Глава IV. Металлы и их соединения. § 29. Химические свойства металлов — с. 153
§ 29. Проверьте свои знания.
1. Общие химические свойства металлов — простых веществ можно обозначить одним химическим термином. Назовите его.
1. Общие химические свойства металлов — простых веществ можно обозначить одним химическим термином. Назовите его.
Этот термин — «восстановительные свойства». В химических реакциях атомы металлов только отдают электроны (окисляются), превращаясь в положительно заряженные ионы: Me⁰ − nē = Meⁿ⁺. Поэтому металлы всегда выступают восстановителями. Например, в реакции 2Na + Cl₂ = 2NaCl натрий отдаёт электрон и окисляется, а хлор принимает электрон и восстанавливается.
§ 29. Проверьте свои знания.
2. Перечислите общие химические свойства металлов. Подчеркните особенности взаимодействия металлов с растворами кислот и солей.
Общие химические свойства металлов:
1) Взаимодействие с неметаллами (кислородом, галогенами, серой, азотом): 2Mg + O₂ = 2MgO; 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃; Fe + S = FeS.
2) Взаимодействие с водой (активные металлы — при обычных условиях, менее активные — при нагревании): 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑; 3Fe + 4H₂O(пар) = Fe₃O₄ + 4H₂↑.
3) Взаимодействие с растворами кислот: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑.
4) Взаимодействие с растворами солей: Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu↓.
5) Взаимодействие с оксидами менее активных металлов (металлотермия, алюминотермия): 2Al + Fe₂O₃ = Al₂O₃ + 2Fe.
Особенности реакций с кислотами и солями: в растворах кислот (HCl, разбавленная H₂SO₄) с выделением водорода реагируют только металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений левее водорода; при этом должна получаться растворимая соль (свинец в разбавленной H₂SO₄ покрывается нерастворимой плёнкой PbSO₄ и реакция прекращается). Концентрированная серная и азотная кислоты любой концентрации реагируют иначе: окислителями выступают сера(VI) и азот(V), водород не выделяется. Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли; металлы, стоящие правее, не вытесняют стоящие левее. Щелочные и щёлочноземельные металлы с растворами солей реагируют сначала с водой, а не с солью, поэтому для вытеснения не пригодны; образующаяся соль должна быть растворима.
1) Взаимодействие с неметаллами (кислородом, галогенами, серой, азотом): 2Mg + O₂ = 2MgO; 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃; Fe + S = FeS.
2) Взаимодействие с водой (активные металлы — при обычных условиях, менее активные — при нагревании): 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑; 3Fe + 4H₂O(пар) = Fe₃O₄ + 4H₂↑.
3) Взаимодействие с растворами кислот: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑.
4) Взаимодействие с растворами солей: Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu↓.
5) Взаимодействие с оксидами менее активных металлов (металлотермия, алюминотермия): 2Al + Fe₂O₃ = Al₂O₃ + 2Fe.
Особенности реакций с кислотами и солями: в растворах кислот (HCl, разбавленная H₂SO₄) с выделением водорода реагируют только металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений левее водорода; при этом должна получаться растворимая соль (свинец в разбавленной H₂SO₄ покрывается нерастворимой плёнкой PbSO₄ и реакция прекращается). Концентрированная серная и азотная кислоты любой концентрации реагируют иначе: окислителями выступают сера(VI) и азот(V), водород не выделяется. Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли; металлы, стоящие правее, не вытесняют стоящие левее. Щелочные и щёлочноземельные металлы с растворами солей реагируют сначала с водой, а не с солью, поэтому для вытеснения не пригодны; образующаяся соль должна быть растворима.
§ 29. Проверьте свои знания.
3. Если металл проявляет различные степени окисления, то укажите факторы, от которых зависит состав продукта взаимодействия металлов с неметаллами и растворами кислот и солей. Приведите примеры.
Состав продукта зависит от природы окислителя (его силы), условий (температура, концентрация кислоты) и соотношения реагентов.
1) Сильные окислители (хлор, бром, кислород при горении) переводят железо в степень окисления +3: 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃; слабые окислители (сера, ионы H⁺ в растворах кислот, ионы Cu²⁺ в растворах солей) — в степень окисления +2: Fe + S = FeS; Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑; Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu↓.
2) Для меди: с кислородом при нагревании образуется CuO (Cu²⁺), а при недостатке кислорода и сильном нагревании — Cu₂O (Cu⁺): 2Cu + O₂ = 2CuO.
3) Концентрация кислоты: Cu + 4HNO₃(конц.) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O, а с разбавленной кислотой выделяется NO: 3Cu + 8HNO₃(разб.) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O.
4) Железо с разбавленными кислотами-неокислителями даёт соли железа(II), а с горячей концентрированной азотной кислотой — соли железа(III): Fe + 6HNO₃(конц.) = Fe(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O (при нагревании).
1) Сильные окислители (хлор, бром, кислород при горении) переводят железо в степень окисления +3: 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃; слабые окислители (сера, ионы H⁺ в растворах кислот, ионы Cu²⁺ в растворах солей) — в степень окисления +2: Fe + S = FeS; Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑; Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu↓.
2) Для меди: с кислородом при нагревании образуется CuO (Cu²⁺), а при недостатке кислорода и сильном нагревании — Cu₂O (Cu⁺): 2Cu + O₂ = 2CuO.
3) Концентрация кислоты: Cu + 4HNO₃(конц.) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O, а с разбавленной кислотой выделяется NO: 3Cu + 8HNO₃(разб.) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O.
4) Железо с разбавленными кислотами-неокислителями даёт соли железа(II), а с горячей концентрированной азотной кислотой — соли железа(III): Fe + 6HNO₃(конц.) = Fe(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O (при нагревании).
§ 29. Примените свои знания.
4. От чего зависит скорость протекания химического процесса?
Расположите указанные металлы в порядке уменьшения скорости реакции с соляной кислотой: а) олово; б) железо; в) магний; г) цинк.
Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, площади поверхности соприкосновения (для твёрдых веществ), присутствия катализатора (для газов — ещё от давления).
В реакциях металлов с кислотой скорость при прочих равных условиях определяется активностью металла, то есть его положением в ряду напряжений: чем левее металл, тем он активнее и быстрее реагирует. Порядок в ряду напряжений: Mg, Zn, Fe, Sn. Поэтому скорость реакции с соляной кислотой уменьшается в последовательности: в) магний > г) цинк > б) железо > а) олово.
Магний реагирует бурно (быстрое выделение водорода), цинк — спокойно, железо — медленно, олово — очень медленно.
В реакциях металлов с кислотой скорость при прочих равных условиях определяется активностью металла, то есть его положением в ряду напряжений: чем левее металл, тем он активнее и быстрее реагирует. Порядок в ряду напряжений: Mg, Zn, Fe, Sn. Поэтому скорость реакции с соляной кислотой уменьшается в последовательности: в) магний > г) цинк > б) железо > а) олово.
Магний реагирует бурно (быстрое выделение водорода), цинк — спокойно, железо — медленно, олово — очень медленно.
§ 29. Примените свои знания.
5. Охарактеризуйте химические свойства следующих металлов: а) калия; б) цинка; в) меди. Запишите уравнения соответствующих химических реакций. Рассмотрите их с точки зрения теории электролитической диссоциации и процессов окисления — восстановления. В чём сходство и различия свойств перечисленных металлов?
а) Калий — очень активный щелочной металл (в ряду напряжений стоит левее всех перечисленных), сильный восстановитель.
2K + Cl₂ = 2KCl (K⁰ − 1ē = K⁺, восстановитель; Cl₂⁰ + 2ē = 2Cl⁻, окислитель);
4K + O₂ = 2K₂O (горение; в избытке кислорода образуются также пероксид и надпероксид);
2K + 2H₂O = 2KOH + H₂↑ (бурно, с воспламенением водорода); ионное: 2K + 2H₂O = 2K⁺ + 2OH⁻ + H₂↑ (2K⁰ − 2ē = 2K⁺; 2H⁺ + 2ē = H₂⁰);
с растворами кислот реагирует со взрывом, фактически с водой раствора; соли в растворе не вытесняет, так как реагирует с водой.
б) Цинк — металл средней активности, стоит левее водорода.
2Zn + O₂ = 2ZnO (при нагревании); Zn + S = ZnS (при нагревании);
Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑; ионное: Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂↑ (Zn⁰ − 2ē = Zn²⁺, восстановитель; 2H⁺ + 2ē = H₂⁰, окислитель);
Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu↓; ионное: Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu↓.
Цинк амфотерен: он реагирует и со щёлочью: Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑.
в) Медь — малоактивный металл, стоит правее водорода.
2Cu + O₂ = 2CuO (при нагревании); Cu + Cl₂ = CuCl₂;
с раствором соляной и разбавленной серной кислот не реагирует; реагирует с кислотами-окислителями: Cu + 2H₂SO₄(конц.) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O (при нагревании);
вытесняет серебро из раствора соли: Cu + 2AgNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2Ag↓; ионное: Cu + 2Ag⁺ = Cu²⁺ + 2Ag↓.
Сходство: все три металла — восстановители, отдают электроны, в соединениях проявляют положительные степени окисления (K⁺, Zn²⁺, Cu²⁺), реагируют с неметаллами, образуя оксиды, хлориды, сульфиды. Различия: активность убывает в ряду K > Zn > Cu; калий реагирует с водой, цинк вытесняет водород из кислот, но с водой в обычных условиях не реагирует, а медь не вытесняет водород из кислот; калий — щелочной металл (его гидроксид — щёлочь), цинк даёт амфотерные оксид и гидроксид, медь — нерастворимый основный гидроксид Cu(OH)₂.
2K + Cl₂ = 2KCl (K⁰ − 1ē = K⁺, восстановитель; Cl₂⁰ + 2ē = 2Cl⁻, окислитель);
4K + O₂ = 2K₂O (горение; в избытке кислорода образуются также пероксид и надпероксид);
2K + 2H₂O = 2KOH + H₂↑ (бурно, с воспламенением водорода); ионное: 2K + 2H₂O = 2K⁺ + 2OH⁻ + H₂↑ (2K⁰ − 2ē = 2K⁺; 2H⁺ + 2ē = H₂⁰);
с растворами кислот реагирует со взрывом, фактически с водой раствора; соли в растворе не вытесняет, так как реагирует с водой.
б) Цинк — металл средней активности, стоит левее водорода.
2Zn + O₂ = 2ZnO (при нагревании); Zn + S = ZnS (при нагревании);
Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑; ионное: Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂↑ (Zn⁰ − 2ē = Zn²⁺, восстановитель; 2H⁺ + 2ē = H₂⁰, окислитель);
Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu↓; ионное: Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu↓.
Цинк амфотерен: он реагирует и со щёлочью: Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑.
в) Медь — малоактивный металл, стоит правее водорода.
2Cu + O₂ = 2CuO (при нагревании); Cu + Cl₂ = CuCl₂;
с раствором соляной и разбавленной серной кислот не реагирует; реагирует с кислотами-окислителями: Cu + 2H₂SO₄(конц.) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O (при нагревании);
вытесняет серебро из раствора соли: Cu + 2AgNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2Ag↓; ионное: Cu + 2Ag⁺ = Cu²⁺ + 2Ag↓.
Сходство: все три металла — восстановители, отдают электроны, в соединениях проявляют положительные степени окисления (K⁺, Zn²⁺, Cu²⁺), реагируют с неметаллами, образуя оксиды, хлориды, сульфиды. Различия: активность убывает в ряду K > Zn > Cu; калий реагирует с водой, цинк вытесняет водород из кислот, но с водой в обычных условиях не реагирует, а медь не вытесняет водород из кислот; калий — щелочной металл (его гидроксид — щёлочь), цинк даёт амфотерные оксид и гидроксид, медь — нерастворимый основный гидроксид Cu(OH)₂.
§ 29. Примените свои знания.
6. Используя метод электронного баланса, составьте уравнения реакций, соответствующие следующим схемам:
а) Ba + N₂ → Ba₃N₂
б) Ca + H₂O → Ca(OH)₂ + H₂
в) Al + HCl → AlCl₃ + H₂
г) Sn + AgNO₃ → Sn(NO₃)₂ + Ag
Для каждой реакции определите окислитель и восстановитель.
а) Ba + N₂ → Ba₃N₂
б) Ca + H₂O → Ca(OH)₂ + H₂
в) Al + HCl → AlCl₃ + H₂
г) Sn + AgNO₃ → Sn(NO₃)₂ + Ag
Для каждой реакции определите окислитель и восстановитель.
а) 3Ba + N₂ = Ba₃N₂
Ba⁰ − 2ē → Ba²⁺ | 3 (окисление)
N₂⁰ + 6ē → 2N³⁻ | 1 (восстановление)
Восстановитель — Ba (за счёт Ba⁰), окислитель — N₂.
б) Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑
Ca⁰ − 2ē → Ca²⁺ | 1 (окисление)
2H⁺ + 2ē → H₂⁰ | 1 (восстановление)
Восстановитель — Ca, окислитель — H₂O (за счёт H⁺).
в) 2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂↑
Al⁰ − 3ē → Al³⁺ | 2 (окисление)
2H⁺ + 2ē → H₂⁰ | 3 (восстановление)
Восстановитель — Al, окислитель — HCl (за счёт H⁺).
г) Sn + 2AgNO₃ = Sn(NO₃)₂ + 2Ag↓
Sn⁰ − 2ē → Sn²⁺ | 1 (окисление)
Ag⁺ + 1ē → Ag⁰ | 2 (восстановление)
Восстановитель — Sn, окислитель — AgNO₃ (за счёт Ag⁺).
Проверка: баланс атомов во всех уравнениях выполнен (например, в в): Al — 2 и 2, Cl — 6 и 6, H — 6 и 6).
Ba⁰ − 2ē → Ba²⁺ | 3 (окисление)
N₂⁰ + 6ē → 2N³⁻ | 1 (восстановление)
Восстановитель — Ba (за счёт Ba⁰), окислитель — N₂.
б) Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑
Ca⁰ − 2ē → Ca²⁺ | 1 (окисление)
2H⁺ + 2ē → H₂⁰ | 1 (восстановление)
Восстановитель — Ca, окислитель — H₂O (за счёт H⁺).
в) 2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂↑
Al⁰ − 3ē → Al³⁺ | 2 (окисление)
2H⁺ + 2ē → H₂⁰ | 3 (восстановление)
Восстановитель — Al, окислитель — HCl (за счёт H⁺).
г) Sn + 2AgNO₃ = Sn(NO₃)₂ + 2Ag↓
Sn⁰ − 2ē → Sn²⁺ | 1 (окисление)
Ag⁺ + 1ē → Ag⁰ | 2 (восстановление)
Восстановитель — Sn, окислитель — AgNO₃ (за счёт Ag⁺).
Проверка: баланс атомов во всех уравнениях выполнен (например, в в): Al — 2 и 2, Cl — 6 и 6, H — 6 и 6).