Химические свойства металлов

Химические свойства металлов

Сегодня мы с вами изучим общие химические свойства металлов.

В реакциях металлы проявляют восстановительные свойства, то есть они отдают электроны и превращаются в положительные ионы, сами при этом окисляются.

Сначала разберём реакции металлов с простыми веществами – неметаллами.

Например, с кислородом взаимодействуют практически все металлы, кроме золота и платины, при этом образуются оксиды.

Щелочные и щелочноземельные металлы при обычной температуре легко окисляются на воздухе, поэтому их обычно хранят в закрытых сосудах или под слоем масла.

Так, в реакции лития с кислородом воздуха образуется оксид лития, при этом литий повышает свою степень окисления с 0 до +1, а кислород понижает свою степень окисления с 0 до -2, литий является восстановителем, а кислород – окислителем, четыре атома лития отдают по одному электрону молекуле кислорода.

В реакции кальция с кислородом, кальций также повышает свою степень окисления с 0 до +2, а кислород понижает свою степень окисления с 0 до -2. Металл кальций выступает в роли восстановителя, а кислород – в роли окислителя, при этом два атома кальция отдают по два электрона молекуле кислорода. В результате реакции образуется оксид кальция.

Такие металлы, как алюминий, цинк, свинец при обычной температуре реагируют с кислородом воздуха, покрываясь тонкой плёнкой оксида, которая защищает их от дальнейшего окисления. Слой оксида, образующегося на поверхности алюминия, настолько тонок, что металл не теряет своего блеска. Так, в реакции алюминия с кислородом, образуется оксид алюминия, алюминий повышает свою степень окисления с 0 до +3, являясь при этом восстановителем, а кислород, наоборот, понижает свою степень окисления с 0 до -2. В этой реакции четыре атома алюминия отдают по три электрона молекуле кислорода. 

Многие металлы взаимодействуют с кислородом при нагревании: например, медь при нагревании на воздухе чернеет, так как покрывается плёнкой чёрного оксида меди два.

В этой реакции медь выступает в роли восстановителя и повышает свою степень окисления с 0 до +2, а кислород – окислитель, понижает свою степень окисления с 0 до -2. При этом два атома меди отдают по два электрона молекуле кислорода.

При прокаливании железа образуется железная окалина – это смешанный оксид, который состоит из оксида железа два и оксида железа три.

Железо, в данном случае, является восстановителем, оно повышает свою степень окисления с 0 до +2 и +4, значит, железо – это восстановитель, а кислород – окислитель, он понижает свою степень окисления с 0 до -2. В этой реакции три атома железа отдают восемь электронов молекуле кислорода.

А вот магний при поджигании на воздухе сгорает яркой вспышкой, образуя оксид магния.

Магний также является восстановителем, потому что повышает свою степень окисления с 0 до +2, а кислород понижает свою степень окисления с 0 до -2 и является окислителем. В результате реакции образуется оксид магния, а два атома магния отдают по два электрона молекуле кислорода.

Таким образом, большинство металлов реагируют с кислородом с образованием оксидов, активные металлы вступают во взаимодействие с кислородом при обычных условиях, менее активные при нагревании, а такие, как золото или платина не реагируют с кислородом.

Металлы в этих реакциях являются восстановителями и, соответственно, повышают свою степень окисления, а кислород является окислителем и понижает свою степень окисления.

С серой все металлы, кроме золота, способны взаимодействовать при незначительном нагревании, образуя сульфиды:

В реакции натрия с серой образуется сульфид натрия, натрий повышает свою степень окисления с 0 до +2, он является восстановителем, сера является окислителем и понижает свою степень с 0 до -2.  В результате взаимодействия два атома натрия отдают по одному электрону молекуле серы.

В реакции кальция с серой образуется сульфид кальция, кальций также повышает свою степень окисления с 0 до +2, являясь при этом восстановителем, а сера понижает свою степень окисления с 0 до -2 и является окислителем, при этом, каждый атом кальция отдаёт по два электрона молекуле серы.

А в реакции железа с серой образуется сульфид железа два. Здесь также железо является восстановителем, повышает свою степень окисления с 0 до +2, а серя, являясь окислителем, понижает свою степень окисления с 0 до -2. Каждый атом железа здесь отдаёт по два электрона молекуле серы.

Если смешать небольшое количество порошка алюминия с порошком серы и нагреть сверху смесь пламенем лучинки, то в результате бурной реакции образуется сульфид алюминия:

Алюминий выступает в роли восстановителя и повышает свою степень окисления с 0 до +3, а сера понижает свою степень окисления с 0 до -2 и является окислителем. В этой реакции два атома алюминия отдают по три электрона молекуле серы.

Таким образом, с серой при определённых условиях реагируют все металлы кроме золота, в результате этого взаимодействия образуются сульфиды, в которых степень окисления серы равна мину двум. В этих реакциях металлы выступают в роли восстановителей, а сера – в роли окислителя.

C фтором, хлором, бромом и йодом  – металлы реагируют с образованием галогенидов.

Так, в реакции алюминия с йодом образуется йодид алюминия, а катализатором в этой реакции является вода.

В этой реакции алюминий также повышает свою степень окисления с 0 до +4, являясь при этом восстановителем, а йод  является окислителем и понижает свою степень окисления с 0 до -1. При этом два атома алюминия отдают по три электрона молекуле йода.

Таким образом, в реакциях с галогенами, металлы являются восстановителями и повышают свою степень окисления, а сами галогены являются окислителями и понижают свою степень окисления, при этом металлы окисляются, а галогены восстанавливаются. В результате этих реакций образуются галогениды.

Металлы не только реагируют с неметаллами – простыми веществами, но и вступают в реакции со сложными веществами.

Например, с водой эффективно реагируют щелочные и щелочноземельные металлы. Если натрий поместить в ёмкость с водой, в которую добавили несколько капель фенолфталеина, то он будет двигаться по поверхности воды, бурно реагируя с ней. При этом выделяется водород и образуется гидроксид натрия, окрашивающий фенолфталеин в малиновый цвет.

Металлический натрий выступает в качестве восстановителя, он повышает свою степень окисления с 0 до +1, а ионы водорода выступают в качестве окислителя и водород понижает свою степень окисления с +1 до 0. В этой реакции два атома натрия отдают по одному электрону ионам водорода.

Некоторые металлы взаимодействуют с водой при определённых условиях, например, цинк – при нагревании, железо – в раскалённом виде с парами воды. При этом образуются оксиды металлов и выделяется водород.

Так, в реакции с цинком образуется оксид цинка и водород. Цинк при этом, являясь восстановителем, повышает свою степень окисления с 0 до +2 и отдаёт по два электрона ионам водорода. Катионы водорода выступают в роли окислителя и понижают свою степень окисления с +1 до 0. В реакции с железом, аналогично, железо является восстановителем, повышает свою степень окисления с 0 до +2 и +3, при этом три атома железа отдают по восемь электронов ионам водорода, а ионы водорода понижают свою степень окисления с +1 до 0 и являются окислителями.

Если металл стоит в ряду активности после водорода, то он не вытесняет водород из воды ни при каких условиях.

Таким образом, щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой с образованием щелочей, при этом выделяется водород, некоторые металлы реагируют с водой только при нагревании, при этом образуются оксиды и выделяется водород,  а металлы, стоящие в ряду активности после водорода не реагируют с водой. В этих реакциях металлы выступают в роли восстановителей, а ионы водорода – в роли окислителя.

Металлы реагируют и с кислотами. Активность металлов при взаимодействии с растворами кислот зависит от положения металла в ряду активности. Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, способны вытеснять водород из разбавленных растворов кислот.

Следует учитывать и следующее металл реагирует с кислотой:

·       металл должен стоять в ряду активности до водорода

·       если образуется растворимая соль

·       концентрированная серная и азотная кислота любой концентрации иначе реагируют с металлами, при этом водород не выделяется

·       на щелочные металлы это правило не распространяется, так как они реагируют активно с водой, а речь в данном случае идёт о растворах кислот

Например, в реакции магния с раствором серной кислоты, магний выступает в роли восстановителя, а ионы водорода в качестве окислителя.

При этом магний повышает свою степень окисления с 0 до +2, а водород понижает свою степень окисления с +1 до 0. Каждый атом магния отдаёт по два электрона ионам водорода.

Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, к такому взаимодействию не способны:

Например, медь стоит в ряду активности после водорода, поэтому она не реагирует с раствором соляной кислоты.

Если налить в две пробирки растворы кислот: в первую – раствор соляной кислоты, во вторую – раствор серной кислоты, а затем поместить в каждую по грануле цинка, то в результате у нас появляются пузырьки газа и в первой, и во второй пробирке. Значит, цинк стоит в ряду активности металлов до водорода, поэтому он способен вытеснять водород из раствора кислот.

Цинк в обеих реакциях является восстановителем, он повышает свою степень окисления с 0 до +2, а водород понижает свою степень окисления с +1 до 0, при этом выступая в роли окислителя. В этих двух реакциях атом цинк отдаёт по два электрона ионам водорода.

Следует помнить, что металлы, стоящие в ряду активности до водорода, реагируют с растворами кислот, но в результате этих реакций должна образоваться растворимая соль, на щелочные металлы эти правила не распространяются, концентрированная серная и азотная кислота любой концентрации иначе реагируют с металлами.

Металлы реагируют с растворами солей, при этом нужно также использовать ряд активности металлов: более активный металл способен вытеснять другой металл из раствора соли, однако при этом должна образоваться растворимая соль и щелочные металлы брать нельзя, потому что они реагируют с водой, а реакции эти протекают в растворе.

Если в две пробирки налить раствора сульфата меди (II) и поместить в первую кусочек железа, а во вторую гранулу цинка, то реакция будет у нас идти в двух пробирках. На кусочке железа и грануле цинка оседает медь и раствор сульфата (II)  изменяет свою окраску: в первой пробирке – на жёлтую, во второй – с голубой на более светлую.

В этой реакции железо выступает в роли восстановителя, само при этом окисляясь. Атомы железа превращаются в ионы железа. Ионы меди выступают в роли окислителя, они восстанавливаются, превращаясь в атомы меди. В результате окислительно-восстановительной реакции электроны от атомов железа переходят к ионам меди.

Во второй реакции, в роли восстановителя выступает цинк, сам он окисляется,  атомы цинка превращаются в ионы цинка, ионы меди выступают в роли окислителя, ионы меди восстанавливаются и превращаются в атомы меди, электроны от атомов цинка переходят к ионам меди.

Следовательно, металлы реагируют и с растворами кислот, но нужно помнить, что каждый металл вытесняет из раствора соли другой металл, стоящий правее него в ряду напряжений металлов, при этом должна образоваться растворимая соль и щелочные металлы брать нельзя, так как они реагируют с водой.

Сделаем вывод:

·       металлы реагируют с простыми веществами, такими, как:

·         кислород

·         сера

·         галогены

·        со сложными:

·         вода

·         кислоты

·         соли