Взаимодейст­вие металлов с кислородом

Каждому металлу, помимо общих свойств, присущи свои осо­бенности. Это необходимо учитывать при использовании ме­таллов в качестве исходных материалов. Например, нельзя строить железнодорожный мост из металла, реагирующего с водой, или изготовлять рабочие инструменты из металлов, способных воспламеняться на воздухе.

Чтобы правильно выбрать металл, нужно хорошо знать его химические свойства. Химические свойства вещества характеризуют его способность реагировать с другими веще­ствами.

С какими веществами взаимодействуют металлы? В ходе хи­ми­ческой реакции атомы металлов отдают электроны. При этом степень окисления металлов возрастает. Поэтому во всех процессах с участием металлов протекают окисли­тель­но-восстановительные реакции, в которых металлы вы­ступают в роли восстановителей.

Большинство металлов взаимодействует с кислородом воз­ду­ха, в результате чего на их поверхности образуется слой окси­да.

Активные металлы – щелочные и щелочноземель­ные – хорошо взаимодействуют с кислородом. На их поверх­ности быстро образуется слой оксида. Иногда в реакции вы­деляется столько теплоты, что металл воспламеняется. Чтобы избежать взаимодействия активных металлов с кислородом воздуха, их хранят в закрытых сосудах под слоем масла или керосина.

Широко используемые в повседневной жизни металлы (же­лезо, алюминий, цинк, медь, олово и др.) относятся к числу среднеактивных или малоактивных металлов. При нормальных условиях и умеренном нагревании они довольно устойчивы к кислороду. У многих из них (например, алюми­ний, цинк, хром) под действием кислорода на поверхности образуется тонкий и очень плотный слой оксида, защищаю­щий металл от дальнейшего окисления. Слой ржавчины, об­разуемый на поверхности железа под действием влажного воз­духа, довольно рыхлый, и он не защищает металл от даль­нейшего ржавления.

Ржавчина в основном состоит из оксида железа (III) Fe₂O₃.

При нагревании на воздухе на поверхности железа образует­ся плотный слой железной окалины, которая в основном со­стоит из смеси оксидов. Состав железной окалины выра­жает­ся формулой FeO · Fe₂O₃ или суммарной формулой Fe₃O₄.

$3 \mathrm{Fe} + 2 {\mathrm{O}}_2 \stackrel{t°}{\to } {\mathrm{Fe}}_3{\mathrm{O}}_4$

Самой низкой активностью обладают благородные метал­лы. К ним относятся золото, серебро и платина. Эти металлы доста­точ­но устойчивы к действию кислорода как при обыч­ных ус­ловиях, так и при нагревании. С древних времен благо­родные металлы ценились как очень устойчивые и красивые мате­риа­лы.

Говоря об устойчивости металлов к действию кислорода, мы обычно имеем в виду металлические изделия или большие куски металла. Однако надо помнить о том, что химическая активность измельченных или порошкообразных металлов намного выше, потому что площадь соприкосновения с кис­лородом у частиц порошка намного больше. Например, обра­зующаяся при обработке железа крошка настолько активна, что легко воспламеняется, и мы видим, что железо искрит. Но активность железного порошка снижается при его дли­тель­ном нахождении на воздухе, так как его частицы покры­ва­ются слоем оксида.

Что происходит при взаимодействии металла и кислорода? Рассмотрим на примере реакции взаимодействия магния и кислорода:

$2 \stackrel{0}{\mathrm{Mg}} + {\stackrel{0}{\mathrm{O}}}_2 \to 2 \stackrel{ \mathrm{II}-\mathrm{II}}{\mathrm{MgO}}$

В ходе реакции магний окисляется (с. о. увеличивается), т. е. он выступает в роли восстановителя. Кислород высту­пает в роли окислителя, его степень окисления уменьшается.

При взаимодействии металлов с кислородом обычно образу­ются оксиды, в которых соответствующий металл имеет наи­бо­лее устойчивую степень окисления. Степень окисления ме­таллических элементов первой и второй групп как в оксидах, так и во всех других соединениях совпадает с номером груп­пы. В случае большинства металлических элементов также возможно образование оксидов c менее стабильной степенью окисления. Например, медь помимо основного оксида CuO может быть представлена также и в оксиде Cu₂O.