Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Металлы в реакциях всегда отдают электроны, то есть они восстановители. С чем и насколько легко реагирует металл, подсказывает ряд активности (электрохимический ряд напряжений): чем левее металл, тем он активнее.
Подробное объяснение
Железный гвоздь, опущенный в голубой раствор медного купороса, через пару минут покрывается красным налётом меди. Почему железо «выгоняет» медь из соли, а медь железо — нет? Ответ — в разной активности металлов.
Металлы — восстановители
У атомов металлов на внешнем слое мало электронов, и держатся они слабо. В любой реакции металл отдаёт их и повышает степень окисления. Окислитель — тот, кто электроны забирает: кислород, хлор, сера, ионы \(\mathrm{H^+}\) кислот и воды, катионы менее активных металлов.
Ряд активности
Русский химик Н. Н. Бекетов сравнивал, какой металл вытесняет какой из растворов солей, и выстроил металлы в ряд:
Слева направо восстановительная способность металлов падает, а способность их катионов принимать электроны растёт. В ряд поставлен и водород — он делит металлы на те, что вытесняют его из кислот, и те, что не вытесняют.
1. С неметаллами
С кислородом металлы дают оксиды, с хлором — хлориды, с серой — сульфиды. Активным металлам часто хватает небольшого нагрева, малоактивным нужна высокая температура, а золото и платина с кислородом не реагируют вовсе.
Сильный окислитель (хлор) переводит железо в +3, более слабый (сера) — только в +2: \(\mathrm{Fe + S \rightarrow FeS}\).
2. С водой
Щелочные и щёлочноземельные металлы реагируют с водой уже при комнатной температуре, получаются щёлочь и водород:
Металлы средней активности реагируют только с раскалённым паром, и вместо гидроксида получается оксид: \(\mathrm{3Fe + 4H_2O \xrightarrow{t} Fe_3O_4 + 4H_2}\).
3. С растворами кислот
Металлы левее водорода вытесняют его: \(\mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow}\). Условия: соль должна быть растворимой (свинец почти не растворяется в серной кислоте — \(\mathrm{PbSO_4}\) закрывает его плёнкой). Концентрированная серная и азотная кислоты окисляют металлы иначе — за счёт серы и азота, водорода при этом нет.
4. С растворами солей
Металл вытесняет из раствора соли все металлы, стоящие правее него: \(\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}\). Щелочные и щёлочноземельные металлы так не работают — они реагируют с водой раствора.
5. С оксидами — алюминотермия
При нагревании активный металл отнимает кислород у оксида менее активного. Чаще всего берут алюминий:
Смесь порошков алюминия и \(\mathrm{Fe_2O_3}\) — термит. Она сгорает с выделением столько теплоты, что железо получается жидким; так сваривают рельсы.
Как решать задачи
- Найдите металлы в ряду активности и решите, идёт ли реакция.
- Запишите уравнение и расставьте коэффициенты (для ОВР — электронный баланс).
- Переведите данные в моли: \(n = m/M\) или \(n = V/V_m\).
- По коэффициентам найдите количество искомого вещества, затем массу или объём.
- Если металл реагирует с водой, вычтите из массы раствора массу улетевшего водорода.
Разобранные примеры
Пойдёт ли реакция
Какие реакции возможны: цинк с раствором нитрата свинца, медь с соляной кислотой, серебро с раствором сульфата меди(II)? Запишите уравнения.
Цинк левее свинца — вытесняет его:
Хром алюминотермией
Сколько граммов хрома можно получить из 38 г оксида хрома(III) и сколько для этого нужно алюминия?
- \(m(\mathrm{Cr_2O_3}) = 38\) г
- \(m(\mathrm{Cr})\)
- \(m(\mathrm{Al})\).
\[\mathrm{2Al + Cr_2O_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 2Cr}\]\(M(\mathrm{Cr_2O_3}) = 152\) г/моль
- \(n = \dfrac{38}{152} = 0{,}25\) моль. \(n(\mathrm{Cr}) = n(\mathrm{Al}) = 0{,}5\) моль; \(m(\mathrm{Cr}) = 0{,}5 \cdot 52 = 26\) г
- \(m(\mathrm{Al}) = 0{,}5 \cdot 27 = 13{,}5\) г
Пластинка стала легче
Цинковую пластинку опустили в раствор сульфата меди(II). Масса пластинки уменьшилась на 0,1 г. Сколько граммов меди осело на ней?
- \(\Delta m = 0{,}1\) г
- \(m(\mathrm{Cu})\).
\[\mathrm{Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu}\]Растворяется 1 моль цинка (65 г)
- оседает 1 моль меди (64 г) — пластинка теряет \(65 - 64 = 1\) г на моль. \(n = \dfrac{0{,}1}{1} = 0{,}1\) моль
- \(m(\mathrm{Cu}) = 0{,}1 \cdot 64 = 6{,}4\) г
Типичные ошибки
Натрий левее меди, но в растворе он сначала реагирует с водой. Медь не выделяется, а выпадает голубой осадок гидроксида.
\(\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}\), затем \(\mathrm{CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4}\). Правило вытеснения применяют к металлам от магния и правее.
Ион \(\mathrm{H^+}\) — слабый окислитель, он отнимает у железа только два электрона.
\(\mathrm{Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow}\). Хлорид железа(III) получается при реакции с хлором: \(\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}\).
Медь стоит правее водорода и не может его вытеснить.
С соляной и разбавленной серной кислотами медь не реагирует. Её растворяют кислотами-окислителями — азотной или концентрированной серной, водород при этом не выделяется.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какую роль играют металлы — простые вещества — в химических реакциях?
Показать ответ
Ответ: Б) Только восстановители
Атомы металлов только отдают электроны, \(\mathrm{M^0 - ne^- \rightarrow M^{n+}}\), поэтому металлы — восстановители.
-
Какие металлы вытесняют водород из соляной кислоты?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Цинк; В) Железо; Д) Алюминий
Водород вытесняют металлы, стоящие в ряду активности левее водорода, — Zn, Fe, Al; медь и серебро стоят правее.
-
Какая реакция протекает в растворе?
Показать ответ
Ответ: Б) Fe + CuSO₄
Железо левее меди в ряду активности и вытесняет её, \(\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}\); в остальных случаях металл менее активен, чем тот, что в соли, или стоит правее водорода.
-
Что произойдёт, если кусочек натрия бросить в раствор сульфата меди(II)?
Показать ответ
Ответ: В) Выделится водород и выпадет голубой осадок Cu(OH)₂
Натрий реагирует с водой раствора, \(\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}\), а щёлочь осаждает \(\mathrm{Cu(OH)_2}\).
-
Сколько моль алюминия нужно, чтобы полностью восстановить 1 моль оксида железа(III)?
Показать ответ
Ответ: 2
По уравнению \(\mathrm{2Al + Fe_2O_3 \rightarrow Al_2O_3 + 2Fe}\) на 1 моль оксида идёт 2 моль алюминия.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Какие из металлов — железо, медь, цинк, серебро — реагируют с соляной кислотой? Запишите уравнения возможных реакций.
Подсказка
Посмотрите, где стоит каждый металл относительно водорода в ряду активности.
Решение
Водород из кислоты вытесняют металлы, стоящие в ряду активности левее водорода, — это цинк и железо:
Ответ
Какой объём водорода (н. у.) выделится при растворении 6 г магния в избытке соляной кислоты?
Подсказка
Количество вещества водорода равно количеству вещества магния.
Решение
- \(m(\mathrm{Mg}) = 6\) г
- \(V(\mathrm{H_2})\).
\[\mathrm{Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2\uparrow}\]\(n(\mathrm{Mg}) = \dfrac{6}{24} = 0{,}25\) моль
- \(n(\mathrm{H_2}) = 0{,}25\) моль. \(V(\mathrm{H_2}) = 0{,}25 \cdot 22{,}4 = 5{,}6\) л
Ответ
Составьте электронный баланс для реакции железа с хлором. Почему продукт — хлорид железа(III), а не железа(II)?
Решение
\(\mathrm{Fe^0 - 3e^- \rightarrow Fe^{+3}}\) | 2 — окисление, железо — восстановитель; \(\mathrm{Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}}\) | 3 — восстановление, хлор — окислитель. Хлор — сильный окислитель, он отнимает у железа три электрона. Со слабым окислителем, например с ионами \(\mathrm{H^+}\) соляной кислоты, железо отдаёт только два и даёт \(\mathrm{FeCl_2}\).
Ответ
Железную пластинку опустили в раствор сульфата меди(II). Через некоторое время её масса увеличилась на 0,8 г. Какая масса меди осела на пластинке?
Подсказка
Найдите, на сколько граммов меняется масса пластинки, когда реагирует 1 моль железа.
Решение
- \(\Delta m = 0{,}8\) г
- \(m(\mathrm{Cu})\).
\[\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}\]На каждый моль растворившегося железа (56 г) оседает моль меди (64 г): масса растёт на \(64 - 56 = 8\) г. \(n = \dfrac{0{,}8}{8} = 0{,}1\) моль
- \(m(\mathrm{Cu}) = 0{,}1 \cdot 64 = 6{,}4\) г
Ответ
Подожгли термитную смесь из 80 г оксида железа(III) и 30 г алюминия. Какая масса железа получится? Какое вещество осталось в избытке и сколько его граммов?
Подсказка
Сначала определите, какого вещества не хватает, и считайте по нему.
Решение
- \(m(\mathrm{Fe_2O_3}) = 80\) г
- \(m(\mathrm{Al}) = 30\) г
- \(m(\mathrm{Fe})\)
- избыток.
\[\mathrm{2Al + Fe_2O_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 2Fe}\]\(n(\mathrm{Fe_2O_3}) = \dfrac{80}{160} = 0{,}5\) моль
- \(n(\mathrm{Al}) = \dfrac{30}{27} \approx 1{,}11\) моль. На 0,5 моль оксида нужно \(2 \cdot 0{,}5 = 1\) моль алюминия — алюминий в избытке
- расчёт по оксиду. \(n(\mathrm{Fe}) = 2 \cdot 0{,}5 = 1\) моль
- \(m(\mathrm{Fe}) = 56\) г. Осталось алюминия \(30 - 1 \cdot 27 = 3\) г
Ответ
В 95,6 г воды бросили 4,6 г натрия. Найдите массовую долю гидроксида натрия в полученном растворе.
Подсказка
Не забудьте, что водород улетает и масса раствора уменьшается.
Решение
- \(m(\mathrm{H_2O}) = 95{,}6\) г
- \(m(\mathrm{Na}) = 4{,}6\) г
- \(w(\mathrm{NaOH})\).
\[\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}\]\(n(\mathrm{Na}) = \dfrac{4{,}6}{23} = 0{,}2\) моль
- \(n(\mathrm{NaOH}) = 0{,}2\) моль
- \(m(\mathrm{NaOH}) = 0{,}2 \cdot 40 = 8\) г. \(n(\mathrm{H_2}) = 0{,}1\) моль
- \(m(\mathrm{H_2}) = 0{,}2\) г. \(m(\text{р-ра}) = 95{,}6 + 4{,}6 - 0{,}2 = 100\) г
- \(w = \dfrac{8}{100} \cdot 100\% = 8\%\)
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Ряд активности — это «турнирная таблица»: тот, кто стоит левее, сильнее и выгоняет из соли того, кто правее. Опыт: опустите очищенный железный гвоздь в раствор медного купороса (продаётся для сада) — через несколько минут он покроется медью. Работайте в перчатках, раствор потом не выливайте в раковину.
Вопросы для проверки понимания: 1) Почему медь не реагирует с соляной кислотой, а цинк реагирует? 2) Можно ли хранить медный купорос в оцинкованном ведре? 3) Что такое термит и зачем он нужен?
На что обратить внимание. Ребёнок должен уметь пользоваться рядом активности, а не заучивать реакции. Проверьте, что он помнит исключения: щелочные металлы в растворах солей реагируют с водой, а соль в реакциях с кислотами должна быть растворимой.