Растворить металл в воде

Обновлено: 20.09.2024

Можно ли, опустив в морскую воду монету, соединенную с проволокой, получить после кораблекрушения электроэнергию для маленького транзисторного приемника? Почему железо ржавеет, а золото не ржавеет? Почему золото – очень дорогой металл, а железо сравнительно недорогой? Обо всем этом вы узнаете, прочитав этот раздел учебника.

Растворимость одного вещества в другом – свойство, присущее всем веществам. Растворимость может быть неограниченной и крайне малой, что зависит от термодинамических свойств растворяемого вещества и растворителя. Даже при чрезвычайно малой растворимости одного вещества в другом всегда осуществляется переход веществ через поверхность их контакта.
Любой металл растворяется в воде, однако растворимость металлов изменяется в очень широких пределах. Например, щелочные металлы бурно взаимодействуют с водой, при этом выделяется из воды водород и образуется раствор гидроксида.
Серебро практически не реагирует с водой, тем не менее процесс перехода частиц серебра в воду происходит, и получается лечебная «серебряная вода». Таким образом, одни металлы хорошо растворяются в воде, другие – крайне плохо. Ответ на вопрос, чем обусловлена различная растворимость металлов в воде, дает область химической науки – электрохимия.
Ниже мы поговорим об особой группе электрохимических реакций, протекающих на границе раздела фаз, в частности металл–вода (или раствор соли металла). Эти реакции характеризуются переносом заряда (электронов) и вещества через границу раздела фаз твердое вещество–жидкость.
Вы знаете, что металл проводит ток благодаря тому, что в его кристаллической решетке есть свободные (точнее, слабо связанные с атомами) электроны. А это означает, что в кристаллической решетке имеется некоторое количество положительно заряженных ионов металла.
Если металлическую пластинку, например медную, погрузить в воду или раствор соли меди, то из слоя металла, находящегося на границе с водой, положительно заряженные ионы Cu 2+ начнут переходить в воду (рис. 8.5). Из-за этого пластинка приобретает отрицательный заряд. Между отрицательно заряженной пластинкой и перешедшими в раствор положительно заряженными ионами возникает электростатическое притяжение, что препятствует дальнейшему переходу ионов в раствор, т.е. процесс растворения металла прекращается.

Рис. 8.5.
Образование двойного электрического слоя
на границе металл–вода (раствор)

Одновременно развивается противоположный процесс: ионы меди из раствора, подойдя к поверхности пластинки, принимают от нее электроны и, переходя в нейтральное состояние, осаждаются. Через некоторое время устанавливается состояние динамического равновесия, при котором скорость перехода ионов из металла в раствор равна скорости их осаждения на металле. На рис. 8.5 ион металла для простоты изображен негидратированным.
При контакте металла с водой или раствором соли металла жидкая и кристаллическая фазы приобретают на границе раздела противоположные заряды, в результате чего на межфазной границе образуется двойной электрический слой и возникает разность электрических потенциалов. Равновесие между металлом, жидкой фазой и двойным электрическим слоем полностью подчиняется всем положениям смещения химического равновесия. На рис. 8.5 двойной электрический слой изображен в виде двух плотных слоев электронов и катионов. В действительности каждый слой распространяется по обе стороны от места контакта металла с водой, и постепенно количество электронов и катионов в слоях понижается.
Равновесие между ионами раствора и металлом выражается уравнением

Cu 2+ (р-р) + 2е = Сu (кр.).

В уравнении равновесия электрохимической реакции принимаемые электроны обычно записывают в левой части уравнения, перед знаком равенства. Соблюдение этого правила крайне важно, т.к. по таким уравнениям можно предсказывать направление электродных процессов.
Посмотрите на написанное уравнение – это уравнение окислительно-востановительной реакции! Поэтому все, что вы знаете об окислительно-восстановительных реакциях, следует использовать и для этих реакций.
Система, состоящая из проводника электрического тока и раствора (или расплава) электролита, в который погружен проводник, называется электродом. Так, медная пластинка, погруженная в водный раствор сульфата меди CuSО₄, – типичный электрод.
Состояние равновесия электродного процесса определяется электродным потенциалом Е, представляющим собой разность потенциалов двух фаз на границе металл–электролит. Непосредственно измерить абсолютное значение электродного потенциала нельзя, но его можно сравнить с потенциалами других электродов (при стандартных условиях).
На медном электроде (медь–раствор с концентрацией ионов Cu 2+ , равной 1 моль/л) при разомкнутой гальванической цепи устанавливается равновесие, характеризующееся стандартным электродным потенциалом, равным 0,34 В:

Cu 2+ + 2e = Cu, E = 0,34 В.

Положительное значение потенциала этой электродной реакции означает, что реакция может проходить самопроизвольно (при наличии второго электрода, поставляющего электроны), т.е. ионы меди могут переходить в металлическую медь (медь будет осаждаться на электроде).
Хотя, разумеется, знак заряда электрода не зависит от способа написания уравнения электродного процесса, при его записи в противоположном направлении знак потенциала необходимо изменить на противоположный.
Стандартный потенциал цинкового электрода равен –0,76 В:

Zn 2+ + 2e = Zn, E = –0,76 B.

Отрицательное значение электродного потенциала цинка свидетельствует о невозможности прохождения реакции по этому уравнению. Самопроизвольно проходит процесс в противоположном направлении:

Zn – 2e = Zn 2+ , E = 0,76 B.

Уравнение этой реакции показывает, что цинк может «растворяться» в кислотах, или, более правильно, цинк реагирует с ионами водорода и образуются ионы цинка и газообразный водород.
Если расположить стандартные электродные потенциалы металлов в порядке уменьшения их отрицательного значения и повышения положительного, т.е. в порядке возрастания их электродных потенциалов, то получится ряд стандартных электродных потенциалов (в обычных учебниках химии называемый по-старому рядом напряжений металлов или неправильно – рядом активностей металлов):

Укажите в уравнениях реакций вещества, играющие роль окислителя и восстановителя. Найдите электродный потенциал, не относящийся к стандартным условиям.
Чем более отрицателен (менее положителен) электродный потенциал, тем выше способность металла посылать ионы в раствор и тем сильнее проявляет себя металл как восстановитель. Металлический литий – самый сильный восстановитель среди металлов, а металлическое золото в данном перечне уравнений реакций – самый слабый восстановитель. (Окислители или восстановители ионы Li + и Au 3+ и какой из них сильнее?)
Все металлы, расположенные в этом списке выше водорода, т.е. имеющие отрицательное значение электродного потенциала, растворяются в растворах кислот с концентрацией ионов водорода
1 моль/л. Если электродный потенциал металла имеет положительный знак, то металл не растворяется в растворах кислот с Эти правила можно не запоминать, лучше запомнить общий подход (уже вам известный) к определению направления окислительно-восстановительной реакции в гальваническом элементе.
Будет ли железо растворяться в соляной кислоте? Выпишем электродные потенциалы железа и водорода (в 1М растворе кислоты, т.е. при концентрации ионов водорода 1 моль/л):

Из этих двух реакций в написанном направлении будет протекать только та, у которой большая способность отдавать электроны, т.е. большее отрицательное значение электродного потенциала. Поэтому металлическое железо будет отдавать электроны, а ионы водорода их принимать:

Растворимость металлов в различных жидкостях

а) Хорошо растворяется в соляной кислоте. Медленно растворяется в концентрированной и разбавленной HNO₃ н разбавленной Н₂SO₄.

б) Алюминий и его сплавы хорошо растворяются в концентрированных растворах едких щелочей (20—40% NaOH или KОН).

Бериллий

Хорошо растворяется в соляной и серной кислотах, а также в азотной кислоте при нагревании. Холодная азотная кислота пассивирует металл вследствие образования пленки окиси бериллия.

Растворяется в кислотах-окислителях: в концентрированных азотной и серной, а также в хлорной при нагревании до белого дыма. Сплавляется с едкими щелочами, образуя метабораты.

Ванадий

Растворяется на холоду в «царской водке» и в азотной кислоте. При нагревании растворяется в концентрированной серной и плавиковой кислотах. Сплавляется со щелочами, образуя соли ванадиевой кислоты (ванадаты). Нерастворим в разбавленных серной и соляной кислотах.

Висмут

Хорошо растворяется в разбавленной азотной кислоте, в смеси азотной и соляной кислот, в горячей концентрированной серной кислотах. Нерастворим в разбавленных соляной и серной кислотах.

Вольфрам

Нерастворим в серной и соляной кислотах. Концентрированная азотная кислота и «царская водка» окисляют вольфрам с поверхности, переводя его в нерастворимую вольфрамовую кислоту. Растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. Растворим в смесях кислот, содержащих фосфорную кислоту, вследствие образования комплексной вольфрамо-фосфорной кислоты H₇[P(W₂O₇)₆]*xH₂O

Растворяется в насыщенном растворе щавелевой кислоты в присутствии перекиси водорода. Сплавляется со щелочами или Na₂CO₃ в присутствии окислителей (например, КСlO₃) с образованием солей вольфрамовой кислоты.

Гафний

Германий

Хорошо растворяется в «царской водке», а также в щелочном растворе перекиси водорода. Кислоты на германий действуют слабо; в азотной кислоте образуется гидрат двуокиси германия.

Железо

Легко растворяется в азотной кислоте, разбавленной серной, а также в соляной кислоте. Чистейшее железо растворяется в азотной кислоте, но не растворяется в соляной.

Золото

Индий

Легко растворяется в соляной кислоте, медленно — в серной, с трудом в концентрированной азотной кислоте.

Кадмий

Растворяется в горячей разбавленной азотной кислоте. Плохо растворяется в разбавленной соляной и серной кислотах; растворение ускоряется в присутствии перекиси водорода.

Кобальт

Растворяется в разбавленной азотной кислоте, а также в разбавленной соляной и серной кислотах. Концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют кобальт.

Лантан

Магний

Легко растворяется во всех разбавленных кислотах, в т. ч. и в уксусной. Растворяется в концентрированных растворах хлорида аммония.

Марганец

Растворяется в разбавленных азотной, соляной и серной кислотах с образованием солей двухвалентного марганца (Мn 2+ ). В концентрированной серной кислоте растворяется с выделением SO₂

Легко растворяется в азотной кислоте. Нерастворима в соляной и в разбавленной серной кислотах. Концентрированная серная кислота растворяет медь при нагревании до паров Н₂SO₄. Соляная кислота растворяет медь в присутствии окислителей (например, Fe 3+ , Н₂О₂, НNО₃ и т. д.).

Молибден

Легко растворяется в «царской водке» и в смеси плавиковой и азотной кислот. Растворяется в концентрированной серной кислоте при нагревании до паров Н₂SO₄. В разбавленной соляной кислоте растворяется при нагревании очень медлепно.

Сплавляется со щелочами в присутствии окислителей. Концентрированная азотная кислота пассивирует молибден.

Мышьяк

Растворяется в смеси азотной и соляной кислот, в концентрированной серной кислоте при нагревании до паров Н₂SO₄. Нерастворим в соляной и разбавленной серной кислотах.

Никель

Растворяется в разбавленной азотной кислоте. В концентрированной азотной кислоте пассивируется и не растворяется. Плохо растворяется в разбавленных соляной и серной кислотах.

Ниобий

Нерастворим в «царской водке» и концентрированной азотной кислоте. Растворяется в плавиковой кислоте с добавкой азотной кислоты. Концентрированная серная кислота с добавкой (NH₄)₂SO₄ или К₂SO₄ растворяет ниобий при нагревании до паров Н₂SO₄. Сплавляется со щелочами, образуя солн-ниобаты.

Олово

Растворяется в соляной кислоте и в смеси соляной и азотной кислот. Растворяется в концентрированной серной кислоте при нагревании. В азотной кислоте образуется нерастворимый осадок метаоловянной кислоты H₂SnO₃

Платина

Рений

Растворяется в азотной кислоте с образованием раствора рениевой кислоты. Концентрированная серная кислота при нагревании медленно растворяет рений. Соляная и разбавленная серная кислоты очень медленно растворяют его.

Ртуть

Хорошо растворяется в азотной кислоте, а также в концентрированной серной при нагревании. Нерастворима в соляной кислоте и в разбавленной серной.

Свинец

Хорошо растворяется в разбавленной азотной кислоте. Соляная и серная кислоты растворяют свинец лишь при нагревании. Растворяется в уксусной кислоте.

Селен

Растворяется в азотной кислоте с образованием растворимой селенистой кислоты H₂SeO₃. Растворяется также в «царской водке».

Серебро

Легко растворяется в азотной кислоте; при нагревании растворяется в концентрированной серной кислоте. Нерастворимо в соляной, а также на холоду в серной кислотах.

Сурьма

Растворяется в концентрированной серной кислоте при нагревании до паров Н₂SO₄, в смеси азотной и соляной кислот, в смеси азотной кислоты с винной.

Таллий

Легко растворяется в азотной кислоте. В серной кислоте растворяется труднее, в соляной — плохо вследствие образования малорастворимого хлорида одновалентного таллия.

Тантал

Нерастворим в «царской водке» и в азотной кислоте. На него не действует плавиковая кислота (в отсутствие платины). Концентрированная серная кислота лишь при нагревании действует на металл. Растворяется в плавиковой кислоте с добавкой азотной. Металл сплавляется со щелочами, образуя танталаты.

Теллур

Растворяется в азотной кислоте с образованием растворимой теллуристой кислоты H₂TeO₃. Растворим в «царской водке», в концентрированной серной кислоте, в растворах NaOH и KCN.

Титан

Растворяется в разбавленной 1 : 1 соляной и разбавленной 1 : б серной кислотах с образованием солей трех валентного титана фиолетового цвета. Очень легко растворяется в разбавленной плавиковой кислоте и в смеси плавиковой и азотной кислот.

Азотная кислота пассивирует титан вследствие образования нерастворимой метатитановой кислоты. Такой пассивированный титан плохо растворяется в соляной и серной кислотах.

Торий

Легко растворяется в концентрированной соляной кислоте и в смеси соляной и азотной кислот. Одна азотная кислота пассивирует металл.

Растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах, а также в хлорной кислоте. Азотная кислота на холоду пассивирует уран (при растворении образуется нитрат уранила UO2(NO₃)₂ ).

Легко растворяется в соляной и хлоркой кислотах, а также в разбавленной серной кислоте. В азотной кислоте хром с поверхности пассивируется, и дальнейшее растворение его протекает крайне медленно.

Церий

Цирконий

Растворяется в «царской водке» и плавиковой кислоте, а также в смеси плавиковой и азотной кислот. Медленно растворяется в серной и концентрированной соляной кислоте. Устойчив к действию 5%-ной соляпой кислоты даже при нагревапии.

Легко переводится в раствор мокрым сплавлением (на 10 мл концентрированной Н₂SO₄ добавляют 3 грамма K₂SO₄).

--> Растворимость металлов в различных жидкостях. Ртуть Хорошо растворяется в азотной кислоте, а также в концентрированной серной при нагревании. Нерастворима в соляной кислоте и в разбавленной серной. | растворимость, металл, химия, кислота

Растворенное и нерастворенное железо в воде

В горных породах и грунте, через которые просачивается вода по пути к водоносным горизонтам, содержится большое количество металлов в чистом виде и в химических соединениях. Один из самых распространенных — железо. Именно его чаще всего находят в жидкости, которая подается в водопровод с центральной станции водоочистки, колодца или скважины.

Рассмотрим подробнее основные формы железа в воде, чем опасно превышение предельно допустимых концентраций этого вещества и каким образом удалить его из жидкости перед употреблением для питья и приготовления пищи.

Растворенная форма железа

При лабораторном анализе специалисты определяют растворенное и нерастворенное железо в воде. Именно в таких формах этот металл присутствует в подземных водах и природных водоемах на поверхности.

Двухвалентное железо в воде из скважины — это двууглекислое железо, которое имеет низкую стойкость. Под действием кислорода оно окисляется и превращается из растворенной формы в нерастворенную. Из-за потери кислоты получается гидрат закиси железа.

Повышенное содержание металла в этой форме наблюдается в воде, добытой из подземных водоносных горизонтов. Он попадает туда при прохождении воды через грунт и остается таким из-за отсутствия контакта с воздухом. После добычи Fe проходит заключительную стадию окисления и переходит в нерастворенную форму. Это его свойство используется в установках водоподготовки и очистки.

Чем опасна вода с превышением железа? Постоянное ее употребление приводит к появлению патологий желудочно-кишечного тракта, почек и печени, ухудшению состояния кожных покровов, аллергическим реакциям.

Нерастворенный металл в воде

Одна из особенностей железа — наличие двух степеней окисления. Трехвалентное железо в воде из скважины образуется при прохождении последней стадии окисления и отличается от двухвалентного следующими свойствами:

Не растворяется в жидкости, поэтому может обнаруживаться при визуальном анализе воды или ее отстаивании;
Присутствует в воде в виде коллоидных частиц или характерной взвеси;
Не может переходить обратно в двухвалентное состояние без специальных физических и химических процессов.

Окисленное железо в трёхвалентной форме присутствует в природных водоемах открытого типа. Это связано с тем, что находящиеся в жидкости нерастворенные вещества переходят в твердую форму.

Способы очистки растворенного и нерастворенного железа в воде

Превышение предельно допустимых концентраций железа, независимо от его типа, негативно отражается на здоровье человека, повреждает и уменьшает срок службы бытовой техники. Удалить из воды невидимый растворенный металл можно несколькими способами в бытовых условиях:

Профессиональная водоподготовка

Перечисленные выше способы удаления растворенного и нерастворенного железа в воде не подходит для постоянного бытового и промышленного применения из-за низкой скорости и производительности. Поэтому в квартирах и домах необходимо использовать профессиональные установки водоподготовки.

Они разрабатываются для централизованных и автономных систем подачи воды. Помимо обезжелезивания, нормализуют рН.

Фильтрация с аэрацией

Наиболее быстрый и эффективный способ, который используется для обработки больших объемов жидкости. Окисление железа производится с помощью специальных реагентов и без них благодаря попаданию в воду воздуха. Кислород в нем ускоряет выпадение железа в нерастворенный осадок.

Реагентный метод применяется на промышленном производстве и при централизованной очистке, так как требует точного дозирования химических веществ и контроля за качеством воды. В жидкость добавляются активные компоненты, которые выступают в качестве окислителя. Благодаря им растворенное железо переходит в твердую фазу из-за доокисления

При очистке без использования химических веществ используется принцип окисления кислородом. Возможны два варианта безреагентной очистки:

Напорная — воздух в жидкость нагнетается с помощью компрессора, что приводит к ускоренному окислению железа. Выпавший твердый осадок затем оседает на дне емкости или отфильтровывается механическими фильтрами.
Безнапорная — увеличение концентрации воздуха в воде происходит за счет его подсоса при протекании жидкости или при ее мелкодисперсном распылении для увеличения площади контакта.

Ионообменный фильтр

Удалить железо из воды можно с использованием специальной фильтрующей установки, в которой используется ионообменная смола. При пропускании через фильтр воды происходит физико-химический процесс, в результате которого ионы железа заменяются ионами натрия. Молекулы металла при этом связываются и удерживаются в фильтрующей загрузке. Минус этого процесса в том, что в процессе работы загрузка быстро теряет эффективность и требует регенерации.

Ионообменные фильтры необходимы для очистки воды с концентрацией железа больше 5 мг на литр. Предварительно необходимо провести фильтрацию жидкости и другими способами удалить из нее марганец, сероводород. В противном случае загрузка из ионообменной смолы еще быстрее деградирует и перестанет выполнять возложенные на нее функции.

Обратный осмос

Качественно удалить железо в растворенном виде из воды позволяет обратный осмос. Используется молекулярная мембрана, которая пропускает через себя только молекулы воды, останавливая различные примеси. Полученный после очистки грязный концентрат утилизируется. Минус решения в том, что вместе с железом из жидкости удаляются полезные для организма минералы. Поэтому вода требует дополнительной минерализации.

Для работы фильтра обратного осмоса нужен насос, создающий повышенное давление потока воды. Поэтому такие установки требуют больших затрат на очистку. Кроме того, необходима начальная фильтрация для увеличения срока службы молекулярной мембраны.

Где приобрести очистные установки

Компания «Экодар» предлагает фильтры и установки водоподготовки для водопроводов и скважин. Количество и типы фильтрующих вставок подбираются индивидуально на основе анализа образцов в лаборатории.

Читайте также: