§ 41. Химические свойства металлов. Электрохимический ряд напряжений металлов

Определения и обозначения

Химические свойства металлов — способность металлов вступать в реакции с неметаллами, водой, кислотами и солями. Иными словами, это набор превращений, в которых металл образует новые вещества. Знание таких свойств помогает предсказывать продукты реакций и выбирать подходящие условия.

Ряд напряжений металлов — последовательность металлов и водорода по убыванию химической активности и восстановительной способности. Чем левее расположен металл, тем легче он обычно отдаёт электроны. Ряд нужен, чтобы сравнивать металлы и решать, возможна ли реакция замещения или выделение водорода из кислоты.

Реакция замещения — реакция, в которой атомы более активного металла вытесняют менее активный металл из раствора его соли. Например, цинк может вытеснить медь из раствора сульфата меди(II). Это определение помогает понять, почему одного присутствия двух металлов в растворе недостаточно для реакции.

Восстановительная способность металла — способность отдавать электроны и превращаться в положительно заряженный ион. Например, атом цинка отдаёт два электрона и становится ионом Zn²⁺. Понятие нужно, чтобы объяснять, какой участник реакции теряет электроны и почему активность металлов связана с их положением в ряду.

Как это устроено

У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно немного электронов, и они удерживаются сравнительно слабо. Поэтому атомы могут отдавать их другим частицам и превращаться в положительные ионы; в этом проявляется восстановительная способность металла. В ходе реакции металл окисляется, а частица, принявшая электроны, восстанавливается.

С неметаллами металлы образуют соединения: с кислородом — оксиды, с галогенами — галогениды, с серой — сульфиды. Причина реакции в передаче электронов от атомов металла к атомам неметалла, хотя конкретное строение связи зависит от веществ. Более активные металлы могут реагировать энергично, иногда уже при соприкосновении, а для менее активных часто требуется нагревание; степени окисления участников при этом меняются.

Реакция с водой зависит от того, насколько легко металл отдаёт электроны, а также от температуры и состояния его поверхности. Активные металлы могут вытеснять из воды водород, образуя гидроксид или оксид, но менее активные реагируют медленно либо только с водяным паром при нагревании. Плотная оксидная плёнка, как у алюминия, отделяет металл от воды и затрудняет контакт, поэтому видимое отсутствие реакции не всегда означает низкую активность самого металла.

В разбавленных неокисляющих кислотах металлы, стоящие левее водорода, обычно отдают электроны ионам H⁺; при этом выделяется водород и образуется соль. Металлы правее водорода, например медь, в таких условиях водород не вытесняют. Для окисляющих кислот это простое правило может не работать: кислота способна окислять металл иначе, поэтому выделение водорода не гарантировано.

В растворе соли ионы менее активного металла могут принять электроны от атомов более активного металла. Поэтому ряд напряжений позволяет сравнить участников и предсказать, пойдёт ли замещение: металл, стоящий левее металла в соли, обычно вытесняет его из раствора. Если же металл менее активен, он не может передать ионам достаточно электронов, и ожидаемая реакция не происходит.

Химические свойства металлов и их зависимость от ряда напряжений

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите тип взаимодействия и проверьте, какие условия указаны. Затем сравните положения металлов в ряду и только после этого составьте формулы продуктов и расставьте коэффициенты. Ряд даёт прогноз, но для вывода об условиях реакции учитывайте также температуру, защитные плёнки и свойства кислоты.

Разбор задач

Цинк и раствор сульфата меди(II)

Условие. Определить, вступит ли цинк в реакцию с раствором сульфата меди(II), и записать уравнение. Нужно установить, какой металл активнее, а затем проверить состав продуктов. Сульфат-ион при замещении остаётся в растворе и входит в состав новой соли.

1. Сравним металлы в ряду напряжений: цинк расположен левее меди, значит, он активнее.
2. Атомы цинка отдают электроны, а ионы Cu²⁺ принимают их и превращаются в атомы меди. Поэтому медь выделяется, а цинк переходит в раствор в виде ионов Zn²⁺.
3. Составим уравнение Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Число атомов каждого элемента и групп SO₄ с обеих сторон одинаково, поэтому коэффициенты равны единице.

Ответ: реакция идёт; Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.

Магний, медь и серебро в разбавленной соляной кислоте

Условие. Определить, какие из Mg, Cu и Ag реагируют с разбавленной HCl, и записать возможные уравнения. В этой задаче кислота неокисляющая, поэтому сравниваем каждый металл с водородом. Из ряда следует, что магний стоит левее водорода, а медь и серебро — правее.

1. Магний может отдавать электроны ионам H⁺, поэтому образуются ионы Mg²⁺ и молекулы H₂.
2. Для получения нейтральной соли к одному иону Mg²⁺ нужны два иона Cl⁻; поэтому перед HCl ставим коэффициент 2.
3. Уравнение: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Медь и серебро в данных условиях водород не вытесняют и с разбавленной соляной кислотой не реагируют.

Ответ: реагирует только магний; Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.

Алюминий, железо и медь с кислородом

Условие. Составить уравнения реакций Al, Fe и Cu с кислородом и объяснить различия в условиях. Все три металла образуют оксиды, но скорость и заметность процесса зависят от активности и состояния поверхности. Уравнения показывают итоговый продукт, а не обязательно одинаковый механизм реакции.

1. Алюминий на воздухе быстро покрывается плотным оксидом, который защищает металл; при горении алюминия в кислороде образуется Al₂O₃: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.
2. Железо при нагревании реагирует с кислородом; один из продуктов горения — Fe₃O₄: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄.
3. Медь менее активна, и её взаимодействие с кислородом обычно требует нагревания: 2Cu + O₂ → 2CuO. Во всех уравнениях проверяем равенство числа атомов каждого элемента слева и справа.

Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃; 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄; 2Cu + O₂ → 2CuO. Для алюминия важна защитная плёнка, а для железа и меди — нагревание.

Типичные ошибки

Считают, что любой металл вытесняет другой из раствора соли. Это неверно: реакция замещения обычно идёт, только если свободный металл активнее металла в соли; ошибку допускают, когда запоминают схему, но забывают сравнить участников. Проверьте их места в ряду: вытеснитель должен стоять левее вытесняемого металла.

Путают активность металла с активностью его иона. В реакции замещения металл-атом отдаёт электроны, а ион другого металла принимает их, поэтому роли противоположны; путаница возникает из-за того, что в записи присутствуют оба вещества. Для самопроверки укажите, кто теряет электроны, а кто получает, и проследите изменение зарядов.

Записывают, что любая кислота с металлом выделяет водород. Но металлы правее водорода не вытесняют его из разбавленных неокисляющих кислот, а окислительные кислоты могут давать другие продукты; ошибка появляется при чрезмерном обобщении правила. Уточните тип кислоты и сравните металл с водородом в ряду.

Оставляют уравнение без коэффициентов или неверно выбирают продукты реакции с водой, кислородом и солями. Причина часто в том, что продукты пытаются угадать, не учитывая заряд ионов и условия. Сначала определите продукты по типу реакции, затем уравняйте число атомов и проверьте, соответствует ли запись условиям задачи.

Связь с другими темами

Для понимания ряда напряжений нужны знания о строении атома и валентных электронах: именно потеря электронов объясняет восстановительные свойства металлов. Также понадобятся понятия окисления и восстановления, степени окисления и умение составлять формулы веществ. При решении задач важно правильно записывать уравнения реакций, определять их тип и расставлять коэффициенты.

Эти знания пригодятся при изучении электрохимических элементов, коррозии и способов получения металлов. Ряд помогает выбирать восстановитель для получения металла из соединения и оценивать, какие металлы легче вступают в реакции. Понимание активности также объясняет, почему одни металлы быстрее разрушаются, а другие применяют для защиты изделий.

Что запомнить

• Металлы обычно являются восстановителями и отдают электроны.
• Активность металлов в ряду напряжений убывает слева направо.
• Более активный металл может вытеснить менее активный металл из раствора его соли.
• Металлы, расположенные левее водорода, обычно вытесняют его из разбавленных неокисляющих кислот.
• Металлы реагируют с неметаллами с образованием соответствующих соединений.
• Взаимодействие металла с водой зависит от его активности, температуры и защитной плёнки.
• Ряд напряжений используют для прогнозирования возможности реакций замещения.