Proprietà fisiche dei metalli e dei non metalli
I metalli di solito sono lucenti, duri, malleabili (si possono battere in lamine), duttili (si possono trafilare in fili), sonori (suonano quando li colpisci) e buoni conduttori di calore ed elettricità. Argento e rame sono i migliori conduttori; piombo e mercurio sono conduttori piuttosto scarsi.
I non metalli di solito sono opachi, fragili, non sonori e cattivi conduttori. Molti sono gas (ossigeno, azoto, cloro) o solidi teneri (zolfo, fosforo); il bromo è un liquido.
Le eccezioni che si chiedono spesso
- Il mercurio è un metallo ma è liquido a temperatura ambiente.
- Sodio e potassio sono metalli così teneri che si tagliano con il coltello e hanno punti di fusione bassi; gallio e cesio si sciolgono sul palmo di una mano calda.
- Lo iodio è un non metallo ma è lucente.
- Il carbonio come diamante è la sostanza naturale più dura; il carbonio come grafite conduce l'elettricità.
Proprietà chimiche: reazione dei metalli con l'ossigeno
La maggior parte dei metalli si combina con l'ossigeno formando ossidi metallici, che sono basici: per esempio 2Mg + O2 → 2MgO. Gli ossidi basici solubili (Na2O, K2O) si sciolgono in acqua formando alcali.
Alcuni ossidi come Al2O3 e ZnO reagiscono sia con gli acidi sia con le basi; sono ossidi anfoteri. Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O e Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O.
Metalli diversi reagiscono in modo diverso: sodio e potassio prendono fuoco all'aria aperta, per questo si conservano sotto il petrolio lampante; il magnesio brucia con luce intensa se riscaldato; il ferro brucia solo sotto forma di limatura sottile; il rame forma solo uno strato nero di CuO; argento e oro non reagiscono nemmeno a caldo. I non metalli formano ossidi acidi o neutri (SO2 e CO2 sono acidi; CO e N2O sono neutri).
Reazione dei metalli con l'acqua
Metallo + acqua → idrossido del metallo (o ossido) + idrogeno.
- Sodio e potassio reagiscono violentemente con l'acqua fredda; il calore può incendiare l'idrogeno. 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2.
- Il calcio reagisce in modo meno violento; le bolle restano attaccate e lo fanno galleggiare.
- Il magnesio reagisce con l'acqua calda (e anch'esso galleggia).
- Alluminio, zinco e ferro reagiscono solo con il vapore, dando l'ossido: 3Fe + 4H2O(vapore) → Fe3O4 + 4H2.
- Piombo, rame, argento e oro non reagiscono affatto con l'acqua.
Reazione dei metalli con gli acidi diluiti
Metallo + acido diluito → sale + idrogeno, per esempio Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2. L'effervescenza è più rapida per Mg, poi Al, Zn, Fe. Il rame non libera idrogeno con HCl diluito.
Con l'acido nitrico di solito l'idrogeno non si sviluppa, perché HNO3 è un forte agente ossidante che trasforma l'idrogeno in acqua. Solo magnesio e manganese liberano H2 con acido nitrico molto diluito. L'acqua regia (3 parti di HCl conc. : 1 parte di HNO3 conc.) può sciogliere oro e platino.
Reazione dei metalli con le soluzioni saline (spostamento)
Un metallo più reattivo scalza un metallo meno reattivo dalla sua soluzione salina: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu. La soluzione azzurra diventa verde pallido e sul chiodo si forma uno strato marrone di rame. Il rame non può scalzare il ferro dal FeSO4, quindi nel senso opposto non succede niente.
La serie di reattività
Disporre i metalli in ordine decrescente di reattività dà la serie di reattività: K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Pb > [H] > Cu > Hg > Ag > Au.
- I metalli sopra l'idrogeno liberano H2 con gli acidi diluiti; quelli sotto no.
- Un metallo può spostare dalla sua soluzione salina qualsiasi metallo che stia sotto di lui.
- La posizione decide anche come si estrae il metallo (vedi la lezione sull'estrazione).
Nelle verifiche si chiede spesso di prevedere uno spostamento, di mettere in ordine i metalli a partire da osservazioni date, o di spiegare perché il rame non reagisce con HCl diluito (di solito 2-3 punti).
Formule e definizioni chiave
- Metallo + ossigeno → ossido del metallo (basico; Al₂O₃ e ZnO anfoteri)
- Metallo + acqua → idrossido/ossido del metallo + H₂
- Metallo + acido diluito → sale + H₂ (solo i metalli sopra H)
- Metallo A + sale del metallo B → sale di A + metallo B (se A sta sopra B)
- Serie di reattività: K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Au
Esempi svolti
1. Perché il sodio si conserva sotto il petrolio lampante?
Il sodio reagisce molto in fretta con l'ossigeno e con l'umidità dell'aria e può prendere fuoco. Il petrolio lampante non reagisce con il sodio e tiene lontani aria e acqua.
2. Scrivi l'equazione bilanciata dello zinco con acido solforico diluito e indica il gas.
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂. Il gas è idrogeno; brucia con uno scoppiettio quando gli si avvicina una scheggetta accesa.
3. Dimostra che l'ossido di alluminio è anfotero.
Con un acido: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O (si comporta da base). Con una base: Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O (si comporta da acido). Reagendo con entrambi è anfotero.
4. Il metallo X sposta il rame da CuSO₄ ma non lo zinco da ZnSO₄. Collocalo nella serie di reattività.
X sta sopra Cu (lo sposta) ma sotto Zn (non riesce a spostarlo). Quindi Zn > X > Cu; X potrebbe essere ferro o piombo.
5. Una lamina di rame è immersa in nitrato d'argento. Cosa vedi e perché?
Il rame sta sopra l'argento, quindi Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag. Sul rame si formano cristalli grigi e lucenti di argento e la soluzione diventa lentamente azzurra.
Errori comuni
- Dire che tutti i metalli sono solidi: il mercurio è un metallo liquido.
- Pensare che ogni metallo liberi idrogeno con un acido: rame, argento e oro (sotto H) non lo fanno.
- Scrivere che i metalli liberano idrogeno con l'acido nitrico: HNO₃ ossida H₂ ad acqua (tranne Mg e Mn con acido molto diluito).
- Invertire lo spostamento: un metallo più in basso non può mai scalzarne uno più in alto, per esempio Cu + FeSO₄ → nessuna reazione.