Хімія. Повторне видання (2025). 8 клас. Попель
§ 42. Метали як реагенти. Окисно-відновні реакції
У хімічному кабінеті/лабораторії кислоти та їх розчини містяться у скляних ємностях. А чому не в металевих? Адже скляна пляшка може розбитися і кислота або її розчин — вилитися на підлогу й пошкодити її. Почуєте від учителя/учительки відповідь: метал реагує з кислотою, а скло — ні. З огляду на таку хімічну властивість металів квашену капусту не зберігають в алюмінієвому посуді.
Дізнаєтеся, зрозумієте, використаєте
- Як можна визначити хімічну активність металу?
- Які зміни відбуваються з речовинами під час окисно-відновних реакцій?
Хімічні властивості металів. Багато металів є хімічно активними. Вони реагують з неметалами, складними речовинами. У будь-якій реакції за участю металу його атоми перетворюються на катіони:
М - nе- → Мn+.
Про реакції кількох металів із киснем з утворенням оксидів ішлося в § 7. Розглядали ми і явище корозії (§ 12) — руйнування металів унаслідок їх хімічної взаємодії з речовинами довкілля (киснем, водою, вуглекислим газом). Ви також дізналися про реакції металів із сіркою; їх продуктами є сполуки, загальна назва яких — сульфіди (§ 20).
Виконаймо вправу
Складіть рівняння реакцій: а) магнію з киснем; б) алюмінію із сіркою. Візьміть до уваги те, що продукти обох хімічних перетворень складаються з йонів, у яких на зовнішньому енергетичному рівні перебуває 8 електронів.
Найбільшу хімічну активність виявляють лужні метали. Реакції за їх участю супроводжуються виділенням значної кількості теплоти, а нерідко й появою полум’я (мал. 111, 112). Спостерігати, як взаємодіють літій, натрій і калій з водою, ви можете за покликанням у QR-коді (https://h8.academiabook.club/р-42-video.html).
video
Мал. 111. Реакція натрію з хлором
Мал. 112. Реакція калію з водою
Кілька металів є хімічно пасивними. Вони не взаємодіють із більшістю речовин. Реакції, які відбуваються за участю цих металів, часто потребують створення певних, іноді екстремальних, умов. Серед найпасивніших металів — золото. Воно реагує лише з галогенами і не взаємодіє з киснем та іншими неметалами.
Відносну хімічну активність металів ілюструє ряд активності металів. Його склав за результатами багатьох експериментів дослідник М. Бекетов у 1865 р. Що лівіше в цьому ряді перебуває метал, то більшу хімічну активність він виявляє. Наводимо ряд активності металів у сучасному вигляді (див. також форзац II підручника):
Упевнені, що ви поцікавитеся, чому в ряду металів міститься неметал водень. Багато металів реагує з кислотами — речовинами, у складі молекул яких є атоми Гідрогену. Водень — продукт таких реакцій за участю хлоридної кислоти НСl, розчину сульфатної кислоти H2SO4:
2Аl + 6НСl = 2АlСl3 + 3H2↑;
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2↑.
Микола Бекетов
(1827-1911)
Вітчизняний хімік. Дослідив реакції солей у водних розчинах з металами. Запропонував ряд активності металів (1865). Розробив та описав один із методів одержання металів — металотермію. Сприяв становленню фізичної хімії — однієї з хімічних наук. Працював професором у Харківському університеті (1855-1887), уперше читав курс лекцій з фізичної хімії як самостійної науки.
Метали, які перебувають у ряду активності праворуч від водню, не взаємодіють із цими кислотами, а ті, що перебувають ліворуч, — реагують.
Обговорюймо
Зверніть увагу на розміщення в ряду активності калію і натрію (метали, утворені хімічними елементами І групи), а також барію, кальцію і магнію (метали, утворені хімічними елементами II групи). Зробіть висновок щодо зміни хімічної активності металів залежно від розміщення відповідних хімічних елементів у кожній групі періодичної таблиці.
Результат досліду, у якому мідь взаємодіє зі сполукою Аргентуму, розчиненою у воді, подано на малюнку 113. У цій реакції більш активний метал (мідь) є реагентом, а менш активний (срібло) — продуктом:
Cu + 2AgNO3 = 2Ag + Cu(NO3)2.
Мал. 113. Реакція міді з речовиною AgNO3 в розчині
Окисно-відновні реакції. Якщо метал кальцій нагріти в повітрі до 300 °С, то він загориться. Рівняння цієї реакції:
2Са + О2 = 2СаО.
Кальцій оксид СаО складається з йонів Са2+ і О2-. Отже, під час реакції кожний атом Кальцію втрачає два електрони і перетворюється на катіон:
Са - 2е- = Са2+.
Атоми Оксигену молекул кисню приєднують по два електрони і перетворюються на аніони О2-:
О + 2е- = О2-.
Процес втрати електронів речовиною є окисненням, а процес приєднання електронів — відновленням.
Реакцію, під час якої реагенти обмінюються електронами, називають окисно-відновною реакцією.
Виконаймо вправу
Літій реагує із сіркою згідно з рівнянням 2Li + S = Li2S. Запишіть схеми окиснення і відновлення до цієї реакції. Яка речовина окиснюється, а яка відновлюється?
Речовину, що окиснюється, називають відновником, а речовину, яка відновлюється, — окисником.
Атоми металу в хімічній реакції віддають електрони атомам або йонам другого реагенту. Метал завжди виконує функцію відновника; він окиснюється.
Щоб запам’ятати наведені терміни, скористайтеся таблицею 7.
Таблиця 7
Характеристика реагентів і процесів в окисно-відновній реакції
|
Реагенти |
Функція реагенту |
Назва процесу перетворення реагенту |
|
Речовина, яка втрачає електрони |
Відновник |
Окиснення |
|
Речовина, яка отримує електрони |
Окисник |
Відновлення |
Думаймо
Назвіть функції реагентів і процеси їх перетворення в реакції
Fe2O3 + 2Аl =t Аl2О3 +2Fe.
Варто знати
Якщо реагентом є проста речовина — метал або неметал, то реакція є окисно-відновною.
Чадний газ горить у повітрі:
2СO + O2 =t 2СО2.
Це — також окисно-відновна реакція, хоча атоми Карбону та Оксигену, які є в молекулах реагентів, залишаються атомами і «переходять» у молекули вуглекислого газу. Кисень — окисник, він відновлюється, а чадний газ — відновник, він окиснюється. Для того щоб визначити, чи є реакція, зокрема за участю складних речовин, окисно-відновною, використовують термін «ступінь окиснення хімічного елемента». Про нього ви можете дізнатися з текстового фрагмента за покликанням у QR-коді (https://h8.academiabook.club/p-42-text-1.html).
text
Теорію окисно-відновних реакцій, яку було названо електронно-йонною теорією, розробив у 1914 р. вітчизняний науковець Л. Писаржевський.
Лев Писаржевський
(1874-1938)
Український хімік, академік. Автор теорії окисно-відновних реакцій, в основі якої — уявлення про перехід електронів від одних частинок до інших (1914). Розробив основи електронної теорії каталізу. Професор Київського політехнічного інституту (1908-1911), катеринославських (нині — дніпровські) вищих навчальних закладів — гірничого інституту й університету. Із 1927 р. — директор створеного за його ініціативою Українського інституту фізичної хімії (тепер — Інститут фізичної хімії НАН України ім. Л. В. Писаржевського).
Зверніть увагу на таку особливість окисно-відновної реакції: скільки електронів втрачають частинки одного реагенту, стільки ж їх приєднують частинки другого реагенту. Перевірте це, використавши рівняння реакцій кальцію з киснем і літію із сіркою.
ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ
Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про хімічну активність металів та особливості окисно-відновних реакцій.
Думаймо
Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам/однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.
ВАШІ ДОСЯГНЕННЯ І ВІДКРИТТЯ
Перевірмо себе
1. Охарактеризуйте зміни, які відбуваються з атомами металу, що бере участь у хімічній реакції.
2. Напишіть рівняння реакції натрію з хлором. Які частинки речовин втрачають електрони, а які — приєднують? Назвіть окисник і відновник.
3. Відшукайте в ряду активності метали, утворені елементами 3-го періоду. Як змінюється їхня хімічна активність залежно від розміщення відповідних елементів у періоді?
Поміркуймо
4. Які чотири метали, наявні в ряду активності, на відміну від інших трапляються в природі? Спробуйте пояснити цей факт.
Виконаймо вправу
5. Складіть рівняння реакції літію з воднем, якщо продукт реакції містить йони, електронна будова яких така сама, що й атома Гелію. Напишіть схеми окиснення і відновлення.
6. Запишіть замість крапок, скільки електронів приєднують або втрачають йони, і вкажіть процеси окиснення та відновлення:
a) 2F- ... → F2;
б) Fe3+ ... → Fe2+.
7. Перетворіть схему реакції CuO →t Cu2O + O2↑ на хімічне рівняння. Чи є ця реакція окисно-відновною? Якщо так, то назвіть частинку-окисник і частинку-відновник.
8.* Визначте, якого металу — магнію чи алюмінію — буде витрачено менше в реакції з хлоридною кислотою для одержання певної кількості водню.
Розв’язуймо задачу
9. Обчисліть об’єм водню (н. у.), який утворився внаслідок реакції алюмінію кількістю речовини 0,1 моль з достатньою кількістю хлоридної кислоти. Використайте наведене в параграфі хімічне рівняння цієї реакції.
Формуймо словничок
10. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.
Оцінюймо свої знання
11. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.
Експериментуємо в хімічному кабінеті/лабораторії
ДОСЛІДЖУЄМО ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ
Вам видано метали — мідь, залізо, цинк, магній (шматочки дроту, стружка, гранули), розведену водою йодну настоянку (спиртовий розчин йоду I2), хлоридну кислоту (водний розчин хлороводню НСl з його масовою часткою 10 %), водний розчин речовини СuСl2, штатив із пробірками, пінцет, пробіркотримач, спиртівку або сухе пальне, керамічну підставку, сірники.
Виконайте запропоновані досліди, дотримуючись правил безпеки. Спостереження, хімічні рівняння і висновки запишіть у зошит.
Дослід 1
Візьміть пінцетом мідну дротину і внесіть її у верхню частину полум’я спиртівки чи сухого пального. Який зовнішній ефект свідчить про перебіг хімічної реакції?
Складіть рівняння реакції металу з киснем повітря. Візьміть до уваги, що продукт реакції містить двозарядні катіони. Зазначте речовину-окисник і речовину-відновник.
Дослід 2
Помістіть в одну пробірку зразок міді, у другу — стружку заліза і додайте до кожного металу йодну настоянку об’ємом 1—2 мл. Чи помічаєте зміни в пробірках?
Нагрійте кілька разів вміст кожної пробірки, але не до кипіння рідини. Що спостерігаєте?
Складіть хімічні рівняння. Візьміть до уваги, що продукт однієї реакції має формулу СuI, а другої — FeI2. Укажіть процеси окиснення і відновлення.
Дослід 3
Помістіть в одну пробірку гранулу цинку, у другу — стружку магнію, а в третю — зразок міді. Додайте в кожну пробірку хлоридну кислоту об’ємом 1—2 мл. Що спостерігаєте? Який метал найактивніше реагує з кислотою?
Уміст пробірок, де реакція не відбувається або відбувається повільно, нагрійте, але не до кипіння рідини. Чи помічаєте зміни в пробірках?
Напишіть рівняння реакцій. Чи узгоджується результат досліду з розміщенням металів у ряду активності?
Дослід 4
Помістіть в одну пробірку гранулу цинку, в другу — стружку заліза. Налийте в кожну пробірку розчин речовини СuСl2 об’ємом 1 мл і протягом 2—3 хв спостерігайте за змінами в пробірках.
Опишіть зовнішні ефекти реакцій і складіть хімічні рівняння.
Експериментуємо вдома
ДОСЛІДЖУЄМО ВЗАЄМОДІЮ ЗАЛІЗА З ЛИМОННОЮ КИСЛОТОЮ
Приготуйте водний розчин лимонної кислоти. Для цього розчиніть 1/2 чайної ложки лимонної кислоти у воді об’ємом 10—15 мл.
У пробірку або невелику термостійку склянку помістіть залізну скріпку, цвях або дротину і додайте розчин кислоти. Спостерігайте за сумішшю речовин протягом 1—2 хв. Чи відбуваються зміни в ній?
Помістіть пробірку чи склянку з сумішшю речовин у посудину з водою, яка щойно закипіла. (Вміст пробірки можете нагріти в полум’ї свічки майже до кипіння.) Що спостерігаєте?
Чи узгоджується результат експерименту з розміщенням заліза в ряду активності металів?
Як взаємодія металу з кислотою залежить від температури?
