"Химия ", Габриелян О.С, Сивоглазов В.И. и др., Изд. "ДРОФА"
Металлы легко отдают внешние электроны, поэтому в реакциях обычно выступают восстановителями и превращаются в положительные ионы. Их химическая активность неодинакова: одни реагируют с водой и вытесняют водород из кислот, другие взаимодействуют только при нагревании или почти не вступают в реакции. Ряд активности помогает предсказать реакции замещения металлов и водорода.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Металл-восстановитель — атом металла, который отдаёт электроны в химической реакции и превращается в положительный ион, или катион. Например, Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. Это понятие помогает определить, какой участник реакции окисляется.
Ряд активности металлов — последовательность металлов, расположенных по способности отдавать электроны и вступать в реакции. Чем левее стоит металл, тем обычно он активнее и тем легче вытесняет водород или другой металл из соединения. Ряд нужен для прогноза, пойдёт ли реакция замещения.
Реакция замещения — реакция, в которой атомы простого вещества замещают атомы другого элемента в сложном веществе. Металл может вытеснить из соединения менее активный металл или водород: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. По такой схеме удобно проверять возможность реакции.
Пассивирование металла — образование на его поверхности плотной защитной плёнки, которая мешает дальнейшему контакту металла с реагентом. Обычно плёнка состоит из оксида и особенно характерна для алюминия, хрома и железа в некоторых условиях. Поэтому ожидаемая реакция может замедлиться или прекратиться.
Металлы проявляют восстановительные свойства потому, что их внешние электроны сравнительно слабо удерживаются атомом. Отдавая эти электроны, атом уменьшает свой заряд и становится катионом: Na → Na⁺ + e⁻. Но металлы удерживают электроны неодинаково, поэтому их восстановительная способность и место в ряду активности различаются.
С неметаллами металлы образуют бинарные соединения, то есть вещества из двух химических элементов. С кислородом образуются оксиды, с серой — сульфиды, с галогенами — галогениды: 2Mg + O₂ → 2MgO, Fe + S → FeS, 2Na + Cl₂ → 2NaCl. Результат зависит от активности веществ и условий: натрий реагирует с хлором быстро, а железо с кислородом часто требует нагревания.
Вода окисляет только достаточно активные металлы, способные отдавать ей электроны. Щелочные и некоторые щёлочноземельные металлы реагируют с холодной водой, образуя щёлочь и водород: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. Менее активные металлы могут взаимодействовать с водяным паром при нагревании, а медь, серебро и золото с водой обычно не реагируют.
Кислоты содержат ионы водорода, которые могут принять электроны от активного металла и превратиться в молекулы H₂. Поэтому металлы, стоящие до водорода, обычно вытесняют его из растворов неокислительных кислот: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. Исключение составляют окислительные кислоты, например концентрированная HNO₃, а пассивирование может остановить реакцию алюминия или железа.
В растворе соли ионы менее активного металла могут принять электроны от более активного металла. Например, цинк отдаёт электроны и вытесняет медь: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Для прогноза сравнивают металл-пластинку и металл в составе соли: реакция обычно возможна, если первый расположен левее второго в ряду активности.
| С кем взаимодействует металл | Общее условие реакции | Общая схема | Пример |
|---|---|---|---|
| Неметаллы: образование бинарных соединений | Активность металла и неметалла, иногда нагревание | Me + неметалл → бинарное соединение | 2Mg + O₂ → 2MgO |
| Вода: зависимость реакции от активности металла и температуры | Активный металл реагирует с водой; менее активный — иногда с паром | Me + H₂O → основание + H₂ | 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ |
| Растворы кислот: положение металла относительно водорода в ряду активности | Металл до H реагирует с неокислительной кислотой | Me + кислота → соль + H₂ | Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ |
| Растворы солей: положение металла относительно металла в составе соли | Свободный металл активнее металла в соли | Me₁ + соль Me₂ → соль Me₁ + Me₂ | Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu |
Сначала определите, с каким веществом взаимодействует металл, затем найдите соответствующее условие в таблице. После этого составьте продукты по общей схеме и проверьте, не мешают ли реакции пассивирование, вода или особые свойства кислоты.
Условие: запишите уравнение реакции магния с кислородом и расставьте коэффициенты. Нужно определить продукт по валентностям, а затем уравнять число атомов каждого элемента.
Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO.
Условие: определите, будет ли железо реагировать с раствором HCl. Если реакция возможна, составьте уравнение.
Ответ: реакция идёт, выделяется водород; Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂.
Условие: цинковую пластинку помещают в раствор CuSO₄. Предскажите изменения, запишите уравнение и определите окисляющийся металл.
Ответ: выделяется медь, раствор теряет синюю окраску; окисляется цинк.
Считать, что любой металл реагирует с любой кислотой, — ошибка, потому что металл может стоять после водорода или кислота может быть окислительной. Проверяйте положение металла и состав кислоты.
Путать вытеснение водорода с вытеснением металла из соли часто заставляет один и тот же способ рассуждения применять без проверки участника реакции. В кислоте сравнивают металл с водородом, а в соли — с металлом, входящим в её состав.
Записывать реакцию металла с солью без ряда активности нельзя: менее активный металл не вытеснит более активный. Перед составлением уравнения поставьте оба металла рядом в ряду и сравните их положение.
Не учитывать пассивирование и условия реакции — значит забывать о защитной плёнке, температуре и концентрации реагента. Если расчёт предсказывает реакцию, дополнительно проверьте, не мешают ли плёнка или особые свойства вещества.
Для понимания темы нужны строение атома и представление о катионах: они объясняют отдачу электронов металлами. Также понадобятся свойства кислот и солей, составление формул и уравнивание уравнений.
Знания о восстановительных свойствах металлов помогают объяснить получение металлов из руд, где соединения восстанавливаются до простых веществ. Они же связаны с коррозией и способами защиты металлических изделий от разрушения.
Почему металлы в химических реакциях обычно отдают электроны?
На внешнем энергетическом уровне атомов металлов обычно мало электронов, и они сравнительно слабо удерживаются ядром. Поэтому металлу энергетически выгоднее отдать их и превратиться в положительный ион.
Как по ряду активности определить, будет ли металл реагировать с кислотой?
Нужно сравнить положение металла с водородом. Металл, стоящий левее водорода, обычно вытесняет его из раствора неокислительной кислоты, а металл правее водорода обычно не реагирует.
Почему медь не вытесняет водород из раствора соляной кислоты?
Медь расположена в ряду активности после водорода, поэтому не может отдать электроны и вытеснить его из соляной кислоты. HCl является неокислительной кислотой, поэтому дополнительного окислительного действия она не оказывает.
Как понять, вытеснит ли один металл другой из раствора соли?
Сравните металлы в ряду активности. Более активный металл, если он не реагирует с водой и находится в подходящих условиях, может вытеснить менее активный металл из раствора его соли.
Почему некоторые металлы почти не реагируют с водой?
Малоактивные металлы с трудом отдают электроны, поэтому вода не может окислить их при обычных условиях. Иногда реакцию дополнительно замедляет защитная оксидная плёнка на поверхности.
§11. Химические свойства металлов
