Электрохимический ряд активности металлов
Ряд активности металлов (электрохимический ряд напряжений) — металлы, выстроенные по убыванию восстановительной способности: Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, (H₂), Cu, Hg, Ag, Pt, Au. Чем левее металл, тем легче он отдаёт электроны и тем активнее реагирует. По ряду предсказывают три вещи: вытеснит ли металл водород из кислоты, вытеснит ли он другой металл из раствора соли и будет ли реагировать с водой.
Ряд активности металлов: таблица
Ряд вырос из «вытеснительного ряда» русского химика Н. Н. Бекетова, который в XIX веке изучал, какие металлы вытесняют другие из растворов солей. Сегодня металлы расставляют по электродным потенциалам — отсюда слово «электрохимический».
Водород в скобках — точка отсчёта: он не металл, но, как и металлы, образует катион H⁺. Металлы правее водорода — малоактивные; серебро, платину и золото называют благородными. Ионы ведут себя наоборот: чем правее металл, тем сильнее его ион притягивает электроны, поэтому Ag⁺ и Cu²⁺ легко восстанавливаются до металла.
Ряд составлен для водных растворов, поэтому литий стоит первым, хотя с водой реагирует спокойнее натрия и калия: «активность» здесь — склонность отдавать электроны, а не скорость реакции.
- 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).
Как пользоваться рядом активности металлов
| Металлы | С водой | С кислотами (HCl, разб. H₂SO₄) | С растворами солей |
|---|---|---|---|
| Li, K, Ba, Ca, Na | при обычных условиях: щёлочь и H₂ | вытесняют H₂, очень бурно | реагируют с водой раствора, металл не вытесняют |
| Mg, Al | Mg — с горячей водой, Al — без оксидной плёнки: гидроксид и H₂ | вытесняют H₂ | вытесняют металлы, стоящие правее |
| Mn … Pb | Zn, Fe — с раскалённым паром: оксид и H₂ | вытесняют H₂ (Pb — почти нет) | вытесняют металлы, стоящие правее |
| Cu, Hg, Ag, Pt, Au | не реагируют | H₂ не вытесняют | медь вытесняет ртуть и серебро |
Из таблицы следуют три правила:
- Металл и кислота. Металлы левее водорода вытесняют его из растворов кислот, правее — нет. Исключения — азотная кислота любой концентрации и концентрированная серная: водород они не выделяют, а окисляют металлы за счёт азота и серы.
- Металл и соль. Металл, стоящий в ряду левее, вытесняет металл правее из раствора его соли. Соль должна быть растворимой, а металл — не из самых активных (Li…Na): те реагируют с водой раньше, чем с солью.
- Металл и вода. Самые активные металлы реагируют с водой при комнатной температуре, металлы средней активности — только с паром при нагревании, металлы правее водорода — не реагируют.
Реакции металлов с кислотами
Металл отдаёт электроны ионам водорода, выделяется газ:
- Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ — классический лабораторный способ получить водород;
- Mg + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂↑ — бурно, пробирка нагревается;
- Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ — железо даёт соль железа(II), а не FeCl₃;
- 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑ — сначала медленно, пока кислота не растворит оксидную плёнку.
Медь стоит правее водорода, поэтому Cu + HCl ↛. Но с азотной и концентрированной серной кислотой медь реагирует, и водород при этом не выделяется: Cu + 4HNO₃ (конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O, Cu + 2H₂SO₄ (конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O. Свинец формально левее водорода, но с соляной и серной кислотами почти не реагирует: его покрывает плёнка малорастворимых PbCl₂ или PbSO₄. Железо, алюминий и хром на холоду пассивируются концентрированными HNO₃ и H₂SO₄ — поэтому концентрированную серную кислоту перевозят в стальных цистернах.
Получите водород сами: в опыте «Получение водорода» металл растворяют в кислоте, газ собирают над водой и проверяют хлопком у горящей лучины. Теория — в уроке «Реакции с кислотами» и на странице химические свойства кислот.
Вытеснение металлов из растворов солей
Железный гвоздь в растворе медного купороса покрывается красной медью, а голубой раствор светлеет и зеленеет — в нём появляются ионы Fe²⁺:
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu, сокращённо Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu
Железо левее меди — значит, отдаёт электроны её ионам. Так же цинк вытесняет медь (Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu), медь — серебро (Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag), а цинк в растворе нитрата свинца обрастает кристаллами свинца — «сатурновым деревом» (Zn + Pb(NO₃)₂ → Zn(NO₃)₂ + Pb). Обратные реакции не идут: Cu + ZnSO₄ ↛, Ag + CuSO₄ ↛.
Почему натрий не вытесняет медь. В растворе соли меди натрий сначала реагирует с водой, а образовавшаяся щёлочь осаждает гидроксид меди. Вместо красной меди — голубой осадок и пузырьки водорода:
2Na + 2H₂O + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄ + H₂↑ суммарно
Ещё одна ловушка — реакция 2FeCl₃ + Cu → 2FeCl₂ + CuCl₂: медь растворяется в растворе хлорида железа(III), хотя стоит правее железа. Противоречия нет: ион Fe³⁺ восстанавливается не до металла, а до Fe²⁺. Этой реакцией травят медь при изготовлении печатных плат.
Опыт — железо в медном купоросе, теория — урок «Реакции с солями».
Реакции металлов с солями
- Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + CuЗамещенияОВР
- Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + CuЗамещенияОВР
- Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2AgЗамещенияОВР
- Zn + Pb(NO₃)₂ → Zn(NO₃)₂ + PbЗамещенияОВР
- Fe + CuCl₂ → FeCl₂ + CuЗамещенияОВР
- 2Al + 3CuCl₂ → 2AlCl₃ + 3CuЗамещенияОВР
- Mg + FeSO₄ → MgSO₄ + FeЗамещенияОВР
- Fe + NiSO₄ → FeSO₄ + NiЗамещенияОВР
- Ni + CuSO₄ → NiSO₄ + CuЗамещенияОВР
Реакции металлов с водой
- Щелочные и щёлочноземельные металлы дают щёлочь и водород при комнатной температуре: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑, Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. Калий реагирует так бурно, что водород вспыхивает (2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑).
- Магний с холодной водой реагирует очень медленно, с горячей — заметно: Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂↑.
- Алюминий защищён оксидной плёнкой; если её снять, он вытесняет водород из воды: 2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂↑.
- Железо и цинк реагируют только с раскалённым водяным паром, образуя оксиды: 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂, Zn + H₂O → ZnO + H₂.
Натрий в воде с фенолфталеином — один из самых наглядных опытов: металл бегает по поверхности, плавится в шарик, а раствор становится малиновым от щёлочи. В школе его показывает только учитель, а в лаборатории его можно провести самому: опыт «Натрий и вода». Теория — в уроке «Реакции с водой», о самих металлах — в уроке «Щелочные металлы».
Ряд активности, получение металлов и коррозия
- Получение. Металлы от лития до алюминия получают электролизом расплавов (2NaCl → 2Na + Cl₂↑, 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂↑), металлы средней активности — восстановлением оксидов углём, угарным газом, водородом или алюминием (Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂, ZnO + C → Zn + CO↑, Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe). Золото, платина, серебро и медь встречаются в природе самородными.
- Электролиз растворов. На катоде металлы правее водорода выделяются, от лития до алюминия — нет (вместо них выделяется водород), а металлы между алюминием и водородом выделяются вместе с водородом. Подробнее — на странице электролиз.
- Коррозия. Из двух металлов в контакте разрушается более активный. Оцинкованное железо защищено даже при царапине — корродирует цинк. У лужёной жести (железа под слоем олова) при повреждении покрытия быстрее ржавеет железо.
- Кислород. Натрий и калий окисляются на воздухе за секунды, поэтому их хранят под слоем керосина; золото и платина на воздухе не окисляются.
Все реакции металлов с примерами собраны на странице химические свойства металлов.
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.
Железо и медный купорос
Железо в растворе медного купороса покрывается красной медью.
Натрий и вода
Натрий в воде с фенолфталеином: плавает, шипит, раствор малиновый.
Читайте также
Частые вопросы
Как пользоваться рядом активности металлов?
Сравните положение двух металлов или металла и водорода. Металл левее водорода вытесняет его из кислот (кроме HNO₃ и концентрированной H₂SO₄), металл левее вытесняет металл правее из раствора соли, самые активные металлы — от Li до Na — реагируют с водой.
Почему медь не реагирует с соляной кислотой?
Медь стоит в ряду активности правее водорода: ионы H⁺ не могут отнять у неё электроны. Поэтому медь не вытесняет водород из HCl и разбавленной H₂SO₄, но растворяется в азотной кислоте.
Почему натрий не вытесняет медь из раствора соли?
Натрий сначала реагирует с водой, в которой растворена соль. Получается щёлочь, и она осаждает голубой Cu(OH)₂. Чтобы вытеснить медь, берут металл средней активности — железо или цинк.
Какой металл самый активный в ряду активности?
В электрохимическом ряду первым стоит литий — у него самый отрицательный электродный потенциал. По бурности реакции с водой литий уступает натрию и калию.
Ряд активности и ряд напряжений — это одно и то же?
Да. Электрохимический ряд напряжений металлов, ряд активности и вытеснительный ряд Бекетова — названия одного ряда. На ОГЭ и ЕГЭ по химии он есть в справочных материалах.