7. Химия металлов

Определения и обозначения

Металл — химический элемент, атомы которого обычно легко отдают внешние электроны и образуют положительные ионы. Это свойство помогает понять, почему металлы в реакциях часто выступают восстановителями, а многие из них проводят ток и тепло. Слово «обычно» важно: химические свойства металлов различаются.

Металлическая связь — связь между положительными ионами металла и обобществлёнными электронами, которые могут перемещаться по кристаллу. Такая связь объясняет типичные свойства металлических материалов и позволяет представить их внутреннее строение. Её называют металлической, потому что она характерна для атомов, легко отдающих внешние электроны.

Ряд активности металлов — последовательность металлов по убыванию их способности отдавать электроны. Сравнение положения элементов в ряду позволяет предсказать, возможно ли вытеснение водорода из кислоты или другого металла из раствора его соли. Это предварительное правило, поэтому условия реакции тоже нужно проверять.

Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металла при взаимодействии с окружающей средой. Например, железо ржавеет во влажном воздухе, а некоторые металлы тускнеют на поверхности. Влага, кислород, соли и повреждения защитного слоя могут ускорять коррозию.

Как это устроено

У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно сравнительно мало электронов, и они удерживаются ядром слабее, чем электроны внутренних уровней. Поэтому в реакциях такие электроны могут переходить к другим частицам. Атом, потерявший электроны, становится положительно заряженным ионом — катионом. Именно склонность отдавать электроны связывает строение атомов с химическим поведением металлов.

В металлическом кристалле положительные ионы расположены упорядоченно, а отданные внешние электроны не принадлежат только одному атому. Они образуют общее подвижное электронное облако, которое удерживает ионы вместе и обеспечивает металлическую связь. Когда к металлу приложено напряжение, часть электронов направленно перемещается, поэтому металл проводит ток. Подвижные электроны также переносят энергию, что помогает объяснить теплопроводность и характерный блеск. Связь не закрепляет ионы в жёстких парах, поэтому слои кристалла могут смещаться без мгновенного разрушения материала: этим объясняется пластичность.

В химических реакциях металл может передать электроны другому веществу. Получатель электронов восстанавливается, а металл окисляется, то есть сам выступает восстановителем. Однако способность отдавать электроны у разных металлов неодинакова: одни вступают в реакции охотно, другим нужны специальные условия. Этим различием объясняются положение металлов в ряду активности и возможность или невозможность реакций замещения.

Ряд активности используют как средство предварительного прогноза. Металл, стоящий выше водорода, обычно выделяет водород из раствора разбавленной кислоты; металл, расположенный ниже, обычно этого не делает. Более активный металл обычно вытесняет менее активный из раствора его соли, потому что легче отдаёт электроны. Вывод относится к типичным условиям: влияют состав кислоты, растворимость веществ, температура и защитные плёнки на поверхности. Поэтому перед записью реакции важно не только сравнить элементы, но и проверить, подходят ли условия.

В природе металлы часто входят в состав руд — горных пород и минералов, содержащих соединения металлов. Чтобы получить металл, его соединение восстанавливают: например, оксид железа можно превратить в железо угарным газом. Для очень активных металлов обычного химического восстановителя может быть недостаточно, поэтому применяют электролиз расплавов соединений. Способ выбирают с учётом активности металла и устойчивости его соединений: чем труднее отнять металл от соединения, тем более энергичный метод может понадобиться.

Свойства металлов и характерные реакции

Сопоставляй свойства и условия в таблице, прежде чем составлять уравнение: одно и то же вещество может реагировать по-разному в зависимости от среды. Слово «обычно» указывает на типичное правило, а не на реакцию без исключений. При записи уравнения сначала составь формулы веществ, затем уравняй количество атомов коэффициентами.

Разбор задач

1. Реакция магния с кислородом

Условие: запишите уравнение реакции магния с кислородом и уравняйте его. Нужно определить продукт и подобрать коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента было одинаковым в обеих частях уравнения. Не меняй индексы в формулах: они задают состав веществ.

1. Магний образует ион Mg²⁺, кислород — ион O²⁻. Для нейтрального соединения их заряды уравновешиваются в отношении 1:1, поэтому формула оксида магния — MgO.
2. Запиши схему: Mg + O₂ → MgO. Слева два атома кислорода, а справа пока один, поэтому поставь перед MgO коэффициент 2.
3. Теперь справа два атома магния. Поставь коэффициент 2 перед Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO. Проверь: по обе стороны два атома Mg и два атома O.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Коэффициент 2 относится ко всей формульной единице, а индексы в формулах веществ остаются прежними.

2. Цинк и раствор сульфата меди(II)

Условие: определить, будет ли цинк реагировать с раствором CuSO₄, и, если реакция возможна, записать уравнение. Здесь проверяется реакция замещения: нужно сравнить активность цинка и меди. Соль содержит ион меди, который может перейти в металл, если цинк отдаст ему электроны.

1. По ряду активности цинк расположен выше меди, значит, он активнее и легче отдаёт электроны. Поэтому цинк может вытеснить медь из раствора её соли.
2. Запиши схему: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Ион сульфата SO₄²⁻ остаётся при цинке, а ионы Cu²⁺ принимают электроны и превращаются в медь.
3. Проверь число атомов и групп SO₄: с обеих сторон по одному атому Zn, одному атому Cu и одной сульфат-группе. Коэффициенты равны 1, поэтому дополнительных чисел ставить не нужно.

Ответ: реакция идёт: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Если бы металл был менее активен, чем медь, вытеснения меди обычно не произошло бы.

3. Получение железа из оксида железа(III)

Условие: из 16 г Fe₂O₃ получили железо восстановлением CO; найдите теоретическую массу железа. Теоретическая масса — расчётное количество продукта при условии, что реакция идёт полностью и потерь нет. Сначала установи соотношение веществ по уравнению, затем переведи массу оксида в количество вещества.

1. Запиши и уравняй реакцию: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Из одного моля Fe₂O₃ образуются два моля Fe.
2. Вычисли молярную массу оксида: M(Fe₂O₃) = 2·56 + 3·16 = 160 г/моль. Количество вещества оксида n = m/M = 16/160 = 0,1 моль.
3. Используй коэффициенты: n(Fe) = 2·0,1 = 0,2 моль. Молярная масса железа равна 56 г/моль, поэтому m(Fe) = n·M = 0,2·56 = 11,2 г.

Ответ: теоретически можно получить 11,2 г железа. В реальном процессе масса может быть меньше из-за неполного протекания реакции и потерь продукта.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все металлы одинаково активными. Тогда легко предсказать реакцию, которая не произойдёт, или пропустить возможное замещение. Так ошибаются, если запоминают только отдельные примеры и не сравнивают металлы. Перед выводом найди оба элемента в ряду активности и определи, какой стоит выше.

Ошибка: утверждать, что любой металл вытесняет водород из любой кислоты. Сам факт, что вещество — металл, ещё не гарантирует реакцию: учитывают положение металла относительно водорода и свойства кислоты. Ошибка возникает из-за чрезмерного обобщения правила. Проверь, указана ли разбавленная кислота и подходят ли для неё конкретный металл и условия.

Ошибка: записывать реакцию металла с солью без проверки ряда активности. Менее активный металл обычно не вытесняет более активный из раствора его соли. Формально составить продукты можно, но такая запись не доказывает, что реакция идёт. Сначала сравни металлы, а затем проверь условия реакции в растворе.

Ошибка: менять индексы вместо коэффициентов при уравнивании. Индекс меняет состав вещества, а коэффициент показывает количество его частиц; подмена индекса может превратить исходное вещество в другое. Так часто пытаются быстро уравнять число атомов. Сохраняй формулы веществ и меняй только коэффициенты перед ними, после чего пересчитай атомы с обеих сторон.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в свойствах металлов, нужно знать строение атома и понимать, что происходит с электронами при окислении и восстановлении. Для записи реакций пригодятся умения составлять формулы веществ и расставлять коэффициенты. Ряд активности помогает решать задачи на окислительно-восстановительные реакции, изучать электрохимию и выбирать способы получения металлов. Коррозия связывает химические свойства с практической задачей защиты изделий и рационального использования металлических материалов.

Что запомнить

• В типичных реакциях металл отдаёт электроны и выступает восстановителем.
• Металлическая связь и подвижные электроны объясняют многие физические свойства металлов.
• Химическая активность металлов неодинакова.
• Ряд активности помогает предсказывать реакции замещения.
• Способ получения металла выбирают с учётом активности металла и состава руды.
• Коррозия — нежелательное взаимодействие металла с окружающей средой; её можно замедлять защитными покрытиями.