§ 36. Ряд активності металів. Реакції заміщення
Пригадайте: прості речовини складаються з атомів одного хімічного елемента, їх поділяють на метали та неметали; для металів характерний металічний блиск, електропровідність, пластичність тощо.
Поняття про ряд активності металів
У багатьох хімічних реакціях беруть участь прості речовини, зокрема, метали. Метали можуть взаємодіяти майже з усіма класами неорганічних сполук, що вивчаються в шкільному курсі хімії. Однак різні метали виявляють різну активність у хімічних взаємодіях, і від цього залежить, відбуватиметься реакція чи ні.
Чим більша активність металу, тим енергійніше він взаємодіє з іншими речовинами. За активністю всі метали можна розташувати в ряд, який називається рядом активності металів (витискувальним рядом металів, рядом напруг металів, електрохімічним рядом напруг металів). Цей ряд уперше склав і дослідив видатний український учений Μ. М. Бекетов, тому цей ряд має ще одну назву — ряд Бекетова.
Ряд активності металів Бекетова має такий вигляд (повніший ряд див. на форзаці):
Російський і український хімік, засновник української школи фізичної хімії, академік Петербурзької академії наук з 1886 р. Народився в селі Нова Бекетовка Пензенської губернії в родині морського офіцера. Закінчив Казанський університет, працював у Петербурзі в Медично-хімічній лабораторії. Викладав хімію цесаревичу — майбутньому імператору Миколі II. Із 1855 р. професор Харківського імператорського університету, де за його пропозицією у 1864 р. було відкрите перше в Україні фізико-хімічне відділення. Саме там уперше у світі він почав викладати фізичну хімію як окрему дисципліну. Бекетов відкрив спосіб відновлення металів з їхніх оксидів, який до сьогодні використовується в металургії, установив залежність спорідненості елементів від порядкового номера, першим добув чисті оксиди лужних елементів (Натрію, Калію), склав ряд активності металів, який названий його ім'ям, був автором першого у світі підручника з фізичної хімії.
У цьому ряду метали розміщені за зменшенням їхньої хімічної активності. Отже, серед наведених металів найактивнішим є калій, а найменш активним — золото. За допомогою цього ряду легко виявити, який метал є активнішим за інший. Також у цьому ряді є водень. Певна річ, водень не є металом, але в цьому ряду його активність прийнята за точку відліку (своєрідний нуль).
Взаємодія металів з кислотами
Метали, розташовані в ряду активності ліворуч від водню, здатні вступати в реакції з кислотами, у яких атоми металічних елементів заміщують атоми Гідрогену в кислотах. При цьому утворюються сіль відповідної кислоти і водень H.. (мал. 36.1):
Чим лівіше розташований метал у ряду активності, тим бурхливіше він взаємодіє з кислотами. Найінтенсивніше витискують водень з кислот ті метали, що розташовані на самому початку ряду. Так, магній взаємодіє дуже бурхливо (рідина ніби закипає), цинк взаємодіє значно спокійніше, залізо реагує зовсім повільно (пухирці
водню ледве утворюються), а мідь зовсім не взаємодіє з кислотою (мал. 36.2).
Якщо метал розташований у ряду активності праворуч від водню, то він не здатний витискувати водень з розчинів кислот, і тому реакція не відбувається (табл. 12, с. 201):
Cu + HCl Ф
Зверніть увагу на рівняння реакцій металів з кислотами, що наведені вище: у цих реакціях атоми металічних елементів з простої речовини заміщують атоми Гідрогену в кислотах. Такі реакції називають реакціями заміщення.
Реакції заміщення — це реакції, у яких атом елемента простої речовини витискує атом іншого елемента зі складної речовини.
Взаємодія нітратної та концентрованої сульфатної кислот з металами відбувається за іншою схемою. У таких реакціях водень майже не виділяється, а виділяються інші продукти реакції, про що ви дізнаєтесь у наступних класах.
Взаємодія металів з водою
Метали, розташовані в ряду активності ліворуч від водню, здатні BHTHCKjjBaTH водень не тільки з розчинів кислот, але і з води. Так само, як і з кислотами, активність взаємодії металів з водою змінюється відповідно до розташування металів у ряду активності (мал. 36.3).
Метали, що розташовані в ряду активності ліворуч від магнію (табл. 12, с.202), взаємодіють з водою за звичайних умов. У таких реакціях утворюються луги і водень:
Літій взаємодіє з водою дуже бурхливо (мал. 36.4):
лаліи реагує з водою так бурхливо, що часто відбувається вибух: під час реакції виділяється така велика кількість теплоти, що водень, який виділяється, загоряється і спричиняє загоряння самого металу.
Кальцій і натрій взаємодіють з водою так само бурхливо, але без вибуху:
Утворення лугів у реакції активних металів із водою можна довести, якщо додати розчин фенолфталеїну, який набуває характерного малинового забарвлення (мал. 36.5, с. 200).
Магній взаємодіє з водою за такою самою схемою, як і активні метали, але замість лугу утворюється нерозчинна основа. Реакція відбувається настільки повільно, що спершу при додаванні магнію до води ніякої реакції не спостерігається — пухирці водню починають виділятися через деякий час (мал. 36.6). Для ініціювання реакції воду слід дещо підігріти або проводити реакцію в киплячій воді.
Більшість інших металів, розташованих між магнієм та воднем у ряду активності, також можуть взаємодіяти з водою (витискувати з неї водень), але це відбувається за «жорсткіших» умов: для цього крізь розпечені металічні ошурки пропускають перегріту водяну пару. Звичайно, що за таких умов гідроксиди розкладаються (на оксид та воду), тому продуктами реакції є оксид відповідного металічного елемента і водень:
Нікель, олово та свинець пасивуються водою, тому за жодних умов з водою не реагують.
Таблиця 12. Залежність хімічних властивостей металів від положення в ряду активності
Взаємодія металів із солями
Якщо сіль розчинна у воді, то металічний елемент у ній може бути витиснутий активнішим металом:
сіль (1) + метал (1) = сіль (2) + метал (2)
Наприклад, якщо занурити в розчин купрум(ІІ) сульфату залізну пластинку, через певний час на ній виділиться мідь у вигляді червоного нальоту:
Із часом залізна пластинка покривається досить щільним шаром порошку міді, а розчин світлішає, що свідчить про зменшення в ньому концентрації купрум(ІІ) сульфату (мал. 36.7).
Залізо розташоване в ряду активності ліворуч від міді, тому атоми Феруму можуть витіснити атоми Купруму із солі. Але якщо в розчин купрум(Н) сульфату занурити срібну' пластину, то реакція не відбуватиметься:
CuSO4 +· Ag Ф
Мідь можна витиснути із солі будь-яким металом, розташованим ліворукі від міді в ряду' активності металів. При цьому мідь
Man. 36.8. Менш активне за мідь срібло осаджується на поверхні мідного дроту. Розчин набуває блакитного забарвлення завдяки утворенню в ньому солі Купруму
буде витісняти з розчинів інших солей будь-який метал, що розташований у ряду активності праворуч від неї (мал. 36.8):
Найактивніші метали, що розташовані 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.
Взаємодія металів з оксидами
Оксиди металічних елементів також здатні взаємодіяти з металами. Активніші метали витискують менш активні з оксидів. Але на відміну від взаємодії металів із солями, у даному випадку оксиди необхідно розплавити, щоб реакція відбулась:
сіль (1) + метал (1) = сіль (2) + метал (2)
Для добування металу з оксиду можна застосовувати будь-який метал, що розташований у ряду активності ліворуч, навіть найактивніші натрій і калій, адже в розплавленому оксиді води немає:
Витіснення металів із солей або оксидів активнішими металами дуже широко застосовується в промисловості для добування металів.
• Багато кислот та інших речовин алхіміки називали спиртами (від латин. спірітус— дух, запах). Так, був спірітус салі— соляний спирт або хлоридна кислота, спірітус нітрі— нітратна кислота, спірітус волятіліс вітріолі — спирт леткий купоросний або сульфатна кислота. У сучасній хімічній мові від цих назв лишилися тільки спірітус амоні— нашатирний спирт, що є розчином амоніаку NH3, та спірітус віні— винний або етиловий спирт.
• Палаючі активні метали (магній, натрій тощо) неможливо загасити водою. Причина в тому, що при контакті з водою палаючий магній реагує з нею, унаслідок чого виділяється водень, який тільки підсилює горіння.
• «Царською водою» хіміки називають кислоту, що є сумішшю концентрованих нітратної та хлоридної кислот. Таку назву ця суміш отримала завдяки тому, що з нею взаємодіє навіть цар металів — золото.
Взаємодія хлоридної кислоти з металами
Обладнання: штатив із пробірками.
Реактиви: гранульовані зразки металів: залізо, цинк, олово, алюміній, мідь; хлоридна кислота.
Правила безпеки:
• при виконанні дослідів використовуйте невеликі кількості реактивів;
• остерігайтеся потрапляння реактивів на одяг, шкіру, в очі; у разі потрапляння кислоти, її слід негайно змити великою кількістю води та протерти місце розбавленим розчином соди.
1. В окремі пробірки помістить видані вам шматочки металів (залізо, цинк, олово, алюміній, мідь).
2. Прилийте в кожну пробірку по 1-2 мл хлоридної кислоти. Що ви спостерігаєте? З яким металом виділення водню відбувається найінтенсивніше?
3. Запишіть свої спостереження в зошит.
4. Зробіть висновок щодо можливості взаємодії металів з кислотами. Зіставте активність цієї взаємодії з положенням металу в ряду активності.
Взаємодія металів із солями у водному розчині
Обладнання: штатив із пробірками.
Реактиви: розчини купрум(ІІ) сульфату, плюмбум(ІІ) нітрату; залізна та цинкова пластинки.
Правила безпеки:
• при виконанні дослідів використовуйте невеликі кількості реактивів;
• остерігайтеся потрапляння реактивів на одяг, шкіру, в очі; у разі потрапляння речовини її слід негайно змити великою кількістю води.
1. У першу пробірку налийте розчин купрум(ІІ) сульфату, у другу — розчин плюмбум(ІІ) нітрату.
2. У першу пробірку з купрум(ІІ) сульфатом занурте залізну пластину, а в другу — цинкову. Що спостерігається? Чи зміняться ознаки реакції, якщо в розчин купрум(ІІ) сульфату опустити цинкову пластину, а в розчин плюмбум(ІІ) нітрату — залізну пластину? А якщо в обох випадках використали б срібну пластину?
3. Запишіть свої спостереження. Складіть відповідні рівняння реакцій.
4. Зробіть висновок, де обґрунтуйте можливість взаємодії солей з металами з погляду положення металів у ряду активності.
Висновки
1. Усі метали, розташовані в єдиний ряд за зменшенням їхньої активності, утворюють ряд активності металів. До нього також занесений водень як речовина, щодо якої визначають активність металів.
2. Метали, розташовані в ряду активності ліворуч від водню, витискують його з кислот та води. Чим лівіше розташований метал, тим активніше він вступає в реакції. Метали ліворуч від магнію взаємодіють з водою за звичайних умов, утворюючи відповідні гідроксиди та водень, а метали, розташовані від магнію до водню, взаємодіють з водою при високій температурі з утворенням оксидів.
3. Метали можуть витісняти один одного із солі або оксиду: активніший метал завжди витісняє менш активний. Для проведення таких реакцій з водними розчинами солей не можна використовувати метали, розташовані в ряду активності до магнію, оскільки вони взаємодіятимуть з водою, а не з розчиненою в ній сіллю.
Контрольні запитання
1. Яку інформацію містить ряд активності металів Бекетова? За яким принципом у ньому розташовані метали?
2. Які метали витісняють водень з кислот? Наведіть приклади.
3. Які метали взаємодіють з водою? Які з них взаємодіють за звичайних умов, а які — при високій температурі?
4. За яким принципом необхідно відбирати метали для витискування інших металів з розчинів солей? з розплавів оксидів?
Завдання для засвоєння матеріалу
1. За яких умов кислоти реагують: а) з металами; б) основами; в) солями? Відповідь підтвердьте рівняннями реакцій.
2. За яких умов солі реагують: а) з кислотами; б) металами; в) основами? Відповідь підтвердьте рівняннями реакцій.
3. Шматочки магнію та олова помістили в розчин хлоридної кислоти. У якому випадку реакція відбувається інтенсивніше? Складіть рівняння цих реакцій.
4. Зразки натрію, кальцію та цинку залили водою. Що спостерігається в кожному випадку? Складіть відповідні рівняння реакції.
5. У розчин нікель(ІІ) сульфату занурили свинцеву та залізну пластини. У якому випадку реакція відбувається? Відповідь поясніть.
6. Чому для добування міді з розчину купрум(ІІ) сульфату не можна використовувати натрій та калій, адже вони активніші за мідь? Чи можливо їх використовувати для добування міді з розплаву купрум(ІІ) оксиду?
7. Калій взаємодіє з водою настільки бурхливо, що водень, який виділяється, займається. Яка речовина утворюється в розчині? Складіть рівняння реакції.
8. Запропонуйте, як за допомогою хімічних реакцій розділити суміш міді та заліза.
9. Які речовини утворюються при взаємодії води: а) з активними металами; б) з оксидами активних металічних елементів; в) оксидами не-металічних елементів? Наведіть приклади.
10. Складіть рівняння можливих реакцій:
а) Mg + HjSO4 д) Sn + H2O з) NiCI2 + Al
б) Fe + HBr е) Ag + H2O и) CuSO4 + Hg
в) Hg + HCI є) FeSO4 + Sn і) Hg(NO3)2 + Cu
г) Li + H2O ж) AgNO3 + Cu к) Hg(NO3)2 + Ад->.
11. З якими з наведених речовин взаємодіє сульфатна кислота: NaNO3, CO2, NaOH, AgNO3, Zn, Ba, CaCO3, Cu(OH)2, Zn(OH)2, НСІ, SiO2, Fe2O3, Hg? Складіть рівняння реакцій.
12. Які з наведених речовин взаємодіють з водою: Na, Ba, Fe, FeiOjf HjSO4, NaOH, CaO, ZnO? Відповідь підтвердьте рівняннями реакцій.
13. При зануренні цинкової пластини в розчин купрум(ІІ) нітрату на пластині виділилась мідь масою 3,2 г. Обчисліть масу цинку, що розчинився в результаті реакції.
14. Обчисліть масу олова, що можна добути взаємодією станум(ІІ) оксиду з алюмінієм масою 0,54 кг.
15. Який об'єм водню (н. у.) виділиться, якщо цинк масою 97,5 г повністю прореагує з хлоридною кислотою?
16. Яка кількість речовини сульфатної кислоти необхідна для взаємодії з магнієм масою 12 г? Яка маса солі при цьому утвориться? Який об 'єм газу (н. у.) виділиться?
17. Яку кількість речовини міді можна виділити з розчину купрум(ІІ) сульфату, що містить 32 г цієї солі?
18. Суміш магнію масою 6 г і заліза масою 16,8 г обробили достатньою кількістю розчину сульфатної кислоти. Який об'єм водню (н. у.) виділився в результаті реакції?
19. У розчин аргентум(І) нітрату масою 85 г з масовою часткою солі 2 % занурили цинкову пластинку. Обчисліть масу срібла, що виділиться на пластинці після закінчення реакції. Обчисліть, як зміниться маса пластинки в порівнянні з її початковою масою.
205. Алюміній — досить активний метал, але вироби з алюмінію зберігаються на повітрі без видимих ознак псування. Якщо зачищений виріб з алюмінію, наприклад ложку або виделку, на деякий час помістити в розчин меркурій(ІІ) нітрату, він покривається сріблястим нальотом. Оброблений у такий спосіб виріб при зберіганні на повітрі за досить короткий час перетворюється на сірий порошок, серед якого можна спостерігати сріблясті кульки. Поясніть, чому можуть відбуватися такі зміни з хімічної точки зору. Складіть відповідні рівняння реакцій.
Це матеріал з підручника Хімія 8 клас Григорович
Автор: admin от 13-09-2016, 18:05, Переглядів: 24218