Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович (2025)
§ 18. Ряд активності металів
Поняття про ряд активності металів
У багатьох хімічних реакціях беруть участь прості речовини, зокрема метали. Метали можуть взаємодіяти майже з усіма класами неорганічних речовин, які вивчають у шкільному курсі хімії. Утім, активність різних металів різна в хімічних взаємодіях, і саме від цього залежить: відбуватиметься реакція чи ні.
За активністю всі метали можна розташувати в ряд, який називають рядом активності металів (витискувальним рядом металів, або електрохімічним рядом напруг металів).
Ряд активності металів має такий вигляд (повніший ряд подано на форзаці підручника):
У цьому ряду метали розміщено за зменшенням їхньої хімічної активності у водних розчинах. З-поміж наведених металів найактивнішим є калій, а найменш активним — золото. За цим рядом легко порівнювати активність металів. Зверніть увагу, що в цьому ряду є водень. Певна річ, водень не є металом, але в цьому ряду його активність прийнята за точку відліку («нуль»).
Дізнайтеся більше
Ряд активності металів уперше склав і дослідив М. М. Бекетов, який понад 30 років працював у Харківському університеті на кафедрі хімії. 1865 року він оприлюднив свою теорію витіснення металів і встановив ряд активності металів. Тому цей ряд має ще одну назву — ряд Бекетова.
Взаємодія металів із кислотами
Поміркуйте
Що, на вашу думку, є продуктом реакції металу з кислотною?
Сформулюйте гіпотезу: чи всі метали можуть реагувати з кислотами.
Метали, розміщені в ряду активності ліворуч від водню, вступають у реакції з кислотами, у яких металічні елементи заміщують Гідроген у кислотах. Продуктами реакції є сіль відповідної кислоти і водень Н2:
метал + кислота → сіль + Н2↑
Mg + 2НСl = MgCl2 + Н2↑
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2↑
• Подивіться відео про взаємодію різних металів із хлоридною кислотою
rnk.com.ua/110517
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. 18.1).
Мал. 18.1. Взаємодія металів із кислотою: а — цинку; б — міді
Метали, розміщені в ряду активності праворуч від водню, не здатні витісняти водень із розчинів кислот, і тому реакція не відбувається:
Сu + НСl ≠
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.
Дізнайтеся більше
«Царською водою» хіміки називають кислоту, що є сумішшю концентрованих нітратної та хлоридної кислот. Таку назву ця суміш дістала через те, що з нею взаємодіє навіть «цар» металів — золото.
Взаємодія металів із водою
Поміркуйте
Сформулюйте гіпотезу: чи можуть метали витісняти водень не лише з кислот, а й з інших сполук, зокрема з води. Чи можна для таких реакцій також застосовувати ряд активності?
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, взаємодіють із водою за звичайних умов. У таких реакціях утворюються луги (розчинні гідроксиди) і водень:
метали (Li, К, Са, Na) + Н2О → луг + Н2↑
Літій взаємодіє з водою дуже бурхливо:
2Li + 2Н2О = 2LiOH + Н2↑
Калій реагує з водою дуже активно, часто із вибухом. Кальцій і натрій взаємодіють із водою так само бурхливо, але без вибуху:
Ca + 2Н2О = Ca(OH)2 + H2↑
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
Утворення лугів у реакції активних металів із водою можна довести, якщо додати розчин індикатору, який набуває забарвлення, характерного для лужного середовища.
Після взаємодії кальцію з водою додано універсальний індикатор: у розчині видно осад кальцій гідроксиду, а синє забарвлення свідчить про наявність лугу
За кімнатної температури магній взаємодіє з водою дуже повільно, розчин дещо мутніє внаслідок утворення малорозчинного магній гідроксиду, але видно зміну забарвлення універсального індикатору на характерне для лужного середовища
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 жодних змін не спостерігають — бульбашки водню починають виділятися через певний час. Для ініціювання реакції воду слід підігріти або виконувати дослід у киплячій воді.
Більшість металів, розташованих між магнієм і воднем у ряду активності, також можуть взаємодіяти з водою (витісняти з неї водень), але це відбувається за «жорсткіших» умов: крізь розпечені металічні ошурки пропускають перегріту водяну пару.
За таких умов гідроксиди розкладаються (на оксид і воду), а продуктами реакції є оксид відповідного металічного елемента та водень:
метали (Al, Μn, Ζn, Fe) + Η2О → оксид + Н2↑
2Fe + 3Н2О =t Fe2O3 + 3H2↑
Ζn + H2O =t ΖnΟ + Н2↑
Нікель, олово та свинець пасивуються водою, тобто за жодних умов із водою не реагують.
Схема 1. Залежність хімічних властивостей металів від розташування в ряду активності
|
K |
Са |
Na |
Mg |
Al |
Ζn |
Fe |
Ni |
Sn |
Pb |
H2 |
Сu |
Аg |
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 |
Не реагують із водою |
||||||||||||
|
Із водного розчину солі метал витиснути неможливо |
Метал можна одержати витисненням його з розчину солі більш активним металом |
|||||||||||||
Взаємодія металів із солями
Поміркуйте
Сформулюйте гіпотезу: чи можна використовувати ряд активності для визначення здатності витіснення одного металу іншим. Якщо так, то з якими ще сполуками можуть реагувати метали?
Якщо сіль розчинна у воді, то металічний елемент у ній може бути витиснутий активнішим металом:
сіль (1) + метал (1) → сіль (2) + метал (2)
Якщо в розчин купрум(2+) сульфату занурити залізну пластинку, за певний час на ній з’явиться червоний наліт міді:
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu↓
Із часом залізна пластинка покриється досить щільним шаром порошку міді, а розчин світлішає, що свідчить про зменшення в ньому концентрації купрум(2+) сульфату (мал. 18.2).
Мал. 18.2. Взаємодія розчину купрум(2+) сульфату із залізною пластинкою
Залізо розміщене в ряду активності ліворуч від міді, тому катіони Феруму можуть витіснити атоми Купруму із солі. Але якщо в розчин купрум(2+) 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. А мідь буде витісняти з розчинів інших солей будь-який метал, розміщений у ряду активності праворуч від неї (мал. 18.3):
2AgNO3 + Сu = Cu(NO3)2 + 2Ag↓
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.
Мал. 18.3. Менш активне за мідь срібло осідає на мідному дроті. Розчин набуває блакитного забарвлення унаслідок утворення в ньому солі Купруму
• Подивіться відео про взаємодію металів із солями у водному розчині.
rnk.com.ua/110518
Взаємодія металів з оксидами
Оксиди металічних елементів також здатні взаємодіяти з металами. Але, на відміну від взаємодії металів із солями, реактанти слід нагріти до високої температури або розплавити, щоб реакція відбулась:
оксид (1) + метал (1) → оксид (2) + метал (2)
CuO + Pb =t PbO + Сu
Fe2O3 + 2Al =t Al2O3 + 2Fe
Для одержання металу з оксиду можна застосовувати будь-який активніший метал, навіть найактивніші натрій і калій, адже в розплавленому оксиді води немає:
ZnO + 2Na =t Na2O + Zn
Витіснення металів із солей або оксидів активнішими металами іноді застосовують у промисловості для одержання металів.
Дізнайтеся більше
• Суміш алюмінію з ферум(3+) оксидом називають термітною сумішшю. Після нагрівання цієї суміші метал реагує з оксидом. Під час реакції виділяється настільки багато теплоти, що температура реакційної суміші сягає 2500 °С. Унаслідок реакції утворюється розплавлене залізо, яке, витікаючи з реактора, може заповнювати порожнини, що використовують для зварювання рейок на залізничних коліях.
• 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.
Робота з інформацією
204. Підготуйте повідомлення про Μ. М. Бекетова та його дослідження щодо формування ряду активності металів.
205. Шматочки магнію та олова помістили в розчин хлоридної кислоти. З яким металом реакція відбувається інтенсивніше? Складіть рівняння реакцій.
206. У розчин нікель(2+) сульфату занурили свинцеву та залізну пластини. З яким металом реакція відбуватиметься? Відповідь поясніть.
207. Чому для одержання міді з розчину купрум(2+) сульфату не можна використовувати натрій і калій, адже вони активніші за мідь? Чи можна їх використовувати для одержання міді з розплаву купрум(2+) оксиду? Відповідь поясніть.
208. Які речовини утворюються під час взаємодії води: а) з активними металами; б) оксидами активних металічних елементів; в) оксидами неметалічних елементів? Наведіть приклади.
209. Визначте можливість реакцій між такими металами та кислотами: a) Mg і Н2SО4 (розб.); б) Fe і НВr; в) Hg і НСl; г) Аl і НI; д) Сu і Н3РО4; е) Ni і H2SO4 (розб.); є) Аu і НСl; ж) Рb і НСl; з) Sn і H2SO4 (розб.); и) Zn і НВr; і) Мn і H2SO4 (розб.). Для можливих реакцій складіть хімічні рівняння та назвіть продукти реакцій.
210. Визначте можливість реакції з водою таких металів: К, Sr, Ва, Мn, Sn, Ag, Hg. Для можливих реакцій складіть хімічні рівняння і назвіть продукти реакцій.
211. Визначте можливість реакцій між такими металами та солями: a) FeSO4 і Sn; б) AgNO3 і Сu; в) NiCl2 і Al; г) CuSO4 і Hg; д) Hg(NO3)2 і Сu; е) Hg(NO3)2 і Ag; є) СrСl3 і Zn; ж) Al2(SO4)3 і Рb; з) SnCl2 і Zn; и) FeCl2 і Zn; і) NiSO4 і Fe; ї) CuBr2 і Al; й) Pb(NO3)2 і Ni. Для можливих реакцій складіть хімічні рівняння та назвіть продукти реакцій.
212. Які з наведених речовин взаємодіють із водою: Na, Ba, Fe, Fe2O3, H2SO4, NaOH, CaO, ZnO? Відповідь підтвердьте рівняннями реакцій.
213. Визначте можливість реакцій між такими металами й оксидами:
a) Ζn і РbО; б) Fe2O3 і Са; в) NiO і Al; г) СuО і Au; д) СuО і Na; е) Аl2О3 i Cr; є) Сr2О3 і Ζn; ж) РbО і Sn. Для можливих реакцій складіть хімічні рівняння та назвіть продукти реакцій.
214. Після занурення цинкової пластини в розчин купрум(2+) нітрату на пластині виділилася мідь масою 3,2 г. Обчисліть масу цинку, що прореагував.
215. Обчисліть масу олова, яке можна одержати взаємодією станум(2+) оксиду з алюмінієм масою 0,54 кг.
216. Обчисліть об’єм водню (н. у.), який виділиться внаслідок узаємодії цинку масою 97,5 г із хлоридною кислотою.
217. Обчисліть кількість речовини сульфатної кислоти, необхідної для взаємодії з магнієм масою 12 г. Обчисліть масу утвореної солі та об’єм утвореного газу (н. у.).
218. Обчисліть кількість речовини міді, яку можна виділити з розчину купрум(2+) сульфату, що містить 32 г цієї солі.
219. Суміш магнію масою 6,0 г і заліза масою 16,8 г обробили достатньою кількістю розчину сульфатної кислоти. Обчисліть об’єм водню (н. у.), що виділиться під час реакції.
220. У розчин аргентум(1+) нітрату масою 85 г із масовою часткою солі 2 % занурили цинкову пластинку. Обчисліть масу срібла, що виділиться на пластинці після закінчення реакції. Обчисліть, як зміниться маса пластинки порівняно з її початковою масою.
Розуміння явищ природи (робота в групах)
221. Якщо один із реактантів нерозчинний у воді, приміром метали, то реакція з водою (або водними розчинами речовин) не може відбуватися в разі, якщо з-поміж продуктів реакції має утворитися нерозчинна у воді речовина. Сформулюйте гіпотезу, чим це можна пояснити. Проілюструйте цей принцип на прикладі реакцій свинцю з різними кислотами.
222. Запропонуйте, як за допомогою хімічних реакцій розділити суміш міді та заліза.
223. Алюміній — досить активний метал, але вироби з алюмінію зберігаються в повітрі без видимих ознак псування. Якщо зачищений виріб з алюмінію, приміром, ложку або виделку, ненадовго занурити в розчин меркурій(2+) нітрату, він покриється сріблястим шаром. Оброблений у такий спосіб виріб на повітрі за досить короткий час перетворюється на сірий порошок, у якому можна спостерігати сріблясті кульки. Поясніть, чому можуть відбуватися такі зміни, з хімічної точки зору. Складіть відповідні рівняння реакцій.
224. Прочитайте опис досліду та дайте відповіді на запитання. Учитель демонстрував у класі взаємодію натрію з водою. Велику посудину він наповнив водою і додав до неї розчин фенолфталеїну. Між посудиною та учнями / ученицями в класі розмістив пластиковий прозорий екран і надів захисні окуляри. Потім учитель дістав великий шматок натрію з посудини, у якій він зберігався зануреним у мінеральну олію, видалив із нього залишки олії, відрізав невеликий шматочок і пінцетом поклав його у воду. Одразу почалася бурхлива реакція: вода навколо натрію вирувала, газ штовхав шматочок натрію по поверхні води, а в місці контакту з натрієм вода ставала рожевою.
• Складіть рівняння реакції натрію з водою.
• Яке спостереження свідчить про утворення водню? А натрій гідроксиду?
• Яка ознака активного перебігу цієї реакції?
• Чому шматочок натрію переміщався поверхнею води, а не тонув. (Для відповіді можна скористатися додатковими джерелами.)
• Перелічіть ризики цього експерименту.
• З опису експерименту наведіть приклади, як учитель контролював ризики для себе та учнівства в класі.
225. Під час взаємодії калію навіть із холодною водою шматочок металу швидко рухається поверхнею води та від виділеної теплоти займається. Кальцій повільно реагує з водою. Унаслідок виділення теплоти реакційна суміш нагрівається. Магній із холодною водою реагує дуже повільно, з утворенням кількох бульбашок за годину. А цинк узагалі не реагує з водою за таких умов. Намалюйте моделі цих хімічних реакцій. Розташуйте згадані метали в ряд за зменшенням активності та порівняйте з рядом активності металів на форзаці.
226. За хімічною активністю алюміній майже такий самий, як і магній. Проте на поверхні алюмінію завжди є доволі міцний шар алюміній оксиду, який не пропускає повітря та воду до металу. Алюміній та алюміній оксид не розчиняються у воді, проте реагують із хлоридною кислотою з утворенням розчинного алюміній хлориду. Якщо помістити гранулу алюмінію в хлоридну кислоту, то спочатку видимих змін не відбувається. Згодом можна спостерігати повільну реакцію, яка із часом прискорюється.
• Чому з алюмінієвими виробами нічого не трапляється в повітрі або в разі занурення у воду?
• Припустіть, яка речовина прореагує першою, якщо гранулу алюмінію помістити в хлоридну кислоту. Відповідь обґрунтуйте.
• Чому реакція алюмінію з хлоридною кислотою із часом прискорюється?
