6 HCl(lahj) → 2 AlCl3(l)+ 3 H2(g)
pilt   pilt
Tsingi reageerimine soolhappe lahusega:
Zn(t) + 2HCl(lahj) → ZnCl2(l)+ H2(g)
 
Raua reageerimine soolhappe lahusega:
Fe(t) + 2HCl(lahj) → FeCl2(l)+ H2(g)
Joonis 2. Metallide reageerimine soolhappe lahusega

Reaktsioonide kirjutamisel tuleb lahustuvustabelist vaadata tekkiva soola lahustuvust. Kui metalli pinnale tekib mittelahustuva soola kiht, siis võib metalli ja lahjendatud happelahuse vaheline reaktsioon lakata või pole soolakihi kiire tekkimise tõttu reaktsioon üldse märgatav. Seda võib näha näiteks kaltsiumi reageerimisel lahja väävelhappelahusega.

Ca + H2SO4(lahj)→ CaSO4↓+H2

Metallid, mis asuvad pingereas vesinikust paremal, lahjade happelahusega ei reageeri.

Kaltsiumi pind kattub rasklahustuva kaltsiumsulfaadi tiheda kihiga, mis takistab metalli edasist kokkupuudet happelahusega ja reaktsioon vaibub. Katsete läbiviimisel oleks mõistlik metallid ka oksiidikihist puhastada.

Metallid, mis asuvad pingereast vesinikust paremal, lahjade happelahustega ei reageeri.

Cu + HCl(lahj) → ei toimu

Metallide reaktsioonid lämmastikhappelahusega

Lahja HNO3-lahuse reageerimisel metallidega ei eraldu vesinikku.

Lämmastikhape on väga tugev oksüdeerija. Kontsentreeritud HNO3 on tugevam oksüdeerija kui H2SO4. Lahjendatud HNO3-s (erinevalt H2SO4-st) on oksüdeerijaks NO3- -ioonid, mitte H+-ioonid. Seetõttu ka lahja HNO3-lahuse reageerimisel metallidega ei eraldu vesinikku. Sõltuvalt happe kontsentratsioonist, metalli aktiivsusest ning temperatuurist on saadused erinevad.

 

METALL + LÄMMASTIKHAPE → SOOL + VESI + LÄMMASTIKUÜHEND

tsink + lämmastikhape → tsink(II)nitraat + lämmastikdioksiid + vesi
Zn + 4 HNO3(konts) → Zn(NO3)2 + 2 NO2↑ + 2H2O

tsink + lämmastikhape → tsink(II)nitraat + lämmastikoksiid + vesi
3 Zn + 8 HNO3(lahj)→ 3 Zn(NO3)2 + 2 NO↑  + 4 H2O

Lämmastikhappe vesilahusega reageerivad ka vähemaktiivsed metallid Cu, Hg, Ag.

Metalli reageerimisel lämmastikhappe lahusega võib tekkida veel teisi lämmastikühendeid. Koolikeemias seda teemat laiemalt ei käsitleta, aga huvi korral võid lisaks lugeda siit

popup  Loe lisaks: Metallide reaktsioonid lämmastikhappelahusega.

Üldised reegelid lämmastikhappe reageerimisel metallidega:

1. mida lahjem on lahus, seda madalama oksüdatsiooniastmega lämmastikuühend tekib;
2. mida aktiivsem on metall, seda madalama oksüdatsiooniastmega lämmastikühend tekib.

   +5        +4           +3         +2       +1         0       -3      -3         
HNO3 → NO2 → HNO2 → NO → N2O → N2 → NH3 (NH4NO3)

Lämmastikhappe lahuse kontsentratsiooni mõju

Vaatleme näitena Zn reageerimist erineva kontsentratsiooniga lämmastikhappe lahusega (eksperimentaalsete andmete põhjal).

Metall + lämmastikhape → sool + vesi + lämmastikühend

Zn + 4 HNO3(konts) → Zn(NO3)2 + 2 NO2↑ + 2H2O

3 Zn + 8 HNO3 (lahj)→ 3 Zn(NO3)2 + 2 NO↑  + 4 H2O

NB! Olukord on sageli keerulisem, sest reaktsioonisegu võib sisaldada erinevaid ühendeid samaaegselt (vaata ülevalpool toodud lämmastikühendite rida). Sageli kirjutatakse reaktsioonivõrrand aga selle saaduse kohta, mida segus on kõige rohkem.

Lämmastikhappe reageerimine erineva aktiivsusega metallidega

Al, Fe, Ni ja Cr passiveeruvad konts. lämmastikhappes ja Pt ning Au ei reageeri. Alates Mn-st tekib NO2, aktiivsete metallidega tekib N2O. Sn reageerimisel HNO3-ga tekib tinahape H2SnO3. Väga aktiivsete metallide reageerimisel kontsentreeritud lämmastikhappe lahusega tekib põhisaadusena dilämmastikoksiid.

8 Na + 10 HNO3 (konts)  → 8 NaNO3 + N2O + 5 H2O
4 Ca + 10 HNO3 (konts) → 4 Ca(NO3)2 + N2O + 5 H2O

Väheaktiivsete metallidega reageerimisel on põhisaaduseks punakaspruun NO2, mida eraldub reaktsiooni käigus märgatavalt (vaata joonist allpool).

Ag + 2 HNO3 (konts) → AgNO3 + NO2 + H2O
Bi + 6 HNO3 (konts) → Bi(NO3)3 + 3 NO2 + 3 H2O
Cu + 4 HNO3 (konts) → Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O 

Tina reageerimisel kontsentreeritud lämmastikhappega tekib tinahape H2SnO3, mis ei lahustu vees. Tina reageerimisel lahjendatud lämmastikhappe lahusega tekib sool.

Sn+4 HNO3 (konts) → H2SnO3 + 4 NO2 + H2O

3 Sn + 8 HNO3 (lahj) → 3 Sn(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O

pilt

Vase reaktsioon kontsentreeritud lämmastikhappelahusega. HNO3 sisaldus suurem kui 63%

 
 

Metallide reaktsioonid vee ja veeauruga

Metallide reageerimine veega sõltub metalli aktiivsusest. Taas on reaktsioonide kirjutamisel abiks metallide pingerida. Eristada saab kolme tüüpi reaktsioone.

  1. AKTIIVNE METALL + VESI → HÜDROKSIID + VESINIK
  2. KESKMISE AKTIIVSUSEGA METALL + VEEAUR → OKSIID + VESINIK
  3. VÄHEAKTIIVSED METALLID EI REAGEERI EI VEE EGA VEEAURUGA

pilt

Metallid alates alumiiniumist ei reageeri veega tavatingimustel (st toatemperatuuril). Põhjuseks on tihe oksiidikiht metalli pinnal. Kui oksiidikihti metalli pinnal ei oleks, siis reaktsioon toimuks, mistõttu ei ole võimalik Al toota soolalahuse elektrolüüsil. Veega reageerib alumiinium temperatuuril üle 180 °C:

2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2 (tekkida võib ka oksiidi ja hüdroksiidi segu). 

Aktiivse metalli reageerimisel veega eraldub vesinik ja tekib leelise lahus.

Aktiivsed metallid Li, Rb, K, Cs, Ba, Sr, Ca, Na, Mg regeerivad veega. Redutseerijaks on metall ja oksüdeerijaks on vesi. Veest eraldub leelismetallide toimel vesinik. Alates kaaliumist toimub reaktsioon nii tormiliselt, et tekkinud leelismetall ja vesinik süttivad.

2 Li(t) + 2 H2O(v) → 2 LiOH(l) + H2(g)

2 Rb(t) + 2 H2O(v) →  2 RbOH(l) + H2(g)(süttib põlema)

Ba(t) + 2 H2O(v) → Ba(OH)2(l) + H2(g) (energiline reaktsioon)

 

pilt pilt

Joonis 3. Na ja Ca reaktsioon veega

Allolevalt videolt näed, et Mg-tüki ümber on tekkinud vees aluseline keskkond, sest fenoolftaleiin (indikaator) on värvunud roosaks. Vesinikumullide eraldumine intensiivistub vähesel kuumutamisel. Toatemperatuuril Mg reaktsioon veega praktiliselt ei toimu.

pilt

Joonis 4. Mg reaktsioon veega (lisatud on indikaatorit fenoolftaleiini). Vähesel kuumutamisel tekib magneesiumhüdroksiid ja eraldub vesinik. Reaktsiooni tunnusena näed, et aluse tekkimisel värvub lahus indikaatori tõttu roosaks, lisaks näed  gaasi eraldumist. Mg(t) + 2 H2O(v) → Mg(OH)2(l) + H2(g)

Metallide reaktsioonid soolade vesilahustega

Üldreegel on, et metalli reageerimisel soolalahusega tõrjub aktiivsem metall välja vähem aktiivse metalli. 

Metallide sukeldamisel soolade vesilahustesse võib toimuda väga palju erinevaid protsesse. Sageli toimuvad paralleelreaktsioonid. Reaktsioonid võivad olla mõjutatud nii metalli aktiivsusest kui ka soolalahuse happesusest. Kui soovitakse viia läbi reaktsioon, kus aktiivsem metall tõrjub vähem aktiivse metalli soolalahusest välja, tuleb järgida järgmisi reegleid:

  • aktiivsem metall ei reageeri soola lahuses veega;
  • reageeriv sool peab lahustuma vees;
  • lähtemetall peab olema aktiivsem kui väljatõrjutav metall.

Kui on jälgitud eelnimetatud reegleid, siis saame kirjutada reaktsioonivõrrandeid järgneva skeemi alusel:

METALL + SOOL → UUS SOOL + UUS METALL

Fe(t) + CuSO4(l) → Cu(t) + Fe2SO4(l)

Reaktsiooni saame kirjutada ioonvõrrandina:

pilt

Kuna raud on pigereas eespool, saab raud välja tõrjuda metallilise vase vasesoola lahusest.

Nende reaktsioonide kirjutamisel on jällegi abiks metallide pingerida.

pilt

Joonis 5. Videost näed, et raudplaadile tilgutatakse sinakat vask(II)sulfaadi lahust. Toimub reaktsioon ja on näha, et hallika raudplaadi pinnale tekib punakat värvi vasekiht.

popup  Loe lisaks: Amfoteersete metallide reaktsioonid leelistega.

LEELIS + METALL (amfoteerne) → KOMPLEKSÜHEND + VESINIK

Alumiiniumi reaktsiooni naatriumhüdroksiidi lahusega on näha videost allpool. Alumiinium on amfoteerne metall, mis reageerib nii aluste kui hapetega teatud tingimustel.

2 Al(t) + 6 NaOH(l) + 6 H2O(v) → 2 Na3[Al(OH)6](l)+ 3 H2(g)

või ioonsel kujul:

2 Al(t) + 6 OH–(l) + 6 H2O → 2 [Al(OH)6]3-(l) + 3 H2(g)

pilt

Alumiiniumi reaktsioon puhastusvaheniga Torusiil. Torusiil on selles katses 15%-line NaOH-lahus