Природничі науки. 8 клас. Інтегрований курс. Мандренко

Тема 3. Ряд активності металів

rnk.com.ua/108792

Будете навчатися:

порівнювати реакційну здатність металів;
описувати взаємодію металів з киснем, водою та розведеними кислотами;
з'ясовувати залежність між застосуванням металів та їхніми фізичними й хімічними властивостями.

Реакційна здатність речовин

Деякі речовини мають дуже високу реакційну здатність та можуть бути описані як хімічно активні. Наприклад, фтор — найактивніший неметал. Він може реагувати майже з усіма іншими речовинами, окрім гелію, який належить до інертних газів (рис. 6.26).

Рис. 6.26. Гелій, яким наповнюють повітряні кульки, інертний і не вступає в реакції горіння

Подібно до того, як неметали, наприклад, гелій і фтор, відрізняються за своєю реакційною здатністю, метали також мають різну хімічну активність. На рис. 6.27 наведено перелік деяких поширених металів у порядку їх реакційної здатності від найбільш активних до найменш активних. Такий список називається рядом активності металів. У цьому ряду калій є найбільш активним, а золото — найменш активним металом. Водень — це неметал, але він наявний у ряду активності металів для того, щоб можна було зробити прогноз щодо взаємодії металів з водою і розведеними кислотами.

Рис. 6.27. Ряд активності деяких металів

Метали мають різні фізичні та хімічні властивості, що визначають їх використання в промисловості, будівництві, електроніці та медицині. Наприклад, малоактивні метали (золото, платина) використовують у ювелірній справі та електроніці через їхню стійкість до корозії.

Попрактикуйтеся

1. Скориставшись рядом активності металів, визначте метал, який є більш активним, ніж цинк, але менш активним, ніж кальцій.

2. Об'єднайтеся в групи й розподіліть ролі: дослідник, еколог, металург, економіст. Спільно обговоріть проблемне питання: як раціонально використовувати метали у різних сферах життя з урахуванням їхньої активності. Розробіть рекомендації для підприємств і споживачів щодо вибору та використання металів залежно від їхнього місця в ряду активності.

Взаємодія металів з водою

Продуктами хімічних реакцій найбільш активних металів з холодною водою є гідроксиди цих металічних елементів і водень. Спостерігаючи за взаємодією металу з водою, фіксують виділення бульбашок газоподібного водню. Якщо бульбашки газу не утворюються, отже, метал не реагує з водою. Чим активніше метал реагує, тим енергійніше відбувається утворення бульбашок. Наприклад, калій є активним лужним металом, який реагує з водою згідно з текстовою схемою:

калій + вода → калій гідроксид + водень

Калій так енергійно реагує з водою, що водень, який виділяється внаслідок реакції, загоряється (рис. 6.28). З метою безпеки чашку Петрі, у якій відбувається взаємодія, варто накрити скляною пластинкою. Залежно від розміру шматка калію, реакція може тривати лише кілька секунд, перш ніж розпечений метал вибухне з невеликим тріском. Калій гідроксид розчиняється у воді, утворюючи розчин лугу. Підтвердити наявність калій гідроксиду серед продуктів реакції можна за допомогою індикатора фенолфталеїну, розчин якого набуває малинового кольору в лужному середовищі.

Рис. 6.28. Під час взаємодії калію з водою виділяються полум'я та іскри

Реакція кальцію з холодною водою є екзотермічною, тому реакційна суміш нагрівається. Бульбашки утворюються дуже швидко, але водень не займається. Магній реагує з холодною водою повільно, утворюючи кілька бульбашок газу водню за кілька днів, а цинк узагалі не взаємодіє з водою за звичайних умов. Метали, які стоять у ряду активності після водню, не реагують з водою.

Попрактикуйтеся

3. Визначте три метали, крім цинку, які не реагують з водою. Обґрунтуйте свою відповідь.

4. Поясніть, чому дахи деяких будинків зроблені з цинку.

Взаємодія металів з розведеними кислотами

Продуктами реакції металу з розведеною кислотою є сіль і водень. Склад солі залежить від природи металу і кислоти, які вступають у взаємодію. Сульфати утворюються у разі використання сульфатної, а хлориди — у разі використання хлоридної кислоти. Наприклад, магній реагує з розведеною хлоридною кислотою, утворюючи магній хлорид:

магній + хлоридна кислота → магній хлорид + водень

Графічна схема цієї взаємодії зображена на рис. 6.29.

Рис. 6.29. Графічна схема реакції магнію з хлоридною кислотою

Тільки ті метали, які стоять у ряду активності до водню, можуть вступати в реакції заміщення з розведеними кислотами. Калій і натрій настільки активно реагують з розведеними кислотами, що ці реакції небезпечно проводити в шкільній лабораторії. Кальцій реагує з розведеними кислотами дуже швидко, магній швидко, цинк повільно, а мідь не реагує взагалі (рис. 6.30).

Рис. 6.30. Взаємодія кальцію, магнію, цинку і міді (зліва направо) з розведеною хлоридною кислотою

Попрактикуйтеся

5. Наведіть приклади двох металів, крім міді, які не реагують з розведеними кислотами. Поясніть свою відповідь.

6. Спрогнозуйте, як залізо реагуватиме з розведеною сульфатною кислотою. Складіть рівняння цієї реакції.

Взаємодія металів з киснем

Продуктом реакції металу з киснем є його оксид. За кімнатної температури поверхня металу, що реагує, змінює колір і стає тьмяною, оскільки на його поверхні утворюється шар оксиду. Калій і натрій дуже енергійно реагують з киснем. Коли їх розрізати ножем, поверхня зрізу буде блискучою і сріблястою, але вона змінюється на тьмяно-сіру, коли метал реагує з киснем повітря (рис. 6.31). Ці лужні метали (утворені атомами хімічних елементів 1-ї групи періодичної таблиці) є агресивними та вибухонебезпечними. Зміна кольору калію відбувається за лічені секунди, а натрію — за лічені хвилини:

натрій + кисень → натрій оксид

Рис. 6.31. Блискуча поверхня натрію швидко тьмяніє на повітрі

Шар оксиду захищає кальцій, магній і цинк від реакції з киснем повітря. Якщо тільки ці метали не нагрівають за допомогою бунзенівського пальника, у якому кальцій горить червоним полум'ям, а магній — білим полум'ям. Залізо реагує з киснем повітря з утворенням тьмяного чорного шару оксиду Феруму (рис. 6.32), а мідь — з утворенням тьмяного чорного шару оксиду Купруму (рис. 6.33). Срібло і золото не реагують з киснем.

Рис. 6.32. За наявності вологи залізо повільно реагує з киснем повітря з утворенням оранжево-коричневої іржі

Рис. 6.33. Графічна схема взаємодії міді з киснем

Попрактикуйтеся

7. Цинк оксид білого кольору. Спрогнозуйте, як цинк реагуватиме з киснем повітря. Складіть рівняння цієї реакції.

8. Поясніть, чому натрій і калій зберігають в атмосфері інертного газу або під шаром гасу.

Наука в дії. Елементи живлення

Сьогодні існує безліч різних типів елементів живлення, деякі з них були розроблені ще в XIX столітті, а інші лише десятиріччя тому (рис. 6.34). До елементів живлення належать як одноразові батарейки, так і акумуляторні батареї. Батарейки класифікують за вмістом певних металів, зокрема, існують хлорно-цинкові, ртутні, срібні, літієві.

Рис. 6.34. Акумулятор цього раннього мобільного телефону був настільки великим і важким, що телефон мав ручку для перенесення

На кожній батарейці зазначають марковання, що попереджає про небезпеку їх утилізації разом із побутовими відходами, оскільки вони містять важкі метали (свинець, кадмій, ртуть), кислоти та луги, що можуть забруднювати навколишнє середовище та завдавати шкоди здоров'ю. Наприклад, ртутні та літієві батарейки становлять екологічну загрозу через уміст ртуті та літію, зокрема літій може взаємодіяти з киснем повітря і спалахувати. В Україні питання збору та утилізації відпрацьованих батарейок стає дедалі актуальнішим. В багатьох містах уже діють пункти прийому відпрацьованих елементів живлення, що не лише допомагає розв'язувати екологічні проблеми, але й дає змогу використовувати батарейки як джерело цинку, мангану, графіту, нікелю тощо.

Завдання 6.3. Дослідження реакційної здатності металів

Порівняйте реакційну здатність деяких металів, за отриманими результатами розташуйте їх у порядку зростання активності, а потім співставте ваш результат з рядом активності металів. Метали, які ви будете тестувати: залізо, мідь, цинк, магній.

1. Зробіть прогноз — який метал з цього переліку, на вашу думку, буде найбільш реакційноздатним, а який — найменш реакційноздатним? Чому?
2. Підготуйте обладнання та матеріали, які вам знадобляться для цього експерименту.
3. Складіть покроковий план експерименту.
4. Оцініть ризики, щоб виявити будь-які небезпеки, які можуть виникнути під час проведення цього експерименту, й опишіть, як ви будете контролювати ці ризики.
5. Складіть таблицю результатів цього дослідження.
6. Здійсніть спланований експеримент.
7. Зробіть висновок. Проаналізуйте результати і порівняйте їх з вашим початковим прогнозом. Опишіть точність вашого прогнозу, зважаючи на результати, і з'ясуйте, чи точним він був.