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
| Металлы | С водой | С HCl и разбавленной H₂SO₄ | С растворами солей |
|---|---|---|---|
| Li, K, Ba, Ca, Na | при комнатной температуре → щёлочь + H₂ | очень бурно, опасно | реагируют с водой раствора, а не с солью |
| Mg, Al | Mg — с горячей водой; Al — после снятия оксидной плёнки | соль + H₂ | вытесняют металлы, стоящие правее |
| Mn, Zn, Cr, Fe | с водяным паром при высокой температуре → оксид + H₂ | соль + H₂ | вытесняют металлы, стоящие правее |
| Ni, Sn, Pb | практически не реагируют | медленно; свинец покрывается плёнкой соли | вытесняют металлы, стоящие правее |
| Cu, Hg, Ag | не реагируют | не реагируют; растворяются в HNO₃ и H₂SO₄ (конц.) | медь вытесняет ртуть и серебро |
| Pt, Au | не реагируют | не 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
- 4Na + O₂ → 2Na₂OСоединенияОВР
- 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ЗамещенияОВР
- Cu + 4HNO₃ (конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂OДругого типаОВР
- 2Na + Cl₂ → 2NaClСоединенияОВР
- 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑ЗамещенияОВР
- 3Cu + 8HNO₃ (разб.) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂OДругого типаОВР
- 2Al + 3Br₂ → 2AlBr₃СоединенияОВР
- 2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂↑ЗамещенияОВР
- Ag + 2HNO₃ (конц.) → AgNO₃ + NO₂↑ + H₂OДругого типаОВР
- Hg + S → HgSСоединенияОВРВ природе и быту
- Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑ЗамещенияОВР
- Fe + 4HNO₃ (разб.) → Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂OДругого типаОВР
- 2Na + S → Na₂SСоединенияОВР
- Ba + 2H₂O → Ba(OH)₂ + H₂↑ЗамещенияОВР
- 4Mg + 10HNO₃ (разб.) → 4Mg(NO₃)₂ + N₂O↑ + 5H₂OДругого типаОВР
- 6Li + N₂ → 2Li₃NСоединенияОВР
- 2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂↑ЗамещенияОВР
- 4Zn + 10HNO₃ (оч. разб.) → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂OДругого типаОВР
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.
Натрий и вода
Натрий в воде с фенолфталеином: плавает, шипит, раствор малиновый.
Железо и медный купорос
Железо в растворе медного купороса покрывается красной медью.
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.