"Химия", Журин А.А.
Металлы — простые вещества, атомы которых обычно легко отдают электроны. Поэтому они проявляют восстановительные свойства и вступают в типичные реакции с неметаллами, водой, кислотами и растворами солей. По ряду активности можно предсказать, будет ли реакция идти и какой металл вытеснит другой. Знание этих закономерностей помогает составлять уравнения, определять продукты реакций и решать задачи на замещение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Общие химические свойства металлов — способность металлов вступать в типичные реакции с неметаллами, водой, кислотами и солями. Это понятие объединяет повторяющиеся закономерности поведения разных металлов. Оно помогает заранее предположить продукты реакции и условия её проведения.
Ряд активности металлов — последовательность металлов по уменьшению их химической активности и восстановительной способности. Чем левее или выше расположен металл в таком ряду, тем легче он отдаёт электроны. Ряд нужен для предсказания реакций с водой, кислотами и растворами солей.
Реакция замещения — реакция, в которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Например, железо замещает медь в сульфате меди: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. По этому типу протекают многие реакции металлов с кислотами и солями.
Амфотерный металл — металл, соединения и простое вещество которого проявляют свойства и оснований, и кислот в зависимости от реагента. Поэтому цинк и алюминий реагируют и с кислотами, и со щелочами. Это особенность, которую нельзя объяснять только обычной реакцией металла с кислотой.
Металлы обычно являются восстановителями, потому что на внешнем энергетическом уровне у их атомов сравнительно мало электронов, удерживаемых не очень прочно. В реакции такие атомы отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Частицы другого вещества принимают эти электроны и восстанавливаются, а металл при этом окисляется.
При взаимодействии с неметаллами металл отдаёт электроны, а неметалл принимает их или смещает общую электронную пару к себе. Поэтому образуются бинарные соединения, состоящие из двух химических элементов: оксиды с кислородом, сульфиды с серой, хлориды с хлором. Состав продукта определяют по валентности или степеням окисления элементов.
Реакция металла с водой зависит от того, насколько легко металл отдаёт электроны, а также от температуры и свойств образующегося продукта. Очень активные металлы вытесняют водород из холодной воды и образуют растворимые основания. Менее активные металлы реагируют только с горячей водой или водяным паром, а недостаточно активные обычно не взаимодействуют с водой.
В растворе соли металл может вытеснить другой металл, если его атомы легче отдают электроны. Тогда более активный металл превращается в ионы, а ионы менее активного металла принимают электроны и выделяются как простое вещество. Именно поэтому возможность реакции определяют по положению обоих металлов в ряду активности, а не по внешнему виду веществ.
С неокисляющими кислотами активные металлы реагируют благодаря восстановлению ионов водорода до молекул H₂. При этом металл переходит в состав соли. Металлы, стоящие после водорода, обычно такую реакцию не дают, а амфотерные металлы дополнительно реагируют со щелочами, потому что их соединения могут образовывать растворимые комплексные вещества.
В таблице сначала определите направление реакции, затем проверьте активность металла и условия. Общую схему нельзя применять механически: для воды, кислот и щелочей важны состав реагента и температура. Ряд активности особенно нужен при проверке реакций замещения.
| Направление реакции | Общая схема | Условия и примеры | Роль ряда активности |
|---|---|---|---|
| Взаимодействие с кислородом | металл + O₂ → оксид металла | Часто требуется нагревание: 2Mg + O₂ → 2MgO. | Более активные металлы легче окисляются; благородные могут почти не реагировать. |
| Взаимодействие с другими неметаллами | металл + неметалл → бинарное соединение | Образуются сульфиды, хлориды и другие соединения: 2Na + Cl₂ → 2NaCl. | Активность влияет на легкость реакции и условия её проведения. |
| Взаимодействие с водой | металл + H₂O → основание или оксид + H₂ | Активные металлы реагируют с холодной водой, менее активные — с паром или при нагревании. | Чем активнее металл, тем вероятнее реакция и мягче её условия. |
| Взаимодействие с кислотами | металл + кислота → соль + H₂ | Для неокисляющих кислот подходят металлы, стоящие до водорода. | Положение относительно H определяет возможность вытеснения водорода. |
| Взаимодействие с растворами солей | металл + соль → новая соль + новый металл | Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. | Свободный металл должен быть активнее металла в составе соли. |
| Взаимодействие амфотерных металлов со щелочами | металл + щёлочь + H₂O → комплексная соль + H₂ | Например: Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂. | Ряд активности не отменяет особых свойств амфотерного металла. |
Условие: составить уравнение реакции магния с кислородом и определить её тип. Магний при горении соединяется с кислородом с образованием оксида магния. Нужно правильно записать формулу продукта и уравнять число атомов.
Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Это реакция соединения, потому что из двух простых веществ образуется одно сложное; одновременно она является окислительно-восстановительной.
Условие: определить, реагирует ли цинк с раствором HCl, и записать уравнение. Соляная кислота относится к неокисляющим кислотам, поэтому проверяем положение цинка относительно водорода. Цинк стоит до водорода и способен вытеснить его.
Ответ: реакция идёт: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Цинк окисляется до Zn²⁺, а ионы водорода восстанавливаются до молекул водорода.
Условие: определить возможность реакции Fe с раствором CuSO₄, составить уравнение и назвать восстановитель и окислитель. Железо расположено в ряду активности до меди, поэтому оно легче отдаёт электроны. Значит, железо вытесняет медь из её соли.
Ответ: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Восстановитель — железо, потому что оно отдаёт электроны; окислитель — ионы Cu²⁺, потому что они принимают электроны.
Записывают реакцию любого металла с водой, не учитывая активность и температуру. Так ошибаются, потому что запоминают общую схему без условий. Проверьте металл по ряду активности и уточните, нужна ли холодная вода, нагревание или пар.
Считают, что любой металл вытесняет водород из кислоты. Причина ошибки — смешение понятия металл с понятием активный металл. Сравните металл с водородом в ряду и учтите, что речь идёт прежде всего о неокисляющей кислоте.
Полагают, что металл вытесняет из раствора соли любой другой металл. Реакция возможна только тогда, когда свободный металл активнее металла в соли. Для проверки поставьте оба металла в ряд активности и определите направление отдачи электронов.
Забывают об особом поведении амфотерных металлов и составляют для них только реакции с кислотами. Это происходит, если свойства цинка или алюминия рассматривают как обычные свойства металлов. Проверьте, нет ли среди реагентов щёлочи: в таком случае возможны комплексная соль и выделение водорода.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронной отдаче металлов, валентности и степенях окисления. Они помогают объяснить восстановительные свойства и правильно составлять формулы соединений. Навык расстановки коэффициентов нужен для записи уравнений.
Тема опирается на ряд активности и окислительно-восстановительные процессы. Ряд показывает, какой металл отдаёт электроны легче, а электронный баланс помогает назвать восстановитель и окислитель. Эти знания связывают свойства металлов с общей теорией реакций.
Полученные закономерности пригодятся при изучении электрохимии, коррозии и способов получения металлов. Они также помогают решать задачи на цепочки превращений. По активности можно предсказывать направление многих реакций ещё до вычислений.
Почему металлы обычно являются восстановителями?
Атомы металлов сравнительно легко отдают внешние электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Отдавая электроны другим частицам, металл восстанавливает их, поэтому сам выступает восстановителем.
Все ли металлы реагируют с водой?
Нет, реакция зависит от активности металла и температуры. Щелочные металлы и некоторые другие активные металлы реагируют с холодной водой, менее активные — только при нагревании или в виде пара, а многие металлы с водой не реагируют.
Как определить, вытеснит ли металл водород из кислоты?
Нужно сравнить положение металла с водородом в ряду активности. Металл, стоящий до водорода, обычно вытесняет его из раствора неокисляющей кислоты, а металл после водорода — нет.
Почему медь не вытесняет железо из раствора его соли?
Медь менее активна, чем железо, и стоит после него в ряду активности. Поэтому атомы меди не могут вытеснить ионы железа из раствора его соли.
Какие металлы называют амфотерными?
Амфотерными называют металлы, простые вещества и соединения которых могут проявлять свойства и оснований, и кислот. Например, цинк и алюминий реагируют не только с кислотами, но и с растворами щелочей.
34. Общие химические свойства металлов
