Уроки Совы Филиновны

Реакции металлов с растворами солей и кислот (ОВР)

В водных растворах протекает множество ОВР. Простейшие из них – реакции металлов с растворами солей и кислот.

Рассмотрим, что произойдет, если поместить металл в раствор, уже содержащий ионы другого металла, например, кусочек железа поместить в раствор сульфата меди?

Склонность отдавать электроны у атома меди существенно меньше, чем у атома железа, поэтому ионы меди оказываются способными оторвать электроны у атомов железа, превратив их таким образом в ионы железа. Сами же ионы меди превращаются при этом в нейтральные атомы:

Ионы железа(II) гидратируются, а атомы меди соединяются металлической связью в кристаллы меди, которые и образуются на поверхности железа:

Fe_кр + Cu²_aq = Fe²_aq + Cu_кр, или Fe_кр + CuSO_4р = FeSO_4р + Cu_кр.

Убедимся в том, что это ОВР, составив уравнения электронного баланса:

Fe⁰ – 2e^– = Fe^+II

Cu^+II + 2e^– = Cu⁰.

Таким образом, атомы железа в этой реакции окисляются, а ионы меди(II) восстанавливаются.

По виду " молекулярного" уравнения эта реакция относится к реакциям замещения.

Часто говорят, что железо " вытесняет" медь из раствора ее соли. А будет ли, например, железо вытеснять магний из раствора его соли, или, наоборот, магний вытеснит железо? Для ответа на этот и подобные вопросы удобно выстроить атомы металлов в ряд по уменьшению их способности отдавать электроны и переходить в раствор в виде ионов. На первый взгляд, для составления такого ряда достаточно было бы воспользоваться значениями молярной энергии ионизации атомов элементов, образующих металлы. Но здесь нам придется вспомнить, что атомы металлов не просто переходят в раствор в виде ионов, но при этом еще и гидратируются, а при гидратации выделяется энергия. Чем больше энергия гидратации, тем устойчивее такой гидратированный ион и тем легче атомы такого металла образуют ионы и переходят в раствор.

Построенный с учетом всего этого ряд называется электрохимическим рядом напряжений металлов или просто рядом активности металлов. Пользуясь последним названием следует помнить, что здесь под словом " активность" понимается только способность атомов металла отдавать свои валентные электроны и переходить при этом в раствор в виде ионов. Никакого отношения к активности металлов в других условиях этот ряд не имеет. Поэтому в ряду активности металлов обычно приводят и формулы ионов, образующихся при переходе атомов металла в раствор. Как видите, в этих условиях наиболее активным металлом является литий, а наименее активным – золото.

Металл, стоящий в ряду напряжений левее, " вытесняет " из раствора соли любой металл, стоящий в этом ряду правее.

Но так происходит только в том случае, если оба металла не реагируют с водой. Следовательно, магний без побочных реакций " вытеснит " любой металл, стоящий правее него в ряду напряжений, из раствора его соли, а при взаимодействии кальция с тем же раствором прежде всего будет выделяться водород (кроме того, будут протекать и другие реакции; какие?).

В качестве примера составим уравнение реакции магния с раствором нитрата свинца (заполненный шаблон – см дальше).

Напротив, если мы поместим кусочек меди в раствор нитрата цинка, то никакой реакции протекать не будет, так как медь в ряду напряжений стоит правее цинка и не может " вытеснить" его из раствора.Внимательно рассмотрев ряд напряжений, вы обнаружите в нем водород и ион оксония. Вот с чем это связано.

Вы знаете, что наиболее активные металлы, то есть металлы, атомы которых с особой легкостью отдают электроны, окисляются водой. Свои электроны атомы металлов отдают атомам водорода молекул воды, так как эти атомы водорода несут частичный заряд Δ . Можно сказать и наоборот: атомы водорода молекул воды, испытывая недостаток в электронах, отнимают электроны у атомов металла. Атомы менее активных металлов, обладающие меньшей склонностью к отдаче электронов, не могут отдать электроны атомам водорода, входящим в состав молекул воды (не окисляются водой). Но существует частица, в которой атомы водорода несут существенно больший частичный заряд Δ , чем те же атомы в молекуле воды. Это ион оксония. Следовательно, с этими ионами должны реагировать атомы большего числа металлов, чем реагируют с молекулами воды. Так оно и есть: большинство металлов вступает в реакцию с растворами кислот. Например, поместив гранулу цинка (он с водой не реагирует – вспомните оцинкованные ведра) в пробирку с соляной кислотой, мы сразу же увидим, как в виде пузырьков выделяется водород. Каждый атом цинка отдает свои два электрона двум атомам водорода разных ионов оксония. Пары электронов, связывавшие атомы кислорода с такими атомами водорода, полностью переходят к атомам кислорода. В результате образуются двухзарядные ионы цинка, атомы водорода и молекулы воды:

Ионы цинка гидратируются , в свою очередь, атомы водорода объединяются в молекулы, а молекулы – в пузырьки газа, в виде которого водород и выделяется из раствора:

2H· = H₂

В итоге ионное уравнение этой реакции:

Zn + 2H₃O = Zn² _aq + H₂  + 2H₂O,

а " молекулярное " : Zn + 2(H₃O)Cl_р = ZnCl_2р + H₂ , но раствор хлорида оксония – это раствор хлороводорода (соляная кислота), поэтому молекулярное уравнение этой реакции обычно записывают так:

Zn + 2HCl_р = ZnCl_2р + H₂ 

Электронный баланс:

Zn⁰ –2e^– = Zn^+II

2H^+I +2e^– = H⁰₂.

Таким образом, атомы водорода в степени окисления +I, входящие в состав ионов оксония, являются в этой реакции окислителями, а нейтральные атомы цинка – восстановителями.

Аналогичное поведение ионов оксония и ионов металлов, участвующих в таких реакциях, дает возможность поместить водород в ряд напряжений в соответствии с окислительной активностью иона оксония.

Таким образом, все металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, реагируют с растворами кислот, " вытесняя " водород, из нихметаллы от лития до натрия, кроме того, реагируют и с водой (это не относится к азотной кислоте – с ней реакции протекают по-другому).

Металлы, стоящие в этом ряду правее водорода, с водой не реагируют и водород из растворов кислот не " вытесняют" . С некоторыми кислотами или смесями кислот эти металлы все же реагируют, но водород при этом все равно не выделяется.

Обратите внимание: с безводными кислотами металлы или не реагируют (например, с фосфорной), или реагируют совсем по-другому (например, с серной). С некоторыми такими реакциями вы познакомитесь при изучении химических свойств конкретных веществ.

Вспомните, что энергия ионизации каждого последующего электрона больше энергии ионизации предыдущего электрона примерно в два раза. Так, для атома цинка молярные энергии ионизации первого и второго электронов равны соответственно 906 и 1730 кДж/моль. Почему же атом цинка, реагируя с кислотой, теряет сразу два своих электрона? Иными словами, почему при взаимодействии цинка с кислотой не образуются ионы Zn? Причина аналогична той, по которой такие ионы не получаются при образовании ионного кристалла, содержащего ионы цинка. При потере цинком двух своих валентных электронов резко уменьшается радиус образующегося иона. Это (и увеличение заряда) приводит к тому, что энергия гидратации двухзарядного иона цинка существенно превышает энергию гидратации однозарядного иона, и выигрыш в энергии компенсирует затраты на ионизацию второго электрона.

 1.Составьте уравнения реакций, протекающих в водном растворе между: а) CuSO₄ и Zn; б) AgNO₃ и Cu; в) Hg(NO₃)₂ и Cr; г) HCl и Al; д) H₂SO₄ и Ni; е) HBr и Mn.

2.С растворами каких из следующих веществ будет реагировать хром: а) AgNO₃; б) NaCl; в) NiSO₄; г) Cu(NO₃)₂; д) CaBr₂; е) Al₂(SO₄)₃?

3.Какие вещества вступили в реакцию, если в результате реакции образовались а) Ag и Pb(NO₃)_2p; б) H₂ и MgSO_4p; в) Pb и Al(NO₃)_3p; г) H₂ и FeCl_2p; д) CaCO₃ и NaCl_p; е) Fe(OH)₃ и Rb₂SO_4p?

4.Осуществите превращения:

а) Mg  MgSO₄  Mg(OH)₂  MgO;

б) S  SO₂  SO₃  H₂SO₄  ZnSO₄  BaSO₄.

5. С избытком соляной кислоты прореагировали равные по массе кусочки магния и марганца. Не прибегая к вычислениям, определите, в каком случае выделилось больше водорода.

6.С избытком раствора серной кислоты прореагировали равные по количеству вещества кусочки алюминия и цинка. Не прибегая к вычислениям, определите, в каком случае выделилось больше водорода.

 Реакции металлов с растворами кислот и солей.