25.4. Серебро

Определения и обозначения

Серебро — химический элемент Ag и простое вещество, состоящее из атомов серебра. В периодической системе оно находится в 11-й группе, 5-м периоде и относится к благородным металлам. Это положение помогает связать свойства серебра со строением его атома и сравнивать его с соседними элементами.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который рассчитывают, считая связи ионными. Для серебра наиболее характерна степень окисления +1: атом обычно отдаёт один электрон с внешнего уровня и образует ион Ag⁺. Это обозначение нужно, чтобы составлять формулы соединений и уравнения окислительно-восстановительных реакций.

Аргентаты — комплексные соединения серебра, содержащие комплексный ион с атомом серебра в центре. Комплексный ион возникает, когда частицы-лиганды связываются с ионом Ag⁺, например при взаимодействии с аммиаком образуется [Ag(NH₃)₂]⁺. Связывание Ag⁺ уменьшает его концентрацию в растворе и может смещать растворение малорастворимого соединения.

Галогениды серебра — соли серебра и галогенов, например AgCl, AgBr и AgI. Они малорастворимы в воде, но различаются по цвету осадка и чувствительности к свету: особенно заметно фотохимическое разложение бромида серебра. Знание этих различий позволяет распознавать галогенид-ионы и понимать применение солей серебра в фотоматериалах.

Как это устроено

Атом серебра имеет один электрон на внешнем 5s-подуровне и заполненный 4d-подуровень. Отдача внешнего электрона приводит к устойчивому иону Ag⁺ с конфигурацией, в которой 4d-подуровень остаётся заполненным. Поэтому образование соединений серебра со степенью окисления +1 энергетически выгодно и встречается гораздо чаще, чем +2.

В металлическом серебре валентные электроны могут перемещаться между положительными ионами в кристаллической решётке; такое взаимодействие называют металлической связью. Подвижные электроны хорошо проводят электрический ток и отражают свет, поэтому серебро обладает высокой электропроводностью и блеском. Слои атомов могут смещаться без разрушения всей решётки, что объясняет ковкость металла.

Серебро малоактивно, потому что сравнительно неохотно отдаёт электроны и окисляется при обычных условиях. Однако соединения серы способны реагировать с его поверхностью с образованием тёмного Ag₂S, поэтому металл тускнеет. Важна не только реакция с кислородом: даже небольшого количества серосодержащих веществ в воздухе достаточно для потемнения.

Азотная кислота растворяет серебро, поскольку является окислителем: она принимает электроны от атомов металла, а серебро переходит в раствор как Ag⁺. При разбавленной кислоте азот обычно восстанавливается до NO, а при концентрированной — преимущественно до NO₂, поэтому продукты зависят от условий. Соляная кислота обычно не даёт такой реакции: ионы Ag⁺ соединяются с Cl⁻, образуя малорастворимый слой AgCl на поверхности металла.

При смешивании растворов солей серебра и галогенидов образуется осадок, например Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. На свету некоторые галогениды распадаются: AgBr → Ag + Br; в реальном процессе бром образует молекулы Br₂, а серебро выделяется в виде мелких частиц. Если добавить вещество, связывающее Ag⁺ в комплекс, равновесие растворения смещается и часть осадка может раствориться.

Серебро и его важнейшие соединения: свойства и реакции

В таблице собраны вещества, которые чаще всего встречаются при изучении серебра. Сопоставляй растворимость и характерные реакции: так легче предсказать, появится ли осадок или комплекс. Формулы в последней колонке показывают типичное превращение или применение вещества.

Разбор задач

1. Реакция серебра с разбавленной азотной кислотой

Условие. Запишите уравнение реакции серебра с разбавленной азотной кислотой и назовите продукты. Здесь нельзя использовать схему реакции металла с обычной кислотой, при которой выделяется водород. Азотная кислота сама окисляет металл, а её азот восстанавливается.

1. Записываем исходные вещества: Ag и HNO₃. Серебро окисляется до Ag⁺, а азот в нитрат-ионе восстанавливается до NO.
2. Уравниваем переход электронов: три атома Ag отдают три электрона, которых достаточно для превращения азота из степени окисления +5 в +2.
3. Расставляем коэффициенты и проверяем число атомов каждого элемента.

Уравнение: 3Ag + 4HNO₃ → 3AgNO₃ + NO↑ + 2H₂O. Продукты — нитрат серебра, оксид азота(II) и вода; газ NO на воздухе быстро окисляется до NO₂.

2. Осаждение хлорида серебра

Условие. К раствору AgNO₃ добавили раствор NaCl; нужно записать молекулярное и сокращённое ионное уравнения и назвать осадок. Проверяем растворимость: нитраты и соли натрия растворимы, а AgCl малорастворим. Поэтому именно хлорид серебра выпадает из раствора.

1. Записываем обмен и уравниваем его: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
2. В полном ионном уравнении растворимые вещества записываем в виде ионов: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻.
3. Убираем ионы Na⁺ и NO₃⁻, которые не изменились в реакции.

Сокращённое ионное уравнение: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Осадок — хлорид серебра, белое малорастворимое вещество.

3. Массовая доля серебра в смеси

Условие. Смесь Ag и Cu массой 10,0 г обработали избытком разбавленной HNO₃; израсходовано 0,150 моль кислоты. Пусть x — количество серебра, а y — количество меди в молях. Из уравнений реакций следует, что на 1 моль Ag требуется 4/3 моль HNO₃, а на 1 моль Cu — 8/3 моль HNO₃.

1. Записываем реакции: 3Ag + 4HNO₃ → 3AgNO₃ + NO + 2H₂O; 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.
2. Составляем систему по расходу кислоты и массе смеси: 4x/3 + 8y/3 = 0,150; 107,9x + 63,5y = 10,0.
3. Из первого уравнения x + 2y = 0,1125. Решая систему, получаем y ≈ 0,0141 моль и x ≈ 0,0843 моль.
4. Находим массу серебра: m(Ag) = 107,9 · 0,0843 ≈ 9,10 г. Делим её на массу смеси и переводим результат в проценты.

Ответ: массовая доля серебра равна 9,10/10,0 · 100% ≈ 91,0%.

Типичные ошибки

Считать серебро совершенно инертным — ошибка: низкая активность не исключает реакций с окислителями и соединениями серы. Так думают, потому что благородность иногда ошибочно понимают как абсолютную неспособность вступать в реакции. Проверяй себя по ряду активности и помни, что азотная кислота окисляет серебро.

Записывать реакцию серебра с азотной кислотой как реакцию с неокисляющей кислотой — значит ошибочно ожидать водород. Продукт восстановления азота зависит от концентрации кислоты: разбавленная обычно даёт NO, концентрированная — NO₂. Перед записью уравнения уточняй условия реакции и проверяй электронный баланс.

Приписывать серебру степень окисления +2 как наиболее обычную неверно: в типичных солях и оксиде оно одновалентно. Путаница возникает из-за того, что у переходных элементов встречаются разные степени окисления. Сверяй формулу с зарядом аниона: например, в AgCl серебро имеет степень окисления +1.

Нельзя считать все соли серебра растворимыми или одинаково чувствительными к свету. Галогениды AgCl, AgBr и AgI малорастворимы, а их окраска и фотохимическое поведение различаются. Проверяй растворимость по таблице и различай условия опыта; осадок и изменение при освещении — разные свойства.

Связь с другими темами

Для понимания серебра нужны знания о строении атома, периодической системе, степенях окисления и окислительно-восстановительных реакциях. При составлении уравнений осаждения пригодятся таблица растворимости и правила записи ионных реакций. Комплексные ионы связывают эту тему с химическим равновесием и комплексными соединениями.

Свойства серебра применяются в электрохимии и металлургии, а его галогениды — в качественном обнаружении галогенид-ионов и фотохимии. Уравнения реакций помогают рассчитать состав сплавов и расход реагентов. Эти связи показывают, как сведения о металле переходят от описания свойств к практическим задачам.

Что запомнить

• Символ химического элемента серебро — Ag.
• Серебро — благородный металл с высокой электропроводностью.
• Наиболее характерная степень окисления серебра в соединениях — +1.
• Серебро реагирует с кислотами-окислителями, в частности с азотной кислотой.
• Серебро темнеет при взаимодействии с серосодержащими веществами.
• Хлорид, бромид и иодид серебра малорастворимы; некоторые из них разлагаются на свету.
• Нитрат серебра используют для получения других соединений серебра и обнаружения галогенид-ионов.