§ 20. Ряд активности металлов

Определения и обозначения

Ряд активности металлов — последовательность металлов и водорода по убыванию способности металлов отдавать электроны и вступать в реакции. В начале находятся наиболее активные элементы, а ближе к концу — малоактивные. Ряд нужен, чтобы быстро сравнивать металлы и предсказывать возможные реакции.

Активность металла — способность атомов металла отдавать электроны и превращаться в положительно заряженные ионы. Такой процесс называют окислением. Чем легче он происходит, тем активнее металл и тем левее он обычно расположен в ряду.

Реакция замещения — реакция, в которой более активный металл вытесняет менее активный металл из раствора его соли. Например, цинк может вытеснить медь из раствора сульфата меди. Это определение помогает понять, будет ли взаимодействовать металл с конкретной солью.

Вытеснение водорода — выделение водорода из разбавленной кислоты металлом, стоящим в ряду активности левее водорода. При этом образуются соль и газообразный H₂. Правило позволяет определить результат реакции ещё до составления уравнения.

Как это устроено

Металлы отличаются строением внешнего электронного слоя, поэтому по-разному удерживают свои электроны. Если металл легко отдаёт электрон, его атом превращается в положительный ион, а сам металл окисляется. Именно поэтому способность отдавать электроны используют как основу для расположения элементов в ряду.

Положение относительно водорода помогает предсказать реакцию с разбавленной неокисляющей кислотой. Металл левее водорода отдаёт электроны легче и восстанавливает ионы H⁺ до молекул H₂, поэтому наблюдается выделение газа. Металл правее водорода не может достаточно легко отдать электроны и обычно водород из такой кислоты не вытесняет.

При погружении металла в раствор соли возможна передача электронов от его атомов к ионам другого металла. Если первый металл активнее, его атомы переходят в раствор в виде ионов, а ионы менее активного металла превращаются в свободные атомы. Поэтому металл, расположенный левее, обычно вытесняет металл, расположенный правее.

Ряд нельзя применять механически, потому что реакция зависит не только от активности. Вещество должно быть растворимо или иметь условия для образования осадка, газа либо воды, а оксидная плёнка может изолировать металл от раствора. Например, алюминий активен, но его плёнка часто задерживает начало реакции, а свинец может покрываться защитным слоем.

Щелочные и щёлочноземельные металлы требуют особой осторожности при прогнозировании реакций. Они могут очень быстро взаимодействовать с водой и растворами, поэтому прямое погружение такого металла в раствор соли не всегда проводят по обычной схеме. Кроме того, ряд главным образом применяют для разбавленных неокисляющих кислот: концентрированные окисляющие кислоты могут вести себя иначе.

Ряд активности металлов

Читают таблицу сверху вниз: активность в целом уменьшается от первой строки к последней. Для реакции замещения сравнивают два металла, а для реакции с кислотой — металл и водород. Полученный вывод нужно проверить по условиям реакции и возможным защитным плёнкам.

Разбор задач

Задача 1. Реакция цинка с сульфатом меди

Определим, произойдёт ли реакция Zn + CuSO₄, и составим уравнение. В растворе находятся ионы меди, а цинк внесён как более активный металл. Нужно сравнить оба металла в ряду, а затем записать продукты обмена.

1. Цинк расположен левее меди, поэтому он легче отдаёт электроны и может вытеснить медь.
2. Цинк превращается в ионы Zn²⁺, а ионы Cu²⁺ восстанавливаются до металлической меди.
3. Сульфат-ион остаётся в растворе и соединяется с ионами цинка.

Ответ: реакция идёт: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. На цинке может появиться красноватый налёт меди.

Задача 2. Железо и медь с разбавленной соляной кислотой

Составим уравнения реакций железа и меди с разбавленной HCl. Сначала для каждого металла нужно определить его положение относительно водорода. Затем проверяют, может ли металл восстановить ионы H⁺ до молекул H₂.

1. Железо стоит левее водорода, поэтому реакция возможна: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.
2. Медь находится правее водорода и не вытесняет его из разбавленной соляной кислоты.
3. Для меди записывают: Cu + HCl — реакция не происходит.

Ответ: железо реагирует с выделением водорода, а медь в указанных условиях не реагирует. Различие объясняется положением металлов относительно водорода.

Задача 3. Определение растворов солей

В трёх пробирках находятся ZnSO₄, FeSO₄ и CuSO₄, а для проверки доступны железо и медь. Сравним каждый металл с металлами, входящими в состав солей. Реакция появится только там, где внесённый металл активнее металла из раствора.

1. Железо не вытесняет цинк: Fe + ZnSO₄ — реакции нет, потому что Fe правее Zn.
2. Железо не реагирует с FeSO₄, так как это тот же металл; с CuSO₄ оно реагирует: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.
3. Медь не вытесняет ни цинк, ни железо: Cu + ZnSO₄ — реакции нет, Cu + FeSO₄ — реакции нет. С CuSO₄ также нет реакции из-за одинакового металла.

Ответ: медью отличить растворы нельзя, а железо даёт реакцию только с CuSO₄. Пробирку с сульфатом меди определяют по выделению меди на железе; оставшиеся две по этим реакциям надёжно не различаются без дополнительного опыта.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой металл реагирует с любой солью. Так думают, потому что смешивают понятия «металл» и «реагент», но реакция замещения возможна только при вытеснении менее активного металла. Проверьте себя сравнением двух металлов в ряду.

Ошибка: считать более активным металл, расположенный правее. Причина — привычка воспринимать движение вправо как усиление признака, хотя в этом ряду активность уменьшается слева направо. Перед решением отметьте стрелкой направление убывания активности.

Ошибка: делать вывод о реакции с кислотой только потому, что вещество является металлом. Не каждый металл вытесняет водород: сначала найдите в ряду положение металла относительно H. Если он правее водорода, с разбавленной неокисляющей кислотой обычно реакции нет.

Ошибка: забывать об условиях и исключениях. Оксидная плёнка алюминия, защитный слой свинца, реакция щелочных металлов с водой и действие концентрированных окисляющих кислот могут изменить наблюдаемый результат. Поэтому после проверки ряда уточните среду, концентрацию и состояние поверхности металла.

Связь с другими темами

Для понимания ряда нужны знания о строении атома и электронной оболочке металлов, а также понятия окисления и восстановления. Необходимо уметь распознавать формулы солей и кислот, чтобы правильно записывать продукты реакций.

Ряд помогает прогнозировать реакции замещения и составлять уравнения химических реакций. Позже он используется при изучении электрохимии, коррозии, получения металлов и принципа работы гальванических элементов.

Что запомнить

• В ряду активности металлы расположены по убыванию способности отдавать электроны.
• Чем левее металл в ряду, тем обычно он активнее.
• Металл вытесняет из раствора соли только менее активный металл.
• Металлы левее водорода обычно вытесняют водород из разбавленных кислот.
• Металлы правее водорода обычно не вытесняют водород из разбавленных неокисляющих кислот.
• Алюминий активен, но его реакции часто тормозит оксидная плёнка.