6. Реакция замещения меди железом в растворе медного купороса

Определения и обозначения

Реакция замещения — реакция, в которой атомы железа вытесняют медь из соединения CuSO₄. Простое вещество железо реагирует со сложным веществом — солью, а среди продуктов появляются новая соль и металл. Это определение помогает отличить происходящее от реакции обмена.

Медный купорос — кристаллогидрат сульфата меди(II) CuSO₄·5H₂O; его раствор имеет голубой цвет. Кристаллогидрат содержит воду в составе кристаллов, но при записи реакции в растворе обычно используют формулу соли CuSO₄. Это различие нужно, чтобы не смешивать состав кристалла и растворённые частицы.

Ряд активности металлов — последовательность металлов по способности отдавать электроны и вытеснять менее активные металлы из растворов их солей. Чем левее расположен металл, тем легче он вступает в подобную реакцию. По ряду можно заранее определить, будет ли железо вытеснять металл из раствора соли.

Окислительно-восстановительная реакция — процесс, в котором железо отдаёт электроны, а ионы меди(II) принимают их. Отдача электронов называется окислением, а их присоединение — восстановлением. Это понятие позволяет проследить изменение частиц и определить окислитель и восстановитель.

Как это устроено

Железо находится в ряду активности левее меди, поэтому его атомы легче отдают электроны. Когда железо оказывается в растворе CuSO₄, ионы Cu²⁺ могут принять эти электроны, а атомы железа переходят в раствор. Именно различие в активности металлов делает реакцию возможной.

На уровне частиц атом Fe отдаёт два электрона и превращается в ион Fe²⁺: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Ион Cu²⁺ принимает эти электроны и становится атомом меди: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Образовавшаяся медь оседает на поверхности железа, а Fe²⁺ остаётся в растворе.

Молекулярное уравнение реакции — Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu; коэффициенты в нём равны единице. В полном ионном уравнении растворимые соли представлены ионами: Fe + Cu²⁺ + SO₄²⁻ → Fe²⁺ + SO₄²⁻ + Cu. Одинаковые с обеих сторон ионы SO₄²⁻ сокращают, поэтому сокращённое ионное уравнение имеет вид Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu.

Реакцию можно заметить по нескольким связанным признакам: на железе появляется красноватый налёт меди, железо постепенно растворяется, голубая окраска раствора меняется. Налёт возникает потому, что ионы Cu²⁺ превращаются в металл прямо у поверхности железа. Окраска меняется по мере расходования этих ионов и появления в растворе ионов Fe²⁺.

Реакция относится к замещению, потому что железо вытесняет медь из её соединения. Одновременно она является окислительно-восстановительной: Fe отдаёт электроны, а Cu²⁺ принимает их. Железо при этом окисляется и служит восстановителем, а ионы меди восстанавливаются и служат окислителем.

Изменения веществ при взаимодействии железа с раствором сульфата меди(II)

В таблице отдельно показаны изменения участников реакции и наблюдаемые признаки. Ион-наблюдатель не расходуется и не превращается в продукт, поэтому его роль отличается от роли железа и ионов меди. Сопоставляйте строки, чтобы связать изменения частиц с тем, что видно в опыте.

Разбор задач

1. Уравнения и тип реакции

Задача: определить тип реакции, расставить коэффициенты и записать молекулярное и сокращённое ионное уравнения взаимодействия Fe и CuSO₄. Железо вытесняет медь из соли, поэтому это реакция замещения. Сульфат-ион не меняется, и в сокращённой записи его не будет.

1. Записываем продукты: железо образует FeSO₄, а вытесненная медь выделяется как Cu.
2. Получаем Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu; число атомов каждого элемента уже одинаково, коэффициенты — 1:1:1:1.
3. Убираем одинаковый SO₄²⁻ из полного ионного уравнения и получаем Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu.

Ответ: реакция замещения и окислительно-восстановительная; уравнения Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu и Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu.

2. Масса меди при избытке соли

Задача: в раствор избытка CuSO₄ внесли 5,6 г железа; нужно найти массу меди. Избыток соли означает, что всё железо может прореагировать, поэтому расчёт ведём по Fe. По уравнению один моль Fe даёт один моль Cu.

1. Находим количество железа: n(Fe) = m/M = 5,6/56 = 0,1 моль.
2. Из соотношения 1:1 следует n(Cu) = 0,1 моль.
3. Вычисляем массу меди: m(Cu) = nM = 0,1 · 64 = 6,4 г.

Ответ: выделится 6,4 г меди.

3. Ограничивающий реагент и избыток железа

Задача: смешали 11,2 г Fe и 16 г CuSO₄; определить ограничивающий реагент, массу Cu и оставшегося Fe. Здесь нельзя считать, что всё железо вступит в реакцию: сперва сравним количества обоих реагентов. Уравнение показывает соотношение Fe : CuSO₄ = 1:1.

1. Считаем количества: n(Fe) = 11,2/56 = 0,2 моль; n(CuSO₄) = 16/160 = 0,1 моль.
2. Сульфата меди меньше, значит, он ограничивающий реагент и прореагирует с 0,1 моль Fe. Столько же образуется Cu: m(Cu) = 0,1 · 64 = 6,4 г.
3. Железа останется 0,2 − 0,1 = 0,1 моль, или 0,1 · 56 = 5,6 г.

Ответ: ограничивающий реагент — CuSO₄; масса меди — 6,4 г, масса оставшегося железа — 5,6 г.

Типичные ошибки

Запись Cu + FeSO₄ вместо Fe + CuSO₄ меняет направление реакции и означает, что медь вытесняет железо. Так ошибаются, если не сверяют металлы с рядом активности. Проверьте, какой металл активнее: железо расположено левее меди, поэтому реагировать с солью должен Fe.

Сульфат-ион иногда считают участником окисления или восстановления, потому что он присутствует в формулах солей. Но в полном ионном уравнении SO₄²⁻ стоит по обе стороны без изменений и сокращается. Проверка проста: сравните заряд и состав этого иона до и после реакции — электроны он не принимает и не отдаёт.

Голубой цвет исходного раствора ошибочно называют признаком раствора после реакции. Голубую окраску дают ионы Cu²⁺, количество которых уменьшается, а железо переходит в раствор как Fe²⁺. Для проверки сравните состав раствора до и после реакции и не путайте исходный цвет с изменением окраски.

В расчётах можно перепутать соотношение Fe и Cu или не заметить избыток реагента. Коэффициенты перед ними равны единице, а при смешивании двух веществ нужно сначала сравнить количества вещества с учётом коэффициентов. Проверьте, что масса продукта рассчитана по ограничивающему реагенту, а остаток избытка не стал отрицательным.

Связь с другими темами

Для понимания реакции нужны знания о строении атома, образовании ионов, валентности и степенях окисления, а также умение составлять уравнения. Ряд активности подсказывает направление реакции, а тема растворов электролитов помогает записывать полные и сокращённые ионные уравнения. Эти представления пригодятся при изучении окислительно-восстановительных процессов, коррозии металлов и электрохимических источников тока.

Что запомнить

• Железо вытесняет медь из раствора CuSO₄.
• Уравнение реакции: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.
• Сокращённое ионное уравнение: Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu.
• Железо окисляется, а ионы Cu²⁺ восстанавливаются.
• Сульфат-ион в реакции не изменяется.
• На поверхности железа выделяется красноватая металлическая медь.
• Возможность реакции определяют по ряду активности металлов.