Підручник з Хімії. 8 клас. Григорович - Нова програма

§ 36. Ряд активності металів. Реакції заміщення

Пригадайте:

• прості речовини складаються з атомів одного хімічного елемента, їх поділяють на метали та неметали;

• для металів характерний металічний блиск, електропровідність, пластичність тощо.

Поняття про ряд активності металів

У багатьох хімічних реакціях беруть участь прості речовини, зокрема метали. Метали можуть взаємодіяти майже з усіма класами неорганічних сполук, що вивчають у шкільному курсі хімії. Однак різні метали виявляють різну активність у хімічних взаємодіях, і від цього залежить, відбуватиметься реакція чи ні.

Чим більша активність металу, тим енергійніше він взаємодіє з іншими речовинами. За активністю всі метали можна розташувати в ряд, який називається рядом активності металів (витискувальним рядом металів, рядом напруг металів, електрохімічним рядом напруг металів). Цей ряд уперше склав і дослідив видатний український учений Μ. М. Бекетов, тому цей ряд має ще одну назву — ряд Бекетова.

Ряд активності металів Бекетова має такий вигляд (повніший ряд див. на форзаці 2):

Микола Миколайович Бекетов (1827-1911)

Російський і український хімік, засновник української школи фізичної хімії, академік Петербурзької академії наук з 1886 р. Народився в селі Нова Бекетовка Пензенської губернії в родині морського офіцера. Закінчив Казанський університет, працював у Петербурзі в Медично-хімічній лабораторії. Викладав хімію цесаревичу — майбутньому імператору Миколі II. Із 1855 р. професор Харківського імператорського університету, де за його пропозицією 1864 р. було відкрите перше в Україні фізико-хімічне відділення. Саме там уперше у світі він почав викладати фізичну хімію як окрему дисципліну. Бекетов відкрив спосіб відновлення металів з їхніх оксидів, який до сьогодні використовують в металургії, установив залежність спорідненості елементів від порядкового номера, першим добув чисті оксиди лужних елементів (Натрію, Калію), склав ряд активності металів, який названий його ім'ям, був автором першого у світі підручника з фізичної хімії.

У цьому ряду метали розміщені за зменшенням їхньої хімічної активності у водних розчинах. Отже, серед наведених металів найактивнішим є калій, а найменш активним — золото. За допомогою цього ряду легко виявити, який метал є активнішим за інший. Також у цьому ряді є водень. Певна річ, водень не є металом, але в цьому ряду його активність прийнята за точку відліку (своєрідний нуль).

Взаємодія металів з кислотами

Метали, розташовані в ряду активності ліворуч від водню, здатні вступати в реакції з кислотами, у яких атоми металічних елементів заміщують атоми Гідрогену в кислотах. При цьому утворюються сіль відповідної кислоти і водень Н₂ (мал. 36.1, с. 194):

Mg + 2НСl = MgCl₂+ Н₂↑

Zn + H₂SO₄= ZnSO₄ + H₂↑

Мал. 36.1. Взаємодія металів з кислотами: а — алюмінію; б — цинку; в — нікелю

Чим лівіше розташований метал у ряду активності, тим бурхливіше він взаємодіє з кислотами. Найінтенсивніше витискують водень з кислот ті метали, що розташовані на самому початку ряду. Так, магній взаємодіє дуже бурхливо (рідина ніби закипає), цинк взаємодіє значно спокійніше, залізо реагує зовсім повільно (бульбашки водню ледве утворюються), а мідь зовсім не взаємодіє з кислотою (мал. 36.2).

Мал. 36.2. Взаємодія металів із хлоридною кислотою

Якщо метал розташований у ряду активності праворуч від водню, то він не здатний витискувати водень з розчинів кислот, і тому реакція не відбувається (табл. 12, с. 197):

Сu + НСl ≠

Зверніть увагу на рівняння реакцій металів з кислотами, що наведені вище: у цих реакціях атоми металічних елементів із простої речовини заміщують атоми Гідрогену в кислотах. Такі реакції називають реакціями заміщення.

Реакції заміщення — це реакції, у яких атом елемента простої речовини витискує атом іншого елемента зі складної речовини.

Взаємодія нітратної та концентрованої сульфатної кислот з металами відбувається за іншою схемою. У таких реакціях водень майже не виділяється, а виділяються інші продукти реакції, про що ви дізнаєтесь у наступних класах.

Взаємодія металів з водою

Метали, розташовані в ряду активності ліворуч від водню, здатні витискувати водень не тільки з розчинів кислот, але і з води. Так само, як і з кислотами, активність взаємодії металів з водою змінюється відповідно до розташування металів у ряду активності (мал. 36.3).

Мал. 36.3. За звичайних умов натрій та кальцій активно взаємодіють з водою з виділенням водню, а цинк та залізо не взаємодіють

Метали, що розташовані в ряду активності ліворуч від магнію (табл. 12, с. 197), взаємодіють з водою за звичайних умов. У таких реакціях утворюються луги і водень:

Літій взаємодіє з водою дуже бурхливо (мал. 36.4):

2Li + 2Н₂O = 2LiOH + Н₂↑

Мал. 36.4. Взаємодія літію з водою з утворенням безбарвного розчину літій гідроксиду

Калій реагує з водою так бурхливо, що часто відбувається вибух: під час реакції виділяється така велика кількість теплоти, що водень, який виділяється, загоряється і спричиняє загоряння самого металу.

Кальцій і натрій взаємодіють з водою так само бурхливо, але без вибуху:

Са + 2Н₂O = Са(ОН)₂ + Н₂↑

2Na + 2Н₂O = 2NaOH + Н₂↑

Утворення лугів у реакції активних металів із водою можна довести, якщо додати розчин фенолфталеїну, який набуває характерного малинового забарвлення (мал. 36.5, с. 196).

Мал. 36.5. Після взаємодії кальцію з водою додано фенолфталеїн: у розчині видно осад кальцій гідроксиду, а малиновий колір свідчить про наявність лугу

Магній взаємодіє з водою за такою самою схемою, як і активні метали, але замість лугу утворюється нерозчинна основа. Реакція відбувається настільки повільно, що спершу після додавання магнію до води ніякої реакції не спостерігають — бульбашки водню починають виділятися через деякий час (мал. 36.6). Для ініціювання реакції воду слід дещо підігріти або здійснювати реакцію в киплячій воді.

Мал. 36.6. За кімнатної температури магній взаємодіє з водою дуже повільно, розчин дещо мутніє внаслідок утворення малорозчинного магній гідроксиду

Більшість інших металів, розташованих між магнієм та воднем у ряду активності, також можуть взаємодіяти з водою (витискувати з неї водень), але це відбувається за «жорсткіших» умов: для цього крізь розпечені металічні ошурки пропускають перегріту водяну пару. Звичайно, що за таких умов гідроксиди розкладаються (на оксид та воду), тому продуктами реакції є оксид відповідного металічного елемента і водень:

Нікель, олово та свинець пасивуються водою, тому за жодних умов з водою не реагують.

Таблиця 12. Залежність хімічних властивостей металів від положення в ряду активності

Взаємодія металів із солями

Якщо сіль розчинна у воді, то металічний елемент у ній може бути витиснутий активнішим металом:

сіль (1) + метал (1) = сіль (2) + метал (2)

Наприклад, якщо занурити в розчин купрум(ІІ) сульфату залізну пластинку, через певний час на ній виділиться мідь у вигляді червоного нальоту:

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu↓

Із часом залізна пластинка покривається досить щільним шаром порошку міді, а розчин світлішає, що свідчить про зменшення в ньому концентрації купрум(ІІ) сульфату (мал. 36.7).

Мал. 36.7. Взаємодія розчину купрум(ІІ) сульфату із залізною пластинкою

Залізо розташоване в ряду активності ліворуч від міді, тому атоми Феруму можуть витіснити атоми Купруму із солі. Але якщо в розчин купрум(ІІ) сульфату занурити срібну пластину, то реакція не відбуватиметься:

CuSO₄ + Ag ≠

Мідь можна витиснути із солі будь-яким металом, розташованим ліворуч від міді в ряду активності металів. При цьому мідь буде витісняти з розчинів інших солей будь-який метал, що розташований у ряду активності праворуч від неї (мал. 36.8):

2AgNO₃ + Сu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Мал. 36.8. Менш активне за мідь срібло осідає на поверхні мідного дроту. Розчин набуває блакитного забарвлення завдяки утворенню в ньому солі Купруму

Найактивніші метали, що розташовані на самому початку ряду — натрій, калій, — не витісняють інші метали з розчинів солей, оскільки вони настільки активні, що взаємодіють не з розчиненою сіллю, а з водою, у якій ця сіль розчинена.

Взаємодія металів з оксидами

Оксиди металічних елементів також здатні взаємодіяти з металами. Активніші метали витискують менш активні з оксидів. Але на відміну від взаємодії металів із солями, у цьому випадку оксиди необхідно розплавити, щоб реакція відбулась:

оксид (1) + метал (1) = оксид (2) + метал (2)

Для добування металу з оксиду можна застосовувати будь-який метал, що розташований у ряду активності ліворуч, навіть найактивніші натрій і калій, адже в розплавленому оксиді води немає:

ZnO + 2Na = Na₂O + Zn

CaO + 2K = K₂O + Ca

Витіснення металів із солей або оксидів активнішими металами іноді застосовують у промисловості для добування металів.

• Багато кислот та інших речовин алхіміки називали спиртами (від латин. спірітус — дух, запах). Так, був спірітус салі — соляний спирт, або хлоридна кислота, спірітус нітрі — нітратна кислота, спірітус волятіліс вітріолі — спирт леткий купоросний, або сульфатна кислота. У сучасній хімічній мові від цих назв лишилися тільки спірітус амоні — нашатирний спирт, що є розчином амоніаку NH₃, та спірітус віні — винний, або етиловий спирт.

• Палаючі активні метали (магній, натрій тощо) неможливо загасити водою. Причина в тому, що під час контакту з водою палаючий магній реагує з нею, унаслідок чого виділяється водень, який тільки підсилює горіння.

• «Царською водою» хіміки називають кислоту, що є сумішшю концентрованих нітратної та хлоридної кислот. Таку назву ця суміш отримала завдяки тому, що з нею взаємодіє навіть цар металів — золото.