1. Главная
  2. Справочник
  3. Химические свойства металлов и ряд активности

Химические свойства металлов

Химические свойства металлов определяются тем, что их атомы легко отдают внешние электроны и превращаются в положительные ионы: Me⁰ − ne⁻ → Meⁿ⁺. Поэтому в химических реакциях металлы всегда восстановители. Они реагируют с неметаллами (кислородом, галогенами, серой), активные металлы — с водой, металлы до водорода — с кислотами, а более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли. Насколько энергично пойдёт реакция, показывает ряд активности металлов.

Металлы — восстановители: от чего зависит активность

У атомов большинства металлов на внешнем уровне 1–3 электрона, а радиус атома сравнительно велик, поэтому внешние электроны удерживаются слабо. Чем легче атом их отдаёт, тем активнее металл. В главных подгруппах активность растёт сверху вниз (литий → натрий → калий), в периодах убывает слева направо (натрий → магний → алюминий). Положение металлов в периодической системе и природа металлической связи разобраны в уроках «Положение металлов в периодической системе» и «Металлическая связь».

Для реакций в водных растворах удобнее электрохимический ряд активности металлов: чем левее стоит металл, тем он более сильный восстановитель.

  • Li…Na — реагируют с водой при обычных условиях, образуя щёлочь и водород
  • Mg…Pb — вытесняют водород из растворов кислот (кроме HNO₃ и конц. H₂SO₄); Mg — с горячей водой
  • после H — водород из кислот не вытесняют

Каждый металл вытесняет стоящие правее него металлы из растворов их солей (кроме Li…Na: они реагируют с водой раствора).

Реакции металлов с неметаллами

С кислородом большинство металлов образует оксиды: активные окисляются уже на воздухе, малоактивные — при нагревании, а золото и платина не окисляются совсем. Магний горит ослепительно белым пламенем, железо в кислороде сгорает с образованием железной окалины, медь при нагревании чернеет:

2Mg + O₂ → 2MgO t°
3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ t°
2Cu + O₂ → 2CuO t°

Натрий при горении даёт не оксид, а пероксид: 2Na + O₂ → Na₂O₂ t°.

С галогенами металлы образуют галогениды, причём металлы с переменной степенью окисления — в высшей: 2Na + Cl₂ → 2NaCl, 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ t°. С серой образуются сульфиды; здесь железо, наоборот, проявляет степень окисления +2: Fe + S → FeS t°. Ртуть соединяется с серой без нагревания — Hg + S → HgS, на этом основано обезвреживание пролитой ртути серным порошком.

С азотом литий реагирует при комнатной температуре, магний — при нагревании: 3Mg + N₂ → Mg₃N₂ t°. Самые активные металлы соединяются даже с водородом, образуя гидриды: 2Na + H₂ → 2NaH t°. Подробнее — урок «Реакции металлов с неметаллами».

Взаимодействие металлов с водой

То, как металл реагирует с водой, зависит от его активности:

  • Щелочные и щёлочноземельные металлы (Li, Na, K, Ca, Ba) реагируют при комнатной температуре, образуя щёлочь и водород: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑, Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑.
  • Магний заметно реагирует только с горячей водой.
  • Металлы средней активности (цинк, железо) при высокой температуре реагируют с водяным паром, образуя оксид и водород: 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ t° (пар).
  • Алюминий защищён оксидной плёнкой; если её удалить, он вытесняет водород из воды.
  • Металлы после водорода (медь, серебро, золото) с водой не реагируют.

Натрий в воде плавится, превращается в шарик и бегает по поверхности, а фенолфталеин окрашивает раствор в малиновый цвет — образуется щёлочь: опыт «Натрий и вода», уравнение — 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Урок по теме — «Реакции металлов с водой»; со стороны воды эти реакции рассмотрены на странице химические свойства воды.

Реакции металлов с кислотами

С растворами соляной и разбавленной серной кислот реагируют металлы, стоящие в ряду активности до водорода; продукты — соль и водород. Скорость реакции падает по мере движения по ряду вправо: магний реагирует бурно, цинк и железо — спокойнее.

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑
Fe + H₂SO₄ (разб.) → FeSO₄ + H₂↑

Металлы после водорода — медь, ртуть, серебро — с такими кислотами не реагируют, но растворяются в кислотах-окислителях, где водород не выделяется: Ag + 2HNO₃ (конц.) → AgNO₃ + NO₂↑ + H₂O. Получить водород из металла и кислоты, собрать его над водой и проверить горящей лучиной можно в опыте «Получение водорода». Подробно о реакциях кислот с металлами — на странице химические свойства кислот и в уроке «Реакции металлов с кислотами».

Реакции металлов с растворами солей

Каждый металл вытесняет из растворов солей те металлы, которые стоят в ряду активности правее него:

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu
Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag
Zn + Pb(NO₃)₂ → Zn(NO₃)₂ + Pb

Условия: соль должна быть растворимой, а металл — не реагировать с водой. Натрий, калий и кальций в растворе соли меди реагируют прежде всего с водой, и вместо меди выпадает гидроксид меди(II). Железный гвоздь в растворе медного купороса покрывается красным налётом меди, а голубой раствор постепенно зеленеет — проверьте в опыте «Железо и медный купорос». Подробнее — урок «Реакции металлов с солями».

Особый случай — растворение меди в растворе хлорида железа(III), на нём основано травление печатных плат: 2FeCl₃ + Cu → 2FeCl₂ + CuCl₂. Здесь медь восстанавливает ион Fe³⁺ до Fe²⁺, а не вытесняет железо.

Металлы, щёлочи и оксиды: амфотерность и металлотермия

Амфотерные металлы — алюминий и цинк — растворяются не только в кислотах, но и в растворах щелочей с выделением водорода:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑
Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑

Активные металлы при нагревании отнимают кислород у оксидов менее активных металлов — это металлотермия. Алюминотермией получают хром и марганец, а смесь алюминия с оксидом железа (термит) применяют для сварки рельсов: Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe t°. Магний горит даже в углекислом газе, поэтому горящий магний нельзя тушить углекислотным огнетушителем: 2Mg + CO₂ → 2MgO + C t°.

Сводная таблица: реакции металлов по активности

МеталлыС водойС HCl и разбавленной H₂SO₄С растворами солей
Li, K, Ba, Ca, Naпри комнатной температуре → щёлочь + H₂очень бурно, опаснореагируют с водой раствора, а не с солью
Mg, AlMg — с горячей водой; Al — после снятия оксидной плёнкисоль + H₂вытесняют металлы, стоящие правее
Mn, Zn, Cr, Feс водяным паром при высокой температуре → оксид + H₂соль + H₂вытесняют металлы, стоящие правее
Ni, Sn, Pbпрактически не реагируютмедленно; свинец покрывается плёнкой соливытесняют металлы, стоящие правее
Cu, Hg, Agне реагируютне реагируют; растворяются в HNO₃ и H₂SO₄ (конц.)медь вытесняет ртуть и серебро
Pt, Auне реагируютне реагируют; растворяются в «царской водке»—

Металлы с переменной валентностью важно не путать: с хлором железо даёт FeCl₃, а с серой, соляной и разбавленной серной кислотами и с солями меди — соединения железа(II). Все реакции металлов из справочника собраны ниже.

Реакции металлов в справочнике

Проведите опыт онлайн

Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.

Получение водорода

Металл в кислоте, сбор газа над водой в пробирку и проба горящей лучиной — хлопок.

Открыть в лаборатории

Натрий и вода

Натрий в воде с фенолфталеином: плавает, шипит, раствор малиновый.

Открыть в лаборатории

Железо и медный купорос

Железо в растворе медного купороса покрывается красной медью.

Открыть в лаборатории

Читайте также

Частые вопросы

Почему металлы в реакциях являются восстановителями?

Атомы металлов имеют мало электронов на внешнем уровне и легко их отдают, окисляясь до положительных ионов. Отрицательных степеней окисления у металлов нет, поэтому окислителями они не бывают.

Какие металлы реагируют с водой?

При комнатной температуре — щелочные и щёлочноземельные металлы (литий, натрий, калий, кальций, барий). Магний реагирует с горячей водой, цинк и железо — с раскалённым водяным паром. Медь, серебро и золото с водой не реагируют.

Почему железо с хлором образует FeCl₃, а с соляной кислотой — FeCl₂?

Хлор — сильный окислитель и окисляет железо до степени окисления +3. Ионы водорода в соляной кислоте — более слабый окислитель, они окисляют железо только до +2.

Может ли натрий вытеснить медь из раствора медного купороса?

Нет. Натрий сначала реагирует с водой, образуя щёлочь и водород, а щёлочь с сульфатом меди даёт голубой осадок гидроксида меди(II).

Почему алюминий не реагирует с водой?

Его поверхность покрыта прочной плёнкой оксида Al₂O₃, которая не пропускает воду к металлу. Если плёнку удалить, алюминий вытесняет водород из воды.