§ 44. Общие химические свойства металлов

Общие химические свойства металлов

По химическим свойствам металлы являются восстановителями, так как легко отдают свои электроны атомам неметаллов, превращаясь в положительно заряженные ионы — катионы.

Способность атомов металлов отдавать, а их катионов — присоединять электроны может служить мерой их химической активности. Так, алюминий на воздухе очень быстро покрывается оксидной плёнкой, а с золотом заметных изменений не происходит. Цинк активно взаимодействует с соляной кислотой, а серебро — нет. Поэтому алюминий и цинк можно отнести к активным металлам, а золото и серебро — к неактивным.

Ряд активности металлов

Химическую активность разных металлов легко сопоставить, анализируя их поведение в водных растворах солей и кислот. Например, если в раствор сульфата меди(II) опустить цинковую пластинку или железный гвоздь, то практически сразу же на их поверхности появляется красноватый налёт меди. Это свидетельствует о том, что цинк и железо вытесняют медь из раствора. Эти процессы можно представить следующими уравнениями: 

Zn + CuSО₄ = ZnSО₄ + Сu↓,

Zn⁰ + Сu²⁺ = Zn²⁺ + Cu⁰;

Fe + CuSО₄ = FeSО₄ + Сu↓,

Fe⁰ + Cu²⁺ = Fe²⁺ + Сu⁰.

В этих реакциях цинк и железо отдают свои электроны ионам меди, то есть они окисляются. Ионы меди принимают электроны, поэтому медь восстанавливается.

Если поступить наоборот и в раствор сульфата цинка поместить медную пластинку, то на ней не произойдёт осаждения цинка. В чём тут причина?

Экспериментальным путём, изучая способность одних металлов вытеснять другие из водных растворов их солей, русский учёный Н. Н. Бекетов расположил металлы в ряд. В нём металлы, находящиеся левее, способны восстанавливать последующие из растворов их солей. Поскольку эта способность металлов связана с их восстановительной активностью, то этот ряд получил название ряда активности металлов.

Ряд активности металлов

Li K Ba Sr Cа Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H₂) Cu Hg Ag Pd Pt Au

Чем левее в этом ряду расположен металл, тем большими восстановительными свойствами в водном растворе он обладает, то есть легче отдаёт свои электроны окислителю и переходит в виде катиона в раствор; тем труднее катион этого металла восстанавливается. Цинк и железо легче отдают свои электроны, чем медь, и поэтому восстанавливают Cu²⁺ из раствора.

По положению цинка в ряду активности можно прогнозировать, что этот металл способен восстановить из раствора ионы олова, меди и серебра:

Zn⁰ + Sn²⁺ = Zn²⁺ + Sn⁰;

Zn⁰ + Сu²⁺ = Zn²⁺ + Cu⁰;

Zn⁰ + 2Ag⁺ = Zn²⁺ + 2Ag⁰.

В то же время медь будет восстанавливать только ионы серебра, но не восстановит ионы олова:

Cu⁰ + 2Ag⁺ = Cu²⁺ + 2Ag⁰.

Это означает, что цинк обладает большей восстановительной способностью. Он легче отдаёт электроны, чем олово, медь и серебро. Поэтому цинк считается более активным металлом, чем эти металлы. В свою очередь, медь — более активный металл, чем серебро.

Ряд активности металлов позволяет не только прогнозировать поведение металлов в реакциях с растворами солей, но и сравнивать их отношение к воде, растворам кислот, а также к неметаллам и ряду других веществ.

Так, слева от водорода расположены металлы, которые вытесняют водород из воды и кислот (то есть восстанавливают ионы водорода Н⁺). Металлы, расположенные справа от водорода, такой восстановительной активности в реакциях с растворами кислот не проявляют. Например, цинк реагирует с соляной кислотой, вытесняя водород:

Zn + 2НСl = ZnCl₂ + Н₂↑,

Zn⁰ + 2Н⁺ = Zn²⁺ + ,

а серебро водород не вытесняет.

Взаимодействие металлов с простыми и сложными веществами

К общим химическим свойствам металлов относят их реакции с неметаллами, водой, кислотами, солями. Для некоторых металлов также характерны реакции с растворами щелочей. Часть металлов вступает в реакции с органическими веществами. Многие перечисленные взаимодействия вам известны из предыдущих глав пособия. Кроме того, вы изучали химические свойства металлов в 9-м классе. Поэтому на данном этапе обучения мы систематизируем известные вам свойства, составив таблицу 31.

Таблица 31. Общие химические свойства металлов

Активные металлы (Na, K) вступают в реакции с карбоновыми кислотами, спиртами, фенолами.

1. Назовите характерные для металлов физические свойства.
2. Перечислите p-элементы, которые относятся к элементам-металлам.
3. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции методом электронного баланса: Cu + HNO_3(разб) → Cu(NO₃)₂ + NO↑ + H₂O.
4. Составьте уравнения возможных химических реакций с учётом, что медь окисляется до степени окисления +2:

            а) Ag + НСl →;                          б) Сu + Hg(NО₃)₂ → ;

             в) Mg + H₂SО_4(pазб) →;             г) Ni + NaCl → ;

            д) Zn + АgNО₃ → ;                            е) Au + H₂O → .

5. Составьте уравнения реакций взаимодействия цинка с неметаллами (O₂, P), кислотами (разбавленными HCl, H₂SO₄), с растворами щелочей (NaOH, KOH), с солями (AgNO₃, Pb(NO₃)₂).
6. Цинк массой 1,3 г растворили в концентрированном растворе гидроксида натрия. Рассчитайте объём выделившегося газа.
7. Составьте уравнения реакций, которые могут протекать на поверхности активного металла, например лития, на воздухе.
8. Укажите, как изменится масса цинковой пластинки (увеличится, уменьшится, не изменится) при погружении её на небольшое время в раствор: 1) серной кислоты; 2) гидроксида натрия; 3) сульфата магния; 4) сульфата меди(II); 5) нитрата серебра(I).
9. Определите объём водорода, который выделится при взаимодействии 260 г цинка с раствором серной кислоты объёмом 250 см³. Массовая доля H₂SO₄ равна 15 %, плотность — 1,1 г/см³.
10. Железную пластинку массой 90 г погрузили в раствор медного купороса. Через некоторое время её вынули, промыли, высушили и взвесили. Масса стала равна 92,4 г. Определите массу прореагировавшего железа и массу меди, осевшей на пластинке.

*Самоконтроль

1. В порядке увеличения восстановительной активности металлы расположены в ряду:

• а) Mg, Ca, Na;
• б) Cu, Ag, Hg;
• в) Cа, K, Cs;
• г) Zn, Al, Pb.

2. Реагируют с растворами щелочей:

• а) Zn;
• б) Ca;
• в) Al;
• г) Be.

3. Реагируя с парами воды, образуют оксиды:

• а) Li;
• б) Ag;
• в) Fe;
• г) Zn.

4. Масса цинковой пластинки увеличится при погружении её в раствор:

• а) Hg(NO₃)₂;
• б) Cu(NO₃)₂;
• в) AgNO₃;
• г) HNO₃.

5. На растворение 13 г цинка требуется раствор, содержащий гидроксид натрия массой (г):

• а) 40;
• б) 20;
• в) 16;
• г) 4.