Ряд напряжений. Металлы с неметаллами

Атомы металлов имеют на внешнем уровне мало электронов и легко их отдают, поэтому все металлы в химических реакциях — восстановители. Насколько легко металл отдаёт электроны в водном растворе, показывает электрохимический ряд напряжений (ряд активности), составленный Н. Н. Бекетовым:

\[ \ce{Li},\ \ce{K},\ \ce{Ba},\ \ce{Ca},\ \ce{Na},\ \ce{Mg},\ \ce{Al},\ \ce{Mn},\ \ce{Zn},\ \ce{Cr},\ \ce{Fe},\ \ce{Ni},\ \ce{Sn},\ \ce{Pb},\ \mathbf{H},\ \ce{Cu},\ \ce{Hg},\ \ce{Ag},\ \ce{Pt},\ \ce{Au} \]

Слева направо восстановительная способность металлов уменьшается, а окислительная способность их ионов растёт: ион \(\ce{Ag+}\) — сильный окислитель, ион \(\ce{K+}\) практически не восстанавливается. Положение металла в ряду определяет его реакции с водой, кислотами и солями (следующий раздел).

Металлы с кислородом

С кислородом реагируют почти все металлы, кроме серебра, золота и платины. Щелочные металлы горят с образованием разных продуктов: литий — оксида, натрий — пероксида, калий, рубидий, цезий — надпероксидов. Железо сгорает в окалину, медь при нагревании чернеет:

\[ \ce{4Li + O2 -> 2Li2O}; \qquad \ce{2Na + O2 -> Na2O2}; \qquad \ce{K + O2 -> KO2}; \qquad \ce{3Fe + 2O2 -> Fe3O4}; \qquad \ce{2Cu + O2 ->[t^\circ] 2CuO} \]

Алюминий, цинк и хром на воздухе покрываются тонкой прочной оксидной плёнкой, которая защищает их от дальнейшего окисления.

Металлы с галогенами и серой

Металлы с переменной степенью окисления дают с сильными окислителями (хлор, бром) соединения высшей степени окисления, а со слабыми (сера, иод) — низшей:

\[ \ce{2Fe + 3Cl2 ->[t^\circ] 2FeCl3}, \text{ но } \ce{Fe + S ->[t^\circ] FeS} \text{ и } \ce{Fe + I2 -> FeI2}; \qquad \ce{Cu + Cl2 -> CuCl2}, \text{ но } \ce{2Cu + S ->[t^\circ] Cu2S} \]

Сульфид алюминия получают только сухим путём, сплавлением (\(\ce{2Al + 3S ->[t^\circ] Al2S3}\)): в воде он гидролизуется полностью. Ртуть реагирует с серой уже при растирании: \(\ce{Hg + S -> HgS}\) — так собирают пролитую ртуть.

Металлы с водородом, азотом, углеродом

С водородом при нагревании реагируют только самые активные металлы, образуя ионные гидриды: \(\ce{2Na + H2 ->[t^\circ] 2NaH}\), \(\ce{Ca + H2 ->[t^\circ] CaH2}\). С азотом литий реагирует уже при комнатной температуре, магний, кальций, алюминий — при нагревании: \(\ce{6Li + N2 -> 2Li3N}\), \(\ce{3Mg + N2 ->[t^\circ] Mg3N2}\). С углеродом при высокой температуре образуются карбиды: \(\ce{Ca + 2C ->[t^\circ] CaC2}\), \(\ce{4Al + 3C ->[t^\circ] Al4C3}\).