"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Металлы могут вытеснять водород из кислот, но это зависит не только от самой кислоты. Главное правило определяет ряд активности: металлы левее водорода обычно реагируют с разбавленными неокисляющими кислотами, а расположенные правее — нет. В результате обычной реакции образуются соль и водород. Сила кислоты влияет на число ионов H⁺ и скорость процесса, однако не отменяет значения активности металла.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ряд активности металлов — последовательность металлов по способности отдавать электроны. Чем левее расположен металл, тем легче он превращается в положительно заряженный ион. Водород ставят внутри ряда как границу: металлы левее него обычно вытесняют H₂ из разбавленных неокисляющих кислот.
Реакция замещения — реакция, в которой атомы металла вытесняют водород из кислоты и образуют соль. Металл занимает место водорода в составе кислоты, а сам водород выделяется в виде газа H2. Это помогает определить общий вид уравнения: металл + кислота → соль + водород.
Сила кислоты — способность её частиц диссоциировать, то есть распадаться в воде на ионы. Чем выше степень диссоциации, тем больше ионов H⁺ образуется при одинаковой концентрации кислоты. Поэтому сила кислоты связана с количеством H⁺ и влияет на скорость реакции, но не отменяет активности металла.
При растворении кислоты её частицы образуют ионы H⁺ и отрицательно заряженные ионы кислотного остатка. Активный металл отдаёт электроны и превращается в положительно заряженные ионы. Ионы H⁺ принимают эти электроны, объединяются в молекулы H2, а ионы металла соединяются с кислотным остатком и дают соль.
Металл левее водорода легче отдаёт электроны, чем водородные ионы их принимают. Поэтому в разбавленной неокисляющей кислоте он обычно вытесняет водород. Металл правее водорода отдаёт электроны труднее, и реакции замещения обычно не происходит.
Общая схема записывается так: металл + кислота → соль + H2. Состав соли зависит от металла и кислотного остатка: например, цинк с хлороводородной кислотой образует ZnCl2, а железо с серной кислотой — FeSO4. Коэффициенты подбирают по закону сохранения атомов, поэтому число атомов каждого элемента слева и справа должно совпадать.
Сильная кислота диссоциирует в воде в большей степени, поэтому при одинаковой исходной концентрации в растворе обычно больше ионов H⁺. Подходящий активный металл сталкивается с ними чаще, и реакция может идти быстрее. Но сила кислоты не превращает медь или другой металл после водорода в активный металл для обычной реакции замещения.
Окисляющие кислоты способны принимать электроны не только ионами H⁺, поэтому продукты могут отличаться от обычной схемы. В концентрированных растворах некоторые металлы покрываются плотной защитной плёнкой и пассивируются. В таких случаях водород может не выделяться, даже если металл активен, поэтому нужно учитывать не только ряд активности, но и свойства кислоты.
| Сравниваемый случай | Условие реакции | Продукты | Пример |
|---|---|---|---|
| Активный металл до водорода | Реагирует с разбавленной неокисляющей кислотой | Соль и H2 | Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 |
| Металл после водорода | Обычно не реагирует с разбавленной неокисляющей кислотой | Водород не выделяется | Cu + HCl → реакция не идёт |
| Сильная кислота | Диссоциирует в воде в большей степени; реакция обычно идёт быстрее | Зависит также от активности металла | HCl реагирует с Zn быстрее, чем слабая кислота той же концентрации |
| Окисляющая или концентрированная кислота | Могут действовать особые правила | Возможны другие продукты, пассивация, отсутствие H2 | Cu и концентрированная H2SO4 |
Сначала определите тип кислоты, затем найдите металл в ряду активности относительно водорода. Если подходят условия обычной реакции замещения, составьте соль и добавьте H2. Для концентрированных и окисляющих кислот таблица служит ориентиром, но не заменяет специальные правила.
Условие: запишите уравнение реакции магния с разбавленной HCl и назовите продукты. Решение: магний находится левее водорода, значит, он вытесняет его из кислоты. Кислотный остаток Cl соединяется с Mg, поэтому получается MgCl2.
Ответ: Mg + 2HCl → MgCl2 + H2; продукты — хлорид магния и водород.
Условие: выберите из Fe, Zn и Cu металлы, реагирующие с разбавленной H2SO4. Решение: железо и цинк расположены левее водорода, а медь — правее. Поэтому Fe и Zn вытесняют водород, а Cu с такой кислотой обычно не реагирует.
Ответ: реагируют Fe и Zn; продукты — соответствующие сульфаты и водород.
Условие: 6,5 г Zn прореагировали с избытком разбавленной HCl. Найдите количество вещества цинка и объём H2 при н. у. Решение: используем уравнение Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2. По коэффициентам 1 моль Zn даёт 1 моль H2.
Ответ: n(Zn) = 0,10 моль; V(H2) = 2,24 л.
Любая кислота реагирует с любым металлом. Так считают, потому что кислоты связывают с появлением пузырьков газа. Проверяйте одновременно ряд активности, тип кислоты и её концентрацию.
Водород ставят не на границе ряда или считают медь активнее цинка. Ошибка возникает при механическом запоминании последовательности. Сверьте положение металлов: Zn находится левее H, а Cu — правее.
В продуктах оставляют кислоту вместо соли или неверно составляют формулу соли. Обычно забывают, что металл заменяет водород, а кислотный остаток сохраняется. Определите заряд иона металла, составьте формулу соли и проверьте число атомов в уравнении.
Сильная кислота обязательно выделяет водород с неактивным металлом. Сила кислоты означает большую диссоциацию, но не делает любой металл способным отдавать электроны. Уточните, не является ли кислота окисляющей или концентрированной, и не возможна ли пассивация.
Для этой темы нужны формулы и названия кислот, солей и металлов, знания о валентности и умение составлять уравнения реакций. Без этого трудно определить формулу продукта и коэффициенты.
Диссоциация кислот объясняет появление ионов H⁺ в растворе. Эти ионы принимают электроны металла, поэтому понимание электролитической диссоциации помогает увидеть причину реакции.
Тема связана с окислительно-восстановительными реакциями, получением водорода, коррозией и электрохимическим рядом напряжений. Позже эти знания помогут объяснить работу гальванических элементов и защиту металлов.
Почему медь не вытесняет водород из разбавленной соляной кислоты?
Медь расположена в ряду активности правее водорода и недостаточно легко отдаёт электроны. Поэтому ионы H⁺ разбавленной соляной кислоты не восстанавливаются медью до H₂.
Почему сильная кислота не обязательно реагирует со всеми металлами?
Сильная кислота хорошо диссоциирует и содержит много ионов H⁺, но металл должен суметь отдать электроны. Металлы после водорода обычно не реагируют с разбавленными неокисляющими кислотами даже при их высокой силе.
Как определить, будет ли металл реагировать с кислотой?
Сначала находят металл в ряду активности и сравнивают его положение с водородом. Затем выясняют, является ли кислота разбавленной и неокисляющей: металл левее водорода обычно вытеснит H₂, а металл правее — нет.
Почему в продуктах реакции появляются соль и водород?
Металл отдаёт электроны и превращается в положительно заряженные ионы. Ионы H⁺ принимают электроны, соединяются в молекулы H₂, а ионы металла и кислотного остатка образуют соль.
Всегда ли при взаимодействии металла с кислотой выделяется водород?
Нет. Водород обычно выделяется при реакции активного металла с разбавленной неокисляющей кислотой. Окисляющие или концентрированные кислоты могут давать другие продукты, а некоторые металлы при этом пассивируются.
§ 30. Взаимодействие кислот с металлами. Активность металлов и сила кислот
