§ 29. Химические свойства металлов

Определения и обозначения

Ряд активности металлов — последовательность металлов по уменьшению их химической активности и способности вытеснять водород и другие металлы из соединений. Он нужен, чтобы заранее определить возможность многих реакций.

Реакция замещения — реакция, в которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Например, железо замещает медь в сульфате меди: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

Восстановительные свойства металлов — способность атомов металла отдавать электроны и восстанавливать другие частицы. Поэтому металл в окислительно-восстановительной реакции сам окисляется, превращаясь в катион.

Амфотерные металлы — металлы, соединения которых проявляют свойства и оснований, и кислот. К ним относят алюминий и цинк; их оксиды и гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щёлочами.

Как это устроено

Металлы обычно выступают восстановителями, потому что их валентные электроны сравнительно слабо удерживаются атомом. При реакции металл отдаёт электроны частицам неметалла или ионам другого элемента. В результате образуются положительные ионы металла, а другая частица восстанавливается.

С неметаллами металлы образуют бинарные соединения, то есть вещества из двух химических элементов. С кислородом возникают оксиды, с серой — сульфиды, с хлором — хлориды. Продукт зависит от активности металла и условий: например, при горении магния образуется MgO, а железо при взаимодействии с кислородом может давать разные оксиды.

Способность реагировать с водой определяется активностью металла, температурой и наличием оксидной плёнки. Калий и натрий реагируют с холодной водой, менее активные металлы могут взаимодействовать с горячей водой или водяным паром. Алюминий в обычных условиях защищён плотной плёнкой оксида, поэтому вода почти не соприкасается с чистым металлом.

Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, способны вытеснять его из разбавленных неокисляющих кислот. Электроны металла переходят к ионам H⁺, из которых образуются молекулы H₂, а оставшиеся ионы кислоты соединяются с катионами металла. Металлы после водорода обычно не реагируют с такими кислотами, поскольку не могут достаточно легко отдать электроны ионам водорода.

В растворе соли более активный металл может вытеснить менее активный из его соединения. Например, железо отдаёт электроны ионам Cu²⁺, поэтому образуются Fe²⁺ и медь. Такая реакция является окислительно-восстановительным обменом электронами и протекает, если продукты устойчивы, а металл действительно активнее вытесняемого.

Химические свойства металлов

Таблица показывает общие направления реакций и условия их протекания. При решении задачи сначала определите, какое вещество взаимодействует с металлом, затем проверьте активность металла и подберите продукты.

Ряд активности особенно важен для реакций с кислотами и растворами солей. Запись общей схемы помогает не перепутать состав продуктов, но конкретное уравнение нужно дополнительно уравнять.

Разбор задач

Алюминий и кислород

Составьте уравнение реакции алюминия с кислородом и расставьте коэффициенты.

1. Металл при взаимодействии с кислородом образует оксид алюминия Al₂O₃.
2. В правой части две формулы Al₂O₃ содержат 6 атомов алюминия и 6 атомов кислорода. Слева ставим 4Al и 3O₂, чтобы число атомов кислорода тоже было 6.
3. Получаем уравнение: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Коэффициенты проверяем по каждому элементу.

Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.

Цинк и соляная кислота

Запишите реакцию цинка с соляной кислотой, назовите продукты и укажите газ.

1. Цинк расположен в ряду активности до водорода, поэтому вытесняет его из HCl.
2. Цинк образует соль ZnCl₂, а водород выделяется в виде H₂. Для двух ионов хлора нужны две молекулы HCl.
3. Уравнение: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Продукты — хлорид цинка и водород.

Ответ: ZnCl₂ и H₂; выделяется водород.

Железо и сульфат меди(II)

Железную пластинку массой 11,2 г поместили в избыток раствора CuSO₄. Определите массу меди.

1. Железо активнее меди, поэтому идёт реакция Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Соотношение веществ Fe и Cu равно 1:1.
2. Находим количество железа: n(Fe) = m/M = 11,2 г / 56 г/моль = 0,2 моль.
3. По уравнению n(Cu) = 0,2 моль. Тогда m(Cu) = nM = 0,2 моль · 64 г/моль = 12,8 г.

Ответ: масса выделившейся меди равна 12,8 г.

Типичные ошибки

Ученик считает, что любой металл вытесняет водород из кислоты. Так ошибаются, если не учитывают положение металла относительно водорода; медь и серебро с разбавленной соляной кислотой обычно не реагируют. Проверка: найдите металл в ряду активности и определите, стоит ли он до H.

В реакции металла с солью выбирают металл по положению в формуле, а не по ряду активности. Название или индекс элемента не показывают его химическую активность. Сравните именно металл, внесённый в раствор, и металл в составе соли.

Иногда для любой реакции с кислородом записывают один и тот же продукт. Это неверно: состав оксида зависит от металла, его валентности и условий нагревания. Проверьте типичный оксид данного элемента и затем уравняйте число атомов.

Забывают о защитной оксидной плёнке алюминия и делают вывод о его мгновенной реакции с водой или кислотой. Плёнка изолирует металл, пока не разрушена или не растворена. В ответе укажите условия, если они влияют на наблюдаемую реакцию.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение атома, валентные электроны, ионы, окисление и восстановление, а также навыки составления уравнений. Ряд активности и таблица растворимости помогают предсказывать реакции и проверять продукты. Эти знания используются при изучении электрохимии, коррозии, получения металлов, гальванических элементов и расчётов по уравнениям.

Что запомнить

• Металлы в химических реакциях обычно отдают электроны и являются восстановителями.
• С кислородом металлы образуют оксиды, а с другими неметаллами — бинарные соединения.
• Активные металлы реагируют с водой, менее активные — только при нагревании или не реагируют.
• Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, могут вытеснять водород из разбавленных неокисляющих кислот.
• Более активный металл вытесняет менее активный металл из раствора его соли.
• Алюминий и цинк проявляют амфотерные свойства благодаря способности реагировать не только с кислотами, но и со щёлочами.
• Возможность и направление многих реакций металлов определяются рядом активности.