Химия Инфо

Общие свойства металлов и ряд активности

Медь используют в электрических кабелях, алюминий превращают в фольгу, а железо применяют в конструкциях. Общие свойства этих веществ связаны с металлической связью, но химическая активность у них различна. Для прогноза реакции необходимо знать не только название металла, но и состав среды.

Металлы как элементы и простые вещества

Металлические элементы обычно проявляют восстановительные свойства: их атомы могут отдавать электроны и переходить в положительные степени окисления. Простое вещество и ион металла имеют разные свойства.

Кристалл металла удерживается металлической связью: положительно заряженные атомные остовы взаимодействуют с обобществлёнными электронами. Подвижность электронов объясняет электропроводность. Возможность смещения слоёв без разрушения всей связи помогает понять пластичность многих металлов.

Металлы часто проводят тепло, имеют блеск и поддаются механической обработке. Это характерные признаки, а не перечень без исключений. Ртуть при комнатной температуре жидкая; натрий мягок, а многие другие металлы значительно твёрже. Магнитные свойства также не служат общим признаком всех металлов.

Что показывает ряд активности

Для школьных задач удобно пользоваться сокращённым фрагментом ряда:

Mg, Al, Zn, Fe, (H), Cu, Ag.

В этом фрагменте слева расположены более сильные восстановители в принятом сравнении для водной среды. Водород включён как ориентир, хотя металлом не является. Полный ряд связан с электродными потенциалами; он не совпадает со списком скоростей реакций.

Ряд активности помогает выбрать возможное направление окислительно-восстановительной реакции. Затем обязательно проверяют среду, растворимость, состояние поверхности и возможные побочные превращения.

Поэтому алюминий может выглядеть менее активным, чем ожидают: плотная поверхностная плёнка затрудняет контакт реагентов с металлом. Такое торможение называют пассивированием. Железо и алюминий могут пассивироваться в холодных концентрированных азотной и серной кислотах; изменение температуры и концентрации меняет поведение.

Реакции с неметаллами

Металлы образуют соединения с кислородом, галогенами и другими неметаллами. Например, для горения магния именно в кислороде:

2Mg + O2 → 2MgO.

При взаимодействии железа с хлором образуется хлорид железа(III):

2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3.

Нельзя автоматически приписывать одному металлу одинаковую степень окисления во всех реакциях. Например, в разбавленной соляной кислоте железо даёт соединение железа(II), а не железа(III). Продукт выбирают по конкретному окислителю и условиям.

Металлы, вода и кислоты

Натрий, калий и кальций взаимодействуют с водой с образованием гидроксида и водорода. Поведение магния зависит от нагревания и состояния поверхности. Медь с водой при обычных условиях не реагирует. Эти различия нельзя заменить правилом «все металлы до водорода одинаково реагируют с водой».

Для многих металлов, стоящих до водорода, типична реакция с разбавленной соляной кислотой:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑.

Медь водород из такой кислоты не вытесняет. Однако это не означает, что медь не взаимодействует вообще ни с какими кислотами. Азотная и горячая концентрированная серная кислоты обладают собственными окислительными свойствами; обычную схему выделения водорода на них не переносят.

Вытеснение металла из раствора соли

Железо может восстанавливать медь из водного раствора сульфата меди(II):

Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu.

Железо отдаёт электроны, а ионы меди(II) принимают их. Обратная реакция меди с раствором FeSO4 в обычных условиях по этой схеме не идёт. Исходная соль должна обеспечивать доступные ионы; нерастворимую соль нельзя механически подставлять вместо раствора.

Натрий, калий и кальций в водном растворе соли прежде всего взаимодействуют с водой. Их положение в ряду не даёт основания записывать прямое выделение другого металла по простой схеме замещения.

Например, при контакте натрия с водным раствором CuSO4 появляются гидроксид-ионы; возможен осадок Cu(OH)2. Ожидание одной только металлической меди здесь ошибочно.

Три разобранных примера

1. Выбрать реагирующую пару

Сравним Zn с раствором CuSO4 и Cu с раствором ZnSO4. Цинк активнее меди, поэтому для первой пары:

Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu.

Во второй паре медь не восстанавливает цинк. Здесь важно направление переноса электронов, а не сходство названий солей.

2. Составить электронный баланс

В реакции железа с сульфатом меди(II) обе частицы обмениваются двумя электронами:

Fe → Fe2+ + 2e−.

Cu2+ + 2e− → Cu.

Число отданных и принятых электронов совпадает, поэтому соотношение железа и меди равно 1 : 1.

3. Рассчитать массу меди

Прореагировало 0,10 моль железа, раствор CuSO4 взят в избытке. При полном превращении получается 0,10 моль Cu. Для школьного расчёта примем M(Cu) = 64 г/моль:

m(Cu) = n · M = 0,10 моль · 64 г/моль = 6,4 г.

Типичные ошибки

  • Считать ряд активности шкалой скорости: плёнка может затормозить возможную реакцию.
  • Обещать водород при взаимодействии любого металла с любой кислотой.
  • Забывать, что раствор содержит воду, а не только соль.
  • Приравнивать свойства атома металла к свойствам его катиона: Na и Na+ — разные частицы.

Проверьте себя

  1. Почему металлическая медь проводит ток?
  2. Прореагирует ли медь с раствором FeSO4 по реакции замещения?
  3. Запишите реакцию железа с разбавленной HCl.
  4. Почему отсутствие быстрой реакции алюминия не доказывает его малую активность?
  5. Сколько меди образуется из 0,25 моль Zn при избытке CuSO4? Используйте M(Cu) = 64 г/моль.

Ответы и объяснения

  1. В металле есть обобществлённые подвижные электроны; они переносят заряд.
  2. Нет: медь менее активна, чем железо, в рассматриваемой системе.

  3. Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑.

    Железо переходит в степень окисления +II.

  4. Поверхностная плёнка препятствует контакту металла с реагентом; термодинамическая возможность и скорость различаются.

  5. m(Cu) = 0,25 · 64 = 16 г.

    Соотношение Zn и Cu по уравнению 1 : 1.

Связанные темы и источники

Далее: получение металлов и сплавы, алюминий. Повторите свойства солей.

Научная опора: МГУ: реакции в растворах и ряд напряжений; OpenStax: металлические кристаллы.