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 = ZnSO4H2↑

Cd + H2SO4 = ZnSO4H2↑

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 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 + 2H2SO4ZnSO4 + 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 = Hg2SO4SO2 + 2H2O.

б) 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%) = 4Zn(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