Отношение цинка, кадмия и ртути к разбавленным и концентрированным кислотам

Задача 1021. 

Сравнить отношение цинка, кадмия и ртути к разбавленным и концентрированным кислотам: а) соляной; б) серной; в) азотной. Написать уравнения соответствующих реакций.

Решение:
Цинк, кадмий и ртуть – металлы, образующие подгруппу цинка. Активность их понижается от Zn к Hg. Цинк – амфотерен: легко растворяется в кислотах, а при нагревании – в щелочах. Кадмий в щелочах не растворяется, а в кислотах -менее энергично, чем цинк. Ртуть взаимодействует только с кислотами, которые являются сильными окислителями.

Отношение цинка, кадмия и ртути к разбавленным и концентрированным кислотам: 

а) Отношение цинка, кадмия и ртути  к соляной кислоте.

Соляная кислота взаимодействует с металлами, стоящими в электрохимическом ряду металлов до водорода с образованием соли и выделением газообразного водорода:

1) Цинк легко растворяется в соляной кислоте:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑

2) Кадмий значительно хуже, чем цинк растворяется в соляной кислоте:

 Cd + 2HCl =  ZnCl₂ + H₂↑

3) Ртуть не растворяется в соляной кислоте, она растворяется в царской водке:

3Hg + 2HNO₃ + 6HCl = 3HgCl₂ + 2NO↑ + 4H₂O

б) Отношение цинка, кадмия и ртути  к серной кислоте.

1) Взаимодействие серной кислоты с металлами проходит различно в зависимости от её концентрации. Разбавленная серная кислота окисляет своим ионом водорода. Из-за этого она взаимодействует только с теми металлами, которые стоят в ряду напряжений до водорода, например Zn и Cd:

Zn + H₂SO4 = ZnSO₄ + H₂↑

Cd + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑

Ртуть не взаимодействует с разбавленной серной кислотой (в ряду напряжений металлов ртуть находится после водорода;  нормальный  потенциал   Hg / Hg²⁺  = +0,85 B). 

2) Концентрированная серная кислота является окислителем за счёт серы. Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений до серебра включительно. Продукты её восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла и от условий (концентрация кислоты, температура).

При взаимодействии серной кислоты с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как SO₂, так и свободная сера и сероводород. Так, при взаимодействии с цинком могут протекать реакции:

Zn + 2H₂SO₄ = ZnSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

3Zn + 4H₂SO₄ = 3ZnSO₄ + S↓ + 4H₂O

4Zn + 5H₂SO₄ = 4ZnSO₄ + H₂S↑ + 4H₂O.

Взаимодействие серной кислоты с кадмием протекает труднее, чем с цинком:

Cd + 2H₂SO₄ = ZnSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

3Cd + 4H₂SO₄ = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O

4Cd + 5H₂SO₄ = 4ZnSO₄ + H₂S↑ + 4H₂O.

При растворении ртути в горячей концентрированной серной кислоте в зависимости от избытка ртути или кислоты образуются соли одновалентной или двухвалентной ртути:

Hg + 2H₂SO₄ = HgSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O₂

Hg + 2H₂SO₄ = Hg₂SO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.

а) Отношение цинка, кадмия и ртути  к азотной кислоте.

C металлами, стоящими в ряду напряжений левее водорода азотная кислота реагирует по разному в зависимости от концентрации, например с цинком и кадмием:

Zn + 4HNO₃(60%) = Zn(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

3Zn + 8HNO₃(30%) = 3Zn(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

4Zn + 10HNO₃(20%) = Zn(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O

5Zn + 12HNO₃(10%) = 5Zn(NO₃)₂ + N₂↑ +6H₂O

4Zn + 10HNO₃(20%) = 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Реакции азотной кислоты с кадмием протекают аналогично, как и с цинком только труднее.

Все приведенные выше уравнения отражают только доминирующий ход реакции. Это означает, что в данных условиях продуктов данной реакции больше, чем продуктов других реакций, например, при взаимодействии цинка с азотной кислотой (массовая доля азотной кислоты в растворе 0,3) в продуктах будет содержаться больше всего NO, но также будут содержаться (только в меньших количествах) и NO₂, N₂O, N₂ и NH₄NO₃.

Единственная общая закономерность при взаимодействии азотной кислоты с металлами: чем более разбавленная кислота и чем активнее металл, тем глубже восстанавливается азот:

увеличение концентрации кислоты  ←   NO₂, NO, N₂O, N₂, NH₄NO₃  →    увеличение активности металла.

При растворении ртути в разбавленной  азотной кислоте образуется нитрат ртути (II):

3Hg + 8HNO₃ = 3Hg(NO₃)₂ + 2NO↑+ 4H₂O

При избытке ртути образуется нитрат ртути (I):

6Hg + 8HNO₃ = 3Hg₂(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O.

Ртуть легко растворяется в концентрированной азотной кислоте – образуется нитрат ртути (II):

Hg + 4HNO₃ = Hg(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O