"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Металлы — простые вещества, атомы которых обычно легко отдают электроны. Поэтому они проявляют восстановительные свойства и реагируют с кислородом, водой, кислотами и солями. Возможность и условия реакции зависят от активности металла. Ряд активности помогает сравнить металлы и предсказать, вытеснит ли один металл водород из кислоты или другой металл из раствора соли. По этим правилам можно правильно составлять уравнения реакций и определять их продукты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ряд активности металлов — расположение металлов в порядке убывания их способности вступать в реакции. Чем левее металл находится в ряду, тем обычно он активнее правого. Сравнение положения помогает предсказать вытеснение водорода из кислоты или менее активного металла из раствора соли.
Реакция замещения — реакция, в которой атомы металла замещают атомы водорода или менее активного металла в составе вещества. Общая схема выглядит так: металл + соединение → новое соединение + вытесненный металл или водород. Это понятие позволяет определить продукты реакции по активности металлов.
Амфотерные металлы — металлы, оксиды и гидроксиды которых проявляют свойства и кислот, и оснований. К ним относят, например, алюминий и цинк. Их соединения могут реагировать не только с кислотами, но и со щелочами.
Во внешнем электронном слое атомов металлов обычно находится сравнительно мало электронов, удерживаемых ядром не очень прочно. Поэтому металл легко отдаёт их и превращается в положительно заряженный ион. Вещество, которое отдаёт электроны, восстанавливает другой участник реакции, поэтому металл называют восстановителем. С этой особенностью связаны его реакции с кислородом, водой, кислотами и солями.
При взаимодействии с кислородом металл отдаёт электроны атомам кислорода, и образуется оксид. Продукт зависит от природы металла: магний даёт MgO, а некоторые металлы могут образовывать несколько оксидов. Условия также различаются: одни металлы загораются легко, другие реагируют только при нагревании, а благородные металлы с кислородом почти не соединяются.
С водой активные металлы реагируют потому, что способны отдать электроны молекулам воды и восстановить водород до H₂. Например, натрий образует щёлочь NaOH и водород уже при обычных условиях. Менее активные металлы реагируют только при нагревании или с водяным паром, а медь и серебро с водой обычно не взаимодействуют.
Если металл стоит в ряду активности до водорода, он обычно легче отдаёт электроны, чем водородные ионы кислоты. Поэтому железо или цинк вытесняют водород из раствора соляной кислоты, а медь — нет. Для предсказания реакции достаточно найти положение металла относительно H в ряду, но нужно учитывать, что правило относится прежде всего к неокисляющим кислотам.
В растворе соли ионы менее активного металла могут принять электроны от более активного металла. Тогда более активный металл переходит в раствор в виде ионов, а менее активный выделяется как простое вещество. Реакция возможна только при сравнении металлов в ряду и при условии, что исходная соль растворима и продукты не мешают протеканию процесса.
| С чем взаимодействует металл | Условия и зависимость от активности | Продукты реакции | Пример уравнения |
|---|---|---|---|
| Кислород | Часто требуется нагревание; активность и свойства металла определяют лёгкость реакции и состав оксида. | Оксид металла | 2Mg + O₂ → 2MgO |
| Вода | Активные металлы реагируют при обычных условиях, менее активные — при нагревании или с паром; некоторые не реагируют. | Гидроксид или оксид и водород | 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ |
| Раствор кислоты | Металл до водорода в ряду обычно вытесняет его из неокисляющей кислоты. | Соль и водород | Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ |
| Раствор соли менее активного металла | Реакция идёт, если металл-вытеснитель активнее металла в соли, а соль растворима. | Соль нового металла и выделившийся металл | Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu |
Сначала определите, с каким веществом взаимодействует металл, затем сравните его активность с активностью второго участника. После этого подберите продукты и проверьте, соблюдаются ли условия реакции. Таблица удобна как краткий алгоритм, но для точного ответа нужно также учитывать растворимость веществ и особые свойства конкретных металлов.
Условие. Запишите уравнение реакции магния с кислородом и определите её тип. Магний при горении соединяется с кислородом, поэтому продуктом будет оксид магния MgO. Необходимо составить формулы и уравнять число атомов.
Ответ. Уравнение: 2Mg + O₂ → 2MgO. Это реакция соединения, потому что из двух веществ образуется одно сложное вещество.
Условие. Нужно определить, вытесняет ли железо водород из раствора HCl, и записать уравнение. Железо в ряду активности расположено левее водорода. Значит, оно способно восстановить ионы H⁺ до молекул H₂.
Ответ. Железо вытесняет водород: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. Реакция относится к замещению.
Условие. Составьте уравнение реакции Al с раствором CuSO₄, назовите продукты и объясните возможность реакции. Алюминий активнее меди и находится левее неё в ряду активности. На практике реакцию облегчает удаление защитной оксидной плёнки с поверхности алюминия.
Ответ. Продукты — Al₂(SO₄)₃ и Cu. Реакция возможна, потому что алюминий активнее меди, а сульфат меди(II) растворим.
Ошибка — считать, что любой металл реагирует с водой. Её допускают, потому что запоминают общий пример с натрием и переносят его на все металлы. Проверьте положение металла в ряду и условия: медь с водой обычно не реагирует, а железу нужен нагрев или пар.
Нельзя ожидать выделения водорода при реакции любого металла с кислотой. Металлы после водорода обычно не могут восстановить ионы H⁺, поэтому медь с разбавленной соляной кислотой водород не выделяет. Для проверки сравните металл с водородом в ряду активности.
Обратное замещение также является ошибкой: менее активный металл не вытесняет более активный. Причина в том, что менее активный металл хуже отдаёт электроны. Сначала найдите оба металла в ряду и убедитесь, что вытеснитель расположен левее.
Не следует записывать реакцию с раствором соли без проверки её условий. Соль должна быть растворима, а металл-вытеснитель — активнее металла в составе соли. Если хотя бы одно условие не выполнено, реакция замещения в школьной записи обычно не проводится.
Для понимания свойств металлов нужны знания о строении атома: именно внешние электроны объясняют их способность отдавать электроны. Также пригодятся понятия окисления и восстановления, а при решении задач — правила составления и уравнивания реакций. Эти темы помогают объяснить, почему металл является восстановителем.
Ряд активности используется не только для решения уравнений. Он нужен при изучении получения металлов из руд, потому что активные металлы труднее восстановить, а также при объяснении коррозии. С его помощью выбирают способы защиты металлических изделий от разрушения.
Почему металлы обычно выступают восстановителями?
У атомов металлов сравнительно небольшая энергия связи внешних электронов с ядром. В реакции металл отдаёт электроны другому веществу, а сам окисляется. Поэтому он является восстановителем.
Все ли металлы реагируют с водой?
Нет, способность металлов реагировать с водой различна. Активные металлы реагируют уже при обычных условиях, менее активные — при нагревании или с водяным паром, а некоторые, например медь, с водой не реагируют.
Как по ряду активности понять, будет ли металл реагировать с кислотой?
Нужно сравнить положение металла с водородом. Металлы, расположенные до водорода, обычно вытесняют его из растворов неокисляющих кислот, а металлы после водорода обычно такой реакции не дают.
Может ли железо вытеснить медь из раствора её соли?
Да, железо активнее меди и находится в ряду активности левее неё. Поэтому железо вытесняет медь из раствора сульфата меди(II): Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.
Почему металл после водорода обычно не выделяет водород из кислоты?
Такой металл труднее отдаёт электроны, чем водород в составе ионов H⁺. Поэтому восстановить ионы водорода до H₂ он обычно не может. Исключения связаны с особыми окислительными свойствами кислот.
§ 48. Химические свойства металлов
