Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович

§ 34. 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.

За активністю всі метали можна розташувати в ряд, який називають рядом активності металів (витискувальним рядом металів, рядом напруг металів, електрохімічним рядом напруг металів). Цей ряд уперше склав і дослідив Μ. М. Бекетов, тому цей ряд має ще одну назву — ряд Бекетова.

Микола Миколайович Бекетов

(1827-1911)

Видатний хімік, засновник української школи фізичної хімії. Народився в родині морського офіцера. Від 1855 року — професор Харківського імператорського університету, де за його пропозицією 1864 року 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 із їх оксидів, який до сьогодні використовують у 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.

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

У цьому ряду метали розміщені за зменшенням їх 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 із кислотами

Метали, розміщені 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:

метал + кислота → сіль + Н₂↑

Mg + 2НСl = MgCl₂ + Η₂↑

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑

Чим лівіше розміщений метал у ряду активності, тим бурхливіше він взаємодіє з кислотами. Найінтенсивніше витісняють водень із кислот ті метали, що розміщені 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. 34.1).

Мал. 34.1. Взаємодія металів із кислотою: а — цинку; б — міді

Якщо метал розміщений у ряду активності праворуч від водню, то він не здатний витісняти водень із розчинів кислот, і тому реакція не відбувається:

Сu + НСl ≠

Зверніть увагу на рівняння реакцій металів із кислотами, 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 витісняє атом іншого елемента зі складної речовини.

Взаємодія нітратної та концентрованої сульфатної кислот із 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 із водою

Метали, розміщені в ряду активності ліворуч від водню, здатні витісняти водень не лише з розчинів кислот, але й із води.

Метали, розміщені в ряду активності ліворуч від магнію (див. таблицю на с. 186), взаємодіють із водою за звичайних умов. У таких реакціях утворюються луги і водень:

метали (Li, К, Са, Na) + H₂O → луг + Н₂↑

Літій взаємодіє з водою дуже бурхливо:

2Li + 2Н₂О = 2LiОН + Н₂↑

Калій реагує з водою так бурхливо, що часто відбувається вибух.

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

Са + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + H₂↑

2Na + 2Н₂О = 2NaOH + Η₂↑

Утворення лугів у реакції активних металів із водою можна довести, якщо додати розчин лакмусу, який набуває характерного синього забарвлення.

Після взаємодії кальцію з водою додано лакмус: у розчині видно осад кальцій гідроксиду, а синій колір свідчить про наявність лугу

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

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. Для ініціювання реакції воду слід дещо підігріти або виконувати дослід у киплячій воді.

Більшість інших металів, розташованих між магнієм та воднем у ряду активності, також можуть взаємодіяти з водою (витісняти 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:

метали (Al, Mn, Zn, Fe) + H₂O → оксид + Н₂↑

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

Залежність хімічних властивостей металів від розташування в ряду активності

K

Са

Na

Mg

Al

Zn

Fe

Ni

Sn

Pb

Н2

Сu

Ag

Hg

Au

← Активність металів збільшується

Реагують із кислотами з утворенням солі та водню

Не реагують із кислотами

Реагують із водою за звичайних умов

Витісняють водень із води за високої температури, утворюють оксиди

3 водою не взаємодіють

Із водного розчину солі метал витиснути неможливо

Метали можна добути витисненням його активнішим металом із розчину солі

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. 34.2).

Мал. 34.2. Взаємодія розчину купрум(ІІ) сульфату із залізною пластинкою

Залізо розміщене 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, розміщеним ліворуч від міді в ряду активності металів. При цьому мідь буде витісняти з розчинів інших солей будь-який метал, розміщений у ряду активності праворуч від неї (мал. 34.3, с. 188):

2AgNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag↓

Мал. 34.3. Менш активне за мідь срібло осідає на поверхні мідного дроту. Розчин набуває блакитного забарвлення завдяки утворенню в ньому солі Купруму

Найактивніші метали, розміщені 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 витісняють 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, розміщений у ряду активності ліворуч, навіть найактивніші натрій і калій, адже в розплавленому оксиді води немає:

ZnO + 2Na = Na₂O + Zn

СаО + 2К = К₂О + Са

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 лише спірітус амоні — нашатирний спирт, що є розчином амоніаку ΝΗ₃, 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 лише 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.