Print bookPrint book

§ 44. Общие химические свойства металлов

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 44. Общие химические свойства металлов
Printed by: Guest user
Date: Sunday, 26 May 2024, 8:10 AM

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+ + begin mathsize 14px style straight Н subscript 2 superscript 0 not stretchy upwards arrow end style,

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

Реагенты и уравнения реакций Особенности взаимодействия с металлами

Неметаллы

begin mathsize 14px style 2 Cu with 0 on top space plus space straight O with 0 on top subscript 2 space equals with t on top space space 2 Cu with plus 2 on top straight O with negative 2 on top end style

begin mathsize 14px style 2 straight K with 0 on top space plus space stack straight Н subscript 2 with 0 on top space equals with t on top space space 2 straight K with plus 1 on top straight H with negative 1 on top end style

begin mathsize 14px style 6 Li with 0 on top plus space stack straight N subscript 2 with 0 on top space equals space 2 Li with plus 1 on top subscript 3 straight N with negative 3 on top end style

begin mathsize 14px style 2 Fe with 0 on top space plus space 3 Cl with 2 on top subscript 2 space equals with straight t on top space space 2 Fe with plus 3 on top Cl with negative 1 on top subscript 3 space end style

Образуют бинарные соединения: оксиды, гидриды, нитриды, галогениды. Реакции протекают как при обычных условиях, так и при нагревании

Вода

 begin mathsize 14px style straight a right parenthesis space 2 straight K space plus space 2 straight Н subscript 2 straight O space equals space 2 KОН space plus space straight Н subscript 2 upwards arrow end style

begin mathsize 14px style Ва space plus space 2 straight Н subscript 2 straight O space equals space Ва left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 space plus space straight Н subscript 2 upwards arrow end style

begin mathsize 14px style straight б right parenthesis space 3 Fe space plus space 4 straight H subscript 2 straight O space equals with straight t on top space space Fe subscript 3 straight O subscript 4 space plus space 4 straight Н subscript 2 text ↑ end text end style

begin mathsize 14px style Zn space plus space straight H subscript 2 straight O space equals with straight t on top space space ZnO space plus space straight Н subscript 2 text ↑ end text end style

begin mathsize 14px style straight в right parenthesis space Mg space plus space 2 straight H subscript 2 straight O space equals with straight t on top space space Mg left parenthesis OH right parenthesis subscript 2 text ↓  end text plus space straight Н subscript 2 text ↑ end text end style

begin mathsize 14px style 2 Al space plus space 6 straight H subscript 2 straight O space equals space 2 Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 downwards arrow space plus space 3 straight Н subscript 2 upwards arrow end style

Щелочные и щёлочноземельные (Са, Sr, Ва, Ra) металлы образуют водород и щёлочь при обычных условиях.

Металлы средней активности, реагируя с парами воды, образуют оксиды.

Образуют нерастворимые основания: магний реагирует с кипящей водой; алюминий реагирует с водой, если с поверхности удалена плёнка оксида, например алюминий амальгамирован

Кислоты

begin mathsize 14px style Мg space plus space 2 HCl space equals space MgCl subscript 2 space plus space straight H subscript 2 end style

begin mathsize 14px style Fe space plus space straight H subscript 2 SO subscript 4 left parenthesis разб right parenthesis space end subscript equals space FeSO subscript 4 space plus space straight H subscript 2 upwards arrow space end style

Щелочные металлы реагируют с кислотами-окислителями HNO3(конц), H2SO4(конц) со взрывом. Pb пассивируется в разбавленных HCl, H2SO4. Напомним, что при взаимодействии металлов с кислотами-окислителями HNO3(конц) и H2SO4(конц) водород не выделяется, а образуются продукты восстановления азота и серы

Cоли

begin mathsize 14px style Fe space plus space CuCl subscript 2 space equals space FeCl subscript 2 space plus space Сu downwards arrow space end style

begin mathsize 14px style Сu space plus space 2 AgNO subscript 3 space equals space 2 Ag downwards arrow space plus space Cu left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 2 space end style

В водных растворах металлы s-элементов, обладая сильными восстановительными свойствами, вытесняют из воды водород, а не ионы менее активных металлов из солей. Остальные металлы реагируют в соответствии с положением в ряду активности

Растворы щелочей

begin mathsize 14px style Zn space plus space 2 straight H subscript 2 straight O space plus space 2 NaOH left parenthesis straight р minus straight р right parenthesis space equals space
equals space Na subscript 2 left square bracket Zn left parenthesis OH right parenthesis subscript 4 right square bracket space plus space straight Н subscript 2 upwards arrow end style

В такие реакции вступают цинк, алюминий, бериллий 

ul

Отметим, что с водой при нормальных условиях взаимодействуют все металлы s-элементов, кроме бериллия и магния. Магний реагирует с водой при нагревании. Алюминий взаимодействует с водой при комнатной температуре, но только после удаления с его поверхности плёнки оксида алюминия. При этом образуются гидроксиды металлов. Остальные металлы от марганца до водорода в ряду активности взаимодействуют с парами воды при нагревании, образуя, как правило, оксиды металлов. Металлы, находящиеся в ряду напряжений после водорода, не взаимодействуют с водой ни при каких условиях.

img

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

Положение металла в ряду активности металлов позволяет прогнозировать его поведение в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в водных растворах.

Атомы металлов во всех химических превращениях являются восстановителями.

Металлы в химических превращениях являются восстановителями и легко отдают свои электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы — катионы.

Активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в водных растворах, определяется по их положению в ряду активности: чем левее в этом ряду расположен металл, тем большими восстановительными свойствами он обладает и тем труднее катионы этого металла восстанавливаются.

Более активные металлы восстанавливают менее активные металлы из растворов их солей. Металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, вытесняют его из разбавленных кислот (кроме азотной). Металлы s-элементов, за исключением бериллия и магния, вытесняют водород из воды при обычной температуре.

  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 + HNO3(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 + H24(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.