"Химия", Габриелян О.С.
Металлы легко отдают электроны, поэтому в реакциях обычно выступают восстановителями и образуют положительно заряженные ионы. Их химическую активность сравнивают по ряду активности. Он помогает предсказать реакции металлов с кислородом, водой, разбавленными кислотами и растворами солей, а также понять, какой металл сможет вытеснить другой.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Металлы как восстановители. В химических реакциях металлы обычно отдают электроны, поэтому сами окисляются и являются восстановителями. Это свойство связано со строением атома: внешние электроны удерживаются сравнительно слабо. Понятие восстановителя помогает понять, какое вещество принимает электроны металла.
Ряд активности металлов — последовательность металлов, расположенных по убыванию их способности отдавать электроны и вступать в реакции. В школьном ряду обычно используют порядок K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, H, Cu, Hg, Ag, Au. По нему сравнивают активность металлов и заранее предсказывают возможность многих реакций.
Реакция замещения — реакция, в которой атомы простого вещества замещают один из элементов в составе сложного вещества. Общая схема имеет вид A + BC → AC + B. Такое определение позволяет отличить замещение от соединения, разложения и обмена.
Вытеснение металла из раствора его соли означает, что более активный металл заменяет менее активный металл в составе растворённой соли. Например, железо вытесняет медь из раствора сульфата меди(II). Это частный случай реакции замещения, который объясняет осаждение металла на поверхности пластинки.
У атома металла на внешнем уровне обычно находится небольшое число электронов. Ядро удерживает их слабее, чем у многих неметаллов, поэтому металл легко отдаёт электроны при столкновении с частицами другого вещества. После отдачи атом превращается в положительный ион, а принявшее электроны вещество восстанавливается.
При взаимодействии с кислородом металл отдаёт электроны атомам кислорода, и образуется оксид. Например, магний горит ярким светом: 2Mg + O2 → 2MgO. С другими неметаллами также образуются бинарные соединения из двух элементов, например Fe + S → FeS или 2Na + Cl2 → 2NaCl; состав продукта зависит от валентностей и активности веществ.
Некоторые активные металлы реагируют с водой, потому что способны отнимать электроны у атомов водорода в её молекулах. В результате образуются гидроксид металла и водород: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑. Натрий и калий реагируют с холодной водой очень энергично, кальций — спокойнее, магний заметно реагирует при нагревании, а железо с холодной водой практически не взаимодействует.
Разбавленные кислоты содержат ионы водорода, которые могут принять электроны от металла. Поэтому металлы, стоящие в ряду активности до водорода, обычно вытесняют его с образованием соли: Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑. Металлы после водорода, например медь, с разбавленной соляной кислотой обычно не реагируют; учитывают также состав кислоты и защитные плёнки.
В растворе соли ионы менее активного металла могут принять электроны от более активного металла. Так, железо отдаёт электроны и вытесняет медь: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu. Ряд активности даёт предварительный прогноз, но окончательный результат зависит от растворимости веществ, температуры, концентрации и состояния поверхности металла.
| Реагент | Общее направление реакции | Что образуется | Условия и ограничения |
|---|---|---|---|
| Кислород | Металл окисляется | Оксид металла | Нужны нагревание или поджигание неактивных металлов; активность и состав оксида различаются |
| Другие неметаллы | Соединение металла с неметаллом | Бинарное соединение: сульфид, хлорид и другие | Реакция зависит от активности и свойств обоих элементов |
| Вода | Активный металл замещает водород | Гидроксид металла и H2 | Реакция может идти только при нагревании; плёнка на металле иногда мешает |
| Разбавленные кислоты | Металл замещает водород | Соль и H2 | Обычно реагируют металлы, стоящие до водорода; учитывают вид кислоты |
| Растворы солей металлов | Более активный металл замещает менее активный | Новая соль и свободный металл | Сравнивают металлы в ряду активности; вещества должны находиться в подходящей среде |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите реагент, затем сравните активность металла с частицами, которые он может вытеснить. После этого составьте формулы продуктов и уравняйте число атомов.
Магний взаимодействует с кислородом при горении, поэтому продуктом будет оксид магния. Нужно учесть, что молекула кислорода содержит два атома кислорода, а формула оксида магния — MgO.
Ответ: 2Mg + O2 → 2MgO; образуется оксид магния.
Цинк стоит в ряду активности левее водорода, значит, он способен вытеснить водород из разбавленной кислоты. При этом образуются хлорид цинка и газообразный водород.
Ответ: реакция идёт: Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑.
Железо расположено левее меди, поэтому оно активнее и может вытеснить медь из её соли. Образуются сульфат железа(II) и свободная медь.
Ответ: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu; реакция происходит, на пластинке выделяется медь.
Одинаковая реакция с водой. Ошибка возникает, когда активность металлов не учитывают. Натрий реагирует с холодной водой, магнию обычно требуется нагревание, а железо почти не реагирует. Проверяйте положение металла в ряду и условия опыта.
Любой металл вытесняет водород из кислоты. Ученик может перенести правило об активных металлах на медь, серебро и золото. Сначала сравните металл с водородом в ряду и уточните, что кислота разбавленная и неокисляющая.
Вытеснение без сравнения активности. Сам факт погружения пластинки в раствор соли ещё не означает реакцию. Более активный металл вытесняет менее активный, но обратное направление обычно невозможно. Сопоставьте оба металла в ряду.
Непроверенные формулы и коэффициенты. Неверный индекс меняет состав вещества, а неправильный коэффициент нарушает закон сохранения атомов. После записи уравнения пересчитайте каждый элемент слева и справа и проверьте заряды и формулы продуктов.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, окислении и восстановлении, типах химических реакций, валентности и составлении формул. Ряд активности станет основой для изучения электрохимического ряда напряжений: там сравнивают способность частиц отдавать и принимать электроны. Эти знания помогают объяснить коррозию металлов и способы получения металлов из руд.
Почему металлы обычно отдают электроны?
На внешнем энергетическом уровне у атомов металлов обычно немного электронов, и они сравнительно слабо удерживаются ядром. Поэтому металлу энергетически выгоднее отдать электроны и превратиться в положительно заряженный ион.
Как по ряду активности понять, будет ли металл реагировать с кислотой?
Нужно сравнить положение металла с водородом в ряду активности. Металлы, стоящие до водорода, обычно вытесняют его из разбавленных неокисляющих кислот, а металлы после водорода — обычно нет.
Почему некоторые металлы реагируют с водой, а другие — нет?
Металлы обладают разной активностью: чем легче металл отдаёт электроны, тем вероятнее его реакция с водой. На результат также влияют температура, состояние поверхности и защитная оксидная плёнка.
Может ли медь вытеснить железо из раствора его соли?
Нет, медь менее активна, чем железо, и стоит после него в ряду активности. Поэтому атомы меди не могут вытеснить железо из раствора его соли.
Какие признаки могут указывать на реакцию металла с раствором соли?
На поверхности металлической пластинки может появиться налёт или кристаллы другого металла. Также иногда изменяется цвет раствора, но отсутствие заметного изменения ещё не доказывает, что реакции нет.
§ 11. Химические свойства металлов
