Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au

Ряд стандартных электродных потенциалов металлов.

По своим химическим свойствам все металлы являются восстановителями, все они сравнительно легко отдают валентные электроны, переходят в положительно заряженные ионы, то есть окисляются. Восстановительную активность металла в химических реакциях, протекающих в водных растворах, отражает его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов, или ряду стандартных электродных потенциалов металлов.

Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au

Чем левее стоит металл в ряду стандартных электродных потенциалов, тем более сильным восстановителем он является, самый сильный восстановитель – металлический литий, золото – самый слабый, и, наоборот, ион золото (III) – самый сильный окислитель, литий (I) – самый слабый.

Каждый металл способен восстанавливать из солей в растворе те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него, например, железо может вытеснять медь из растворов ее солей. Однако следует помнить, что металлы щелочных и щелочно-земельных металлов будут взаимодействовать непосредственно с водой.

Металлы, стоящее в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов разбавленных кислот, при этом растворяться в них.

Восстановительная активность металла не всегда соответствует его положению в периодической системе, потому что при определении места металла в ряду учитывается не только его способность отдавать электроны, но и энергия, которая затрачивается на разрушение кристаллической решетки металла, а также энергия, затрачиваемая на гидратацию ионов.

По активности металлы условно делятся на активные, средней активности и малоактивные.

2. Взаимодействие с простыми веществами.

1. С кислородом большинство металлов образует оксиды – амфотерные и основные:

4Li + O₂ = 2Li₂O,

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃.

Щелочные металлы, за исключением лития, образуют пероксиды:

2Na + O₂ = Na₂O₂.

1. С галогенами металлы образуют галогениды (соли галогеноводородных кислот), например,

2K + Br₂ → 2KBr (взрыв)

2Al + 3Br₂ → 2AlBr₃ (горит)

Другие металлы реагируют менее энергично.

Cu + Cl₂ = CuCl₂.

1. С водородом самые активные металлы образуют ионные гидриды – солеподобные вещества, в которых водород имеет степень окисления − 1.

2Na + H₂ = 2NaH.

1. Все металлы (кроме Au) реагируют с серой образуют сульфиды (соли сероводородной кислоты), причем их активность соответствует положению в ряду напряжений.

Zn + S = ZnS.

1. С азотом некоторые металлы образуют нитриды, реакция практически всегда протекает при нагревании:

3Mg + N₂ = Mg₃N₂.

1. С углеродом образуются карбиды:

4Al + 3C = Al₄C₃.

1. С фосфором – фосфиды:

3Ca + 2P = Ca₃P₂.

1. Металлы могут взаимодействовать между собой, образуя интерметаллические соединения:

2Na + Sb = Na₂Sb,

3Cu + Au = Cu₃Au.

1. Металлы могут растворяться друг в друге при высокой температуре без взаимодействия, образуя сплавы.

 

3. Взаимодействие со сложными веществами.

1. Металлы взаимодействуют с водой.

В реакциях с водой атомы металлических элементов отдают электроны и являются восстановителями. Окислителями являются атомы водорода из молекул воды.

а) Активные металлы бурно взаимодействуют с водой при комнатной температуре с образованием щелочей и водорода:

2Li + 2H₂O = 2LiOH + H₂↑;

Ba + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂↑.

Поверхность таких металлов, как, например, магний и алюминий, защищена плотной пленкой соответствующего оксида. Это препятствует протеканию реакции с водой. Однако если эту пленку удалить или нарушить ее целостность, то эти металлы также активно вступают в реакцию. Например, порошкообразный магний реагирует с горячей водой:

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂↑.

б) При повышенной температуре с водой вступают в реакцию и менее активные металлы: Zn, Fe, Mn и др. с образованием соответствующих оксидов и водорода. Они медленно разлагают воду и процесс тормозится из-за образования нерастворимых веществ. Например, при пропускании водяного пара над раскаленными железными стружками протекает реакция:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑.

в) Металлы, содержащиеся после Н в электрохимическом ряду напряжения металлов с водой не реагируют и водород не вытесняют.

1. Металлы взаимодействуют с растворами солей.

Активные металлы вытесняют менее активные металлы из состава солей. Определить это можно по ряду активности металлов. Продуктами реакции являются новая соль и новый металл. Так, если железную пластинку погрузить в раствор меди (II) сульфата, через некоторое время на ней выделится медь в виде красного налета:

Feº + Cu⁺²SO₄ → Fe⁺²SO4 + Cuº.

Но если в раствор меди (II) сульфата погрузить серебряную пластину, то никакой реакции не произойдет:

Ag + CuSO₄ ≠.

Для проведения таких реакции нельзя брать слишком активные металлы (от лития до натрия), которые предпочитают реагировать с водой, а не с солью.

3. Металлы взаимодействуют с растворами кислот.

Это сложные реакции, продукты взаимодействия зависят от активности металла, от вида и концентрации кислоты и от температуры.

а) С большинством кислот, которые обладают невысокой окислительной способностью (кроме H₂SO₄(конц.), HNO₃(разб.), HNO₃ (конц.)), металлы, стоящие в ряду активности до водорода, реагируют с образованием солей и водорода, окислителем здесь является H⁺.

Активные металлы (К, Na, Са, Mg) реагируют с растворами кислот очень бурно (с большой скоростью):

Ca + 2HCl = CaCl₂ + H₂↑;

2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑;

Cu + H₂SO₄(разб.) ≠.

Малоактивные металлы часто практически не растворяются в кислотах. Это обусловлено образованием на их поверхности пленки нерастворимой соли. Например, свинец, стоящий в ряду активности до водорода, практически не растворяется в разбавленной серной и соляной кислотах вследствие образования на его поверхности пленки нерастворимых солей (PbSO₄ и PbCl₂).

б) С кислотами, обладающие высокой окислительной способностью (H₂S⁺⁶O₄(конц.), HN⁺⁵O₃(разб.), HN⁺⁶O₃ (конц.)), реагируют металлы, стоящие в ряду активности не только до, но и после водорода (кроме Au, Pt и некоторых других). В этих кислотах окислителями являются анионы кислоты. При этом обязательно образуется соль и вода, а также в зависимости от активности металлы ещё и третий продукт – соединение кислотообразующего элемента (S или N): чем активнее металл, тем более восстановленный кислотообразующий элемент в соединении.

K

Ca

Na

Mg

Al*

Mn

Zn

Fe*

Co

Cr*

Ni

Sn

Pb

Cu

Hg

H2S+6O4 (конц.)

H2S

H2S, S*

S

S

SO2*

SO2

SO2*

SO2

HN+5O3 (разб.)

NH4NO3

N2

N2O

N2O

NO

HN+6O3 (конц.)

N2

N2O

пас*

NO

NO2

пас*

NO2

пас*

NO2

*Концентрированные серная и азотная кислоты на холоде пассивирует алюминий, железо, хром, а в горячая H2S+6O4(конц.) с ними реагирует.

 

2H₂SO₄(конц.) + Cu = CuSO₄ + SO₂ ↑ + 2H₂O

4HNO₃(конц.) + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

8HNO₃(разб.) + 3Cu = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

4HNO₃(конц.) + Zn = Zn(NO₃)₂ + 2NO₂+2H₂O

12HNO₃(разб.) + 5Zn = 5Zn(NO₃)₂ + N₂ + 6H₂O

10HNO₃(разб.) + 4Ca = 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Если металлы обладают переменной валентностью, то с кислотами I группы металлы приобретают низшую положительную степень окисления: Fe → Fe²⁺, Cr → Cr²⁺. При взаимодействии с кислотами II группы – степень окисления +3: Fe → Fe³⁺, Cr → Cr³⁺, т.е. при этом никогда не выделяется водород.

Некоторые металлы (Fe, Cr, Al, Ti, Ni и др.) в растворах сильных кислот, окисляясь, покрываются плотной оксидной плёнкой, которая защищает металл от дальнейшего растворения (пассивация), но при нагревании оксидная плёнка растворяется, и реакция идёт.

4. Металлы взаимодействуют с оксидами других металлов.

Более активные металлы при нагревании восстанавливают менее активные металлы из их оксидов:

4Al + 3MnO₂ = 3Mn + Al₂O₃$

2Mg + TiO₂ = Ti + 2MgO.

5. Металлы взаимодействуют с щелочами.

Со щелочами могут взаимодействовать металлы, дающие амфотерные гидрооксиды или обладающие высокими степенями окисления в присутствии сильных окислителей.

а) При взаимодействии металлов с растворами щелочей образуются комплексные соли и водород, окислителем является вода.

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑

Тетрагидроксоцинкат натрия

2Al + 2KOH + 6H₂O = 2K[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Тетрагидроксоалюминат калия

б) При сплавлении металлов с твёрдыми щелочами образуются средние соли и водород:

Zn + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂↑

Цинкатат натрия

6. Активные металлы взаимодействуют с некоторыми органическими соединениями.

2C₂H₅−OH + 2Na = 2C₂H₅ONa + H₂↑

2CH₃Cl + 2Na = C₂H₆ + 2NaCl

2C₆H₅−OH + 2Na = 2C₆H₅−ONa + H₂↑

 

Вопросы: (для контроля знаний)

1. Как по активности различаются металлы?
2. С какими простыми веществами вступают металлы в реакцию и что при этом образуется?
3. Как металлы реагируют с водой? Что при этом образуется?
4. С какими солями металлы вступают в реакцию? Что при этом образуется?
5. Как с кислотами реагируют металлы? Что при этом образуется?
6. Как с оксидами и щелочами реагируют металлы? Что при этом образуется?

Список используемых источников:

1. О.С. Габриелян и др. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учебник для общеобразовательных учреждений; Дрофа, Москва, 2008г.;
2. «Репетитор по химии» под редакцией А. С. Егорова; «Феникс», Ростов-на-Дону, 2006г;
3. Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. Химия 11 кл. М., Просвещение, 2001;
4. https://studopedia.ru/1_120870_himicheskie-svoystva-metallov.html
5. https://abouthist.net/metally-2/himicheskie-svojstva-metallov.html
6. https://uclg.ru/education/himiya/lecture_himicheskie_svoystva_metallov.html
7. https://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/neorg/uchpos/text/g1_3_9.html