Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 61. Загальні хімічні властивості металів

Активність металів

У хімічних реакціях метали є відновниками, тобто підвищують ступінь окиснення. Утім, різні метали виявляють відновні властивості неоднаково: за хімічною активністю у водних розчинах метали розташовані в ряду активності в певному порядку (схема 5).

На початку ряду розташовані лужні й лужноземельні метали, магній, алюміній, цинк — вони найлегше вступають у хімічні реакції. Метали середини ряду (залізо, нікель, олово) мають меншу хімічну активність. Найменш активні метали розташовані в ряду активності праворуч від водню. Хоча цей ряд складено лише за властивостями металів у водних розчинах, він у більшості випадків правильно характеризує й активність металів у реакціях, що відбуваються за відсутності води.

Схема 5. Ряд активності металів

Взаємодія з неметалами

Більшість металів за нагрівання на повітрі окиснюються — перетворюються на оксиди. Часто ці реакції супроводжуються утворенням полум’я, тобто відбуваються як горіння. Не взаємодіють із киснем лише метали, розташовані з правого боку ряду активності, — срібло, платина і золото.

Із найактивнішими неметалами — галогенами — взаємодіють майже всі метали, навіть ті, що не взаємодіють із киснем:

2Au + 3Сl₂ = 2АuСl₃

Реакції металів з іншими неметалами — сіркою, фосфором, вуглецем — відбуваються здебільшого за нагрівання.

Взаємодія з розчинами солей

Активніші метали витісняють менш активні з розчинів їхніх солей. Наприклад, залізо може реагувати з розчинними солями Плюмбуму(ІІ), але не взаємодіє із солями Натрію:

Fe + Pb(NO₃)₂ = Fe(NO₃)₂ + Pb↓

Fe + NaCl ≠

У таких реакціях окисником є катіон металічного елемента, а відновником — метал.

Нерозчинні солі не вступають у реакції заміщення у водному середовищі. Наприклад, взаємодія порошку алюмінію з ферум(ІІ) карбонатом за кімнатної температури практично не відбувається, оскільки ферум(ІІ) карбонат нерозчинний у воді. А під час прожарювання цих речовин перетворення можливе:

2Аl + 3FeCO₃ =^t 3Fe + Аl₂О₃ + 3СО₂↑

Якщо катіон є сильним окисником, він може реагувати і з неактивним металом, але при цьому повного відновлення не відбувається. Наприклад, мідь можна окиснити розчином ферум(ІІІ) хлориду — ця реакція відбувається під час травлення мідних плат:

Cu + 2FeCl₃ = 2FeCl₂ + CuCl₂

Взаємодія з водою

Із водою за кімнатної температури взаємодіють лише найактивніші метали — лужні й лужноземельні (мал. 61.1):

2К + 2Н₂О = 2КОН + Н₂↑

Са + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + Н₂↑

Мал. 61.1. Калій у разі потрапляння у воду займається

Саме тому активні метали не використовують для витіснення інших металів з розчинів їхніх солей: насамперед вони будуть взаємодіяти не із сіллю, а з водою. Якщо до водного розчину ферум(ІІ) сульфату додати невелику кількість натрію, то він не буде витісняти залізо, оскільки натрій реагує з водою:

2Na + 2Н₂О = 2NaOH + Η₂↑

Утворений натрій гідроксид вступає в реакцію обміну із сіллю Феруму:

2NaOH + FeSO₄ = Fe(OH)₂↓ + Na₂SO₄

Алюміній взаємодіє з водою лише після ретельного очищення його поверхні від плівки оксиду. Магній взаємодіє з киплячою водою. Менш активні метали, як залізо або цинк, реагують із перегрітою (нагрітою вище 100 °С) водяною парою, при цьому утворюються не гідроксиди, а оксиди. Пропускаючи водяну пару через розпечене добіла сталеве гарматне дуло, Лавуазье добув водень із води:

Цим методом, який називають залізо-паровим, водень добували аж до початку XX століття.

Взаємодія з кислотами

Метали, що розташовані в ряду активності ліворуч від водню, витісняють його з розчинів кислот:

Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + Η₂↑

2Αl + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3Η₂↑

У цих реакціях метали є відновниками, а йони Гідрогену, що містяться в кислоті, — окисниками.

Мідь, срібло, ртуть і золото з розбавленими кислотами не реагують. Ці метали взаємодіють лише з кислотами-окисниками — нітратною й концентрованою сульфатною (див. § 45 та § 34).

Взаємодія з лугами

Зазвичай метали з лугами не взаємодіють. Винятком є метали, які утворюють амфотерні сполуки, зокрема алюміній і цинк:

2Аl + 2NaOH + 6Н₂О = 2NaAl(OH)₄ + 3Η₂↑

Ζn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂Zn(OH)₄ + Η₂↑

У цих випадках окисником є також йони Гідрогену, але взаємодіють із ними лише ті метали, що можуть утворювати в лужному середовищі розчинні сполуки.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 16

Взаємодія металів з кислотами в розчинах

Обладнання: штатив із пробірками.

Реактиви: залізо, цинк, олово, алюміній, мідь, хлоридна кислота.

Дотримуйтесь правил безпеки

У пробірки помістіть видані вам шматочки металів (залізо, цинк, олово, алюміній, мідь) і прилийте до них хлоридну кислоту об’ємом по 1 мл. Що спостерігаєте? З яким металом реакція відбувається найбільш інтенсивно? Обґрунтуйте спостереження.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 17

Взаємодія металів із солями в розчинах

Обладнання: штатив із пробірками.

Реактиви: залізна та цинкова пластинки, розчини купрум(ІІ) сульфату, плюмбум(ІІ) нітрату.

Дотримуйтесь правил безпеки

У першу пробірку налийте розчин купрум(ІІ) сульфату об’ємом 1-2 мл, у другу — таку саму кількість розчину плюмбум(ІІ) нітрату. У першу пробірку опустіть залізну пластину, а в другу — цинкову. Що спостерігаєте? Чи зміняться спостереження, якщо в розчин купрум(ІІ) сульфату опустити цинкову пластину? А якщо в розчин плюмбум(ІІ) нітрату опустити залізну пластину? А якщо в обох випадках використовувати срібну пластину? Відповіді поясніть.

Ключова ідея

Хоча хімічна активність металів змінюється в широкому діапазоні, але багато властивостей є для них спільними.

Запитання та завдання

362. У ряду активності укажіть метали, що вступають у реакцію: а) з водою за кімнатної температури; б) із перегрітою водяною парою; в) із кислотами-неокисниками; г) із нітратною кислотою.

363. Чи можна використати лужні метали для витіснення менш активних металів із водних розчинів їхніх солей? Чому?

364. Залишки розлитої ртуті можна знешкодити розчином ферум(ІІІ) хлориду. Запишіть рівняння реакції, якщо в продуктах металічні елементи містяться лише в ступені окиснення +2.

365. Чому розчин мідного купоросу не можна зберігати в оцинкованому залізному відрі?

366. Один зі способів очищення ртуті від домішок металів (наприклад, цинку й олова) полягає в тому, що її збовтують із розчином меркурій(ІІ) сульфату. У чому хімічний зміст цього способу?

367. Чадний газ добувають у лабораторії, прожарюючи суміш кальцій карбонату із цинком. Запишіть рівняння реакції, якщо в ній утворюються три різні оксиди.