Химические свойства металлов. Электрохимический ряд напряжений

Все металлы — восстановители, но их активность очень различается. Натрий бурно реагирует с водой, железо ржавеет годами, а золото веками не тускнеет. Чтобы предсказывать реакции металлов, химики расположили их в ряд по активности.

Электрохимический ряд напряжений

Электрохимический ряд напряжений металлов — это ряд, в котором металлы расположены в порядке уменьшения их восстановительной активности. В ряд включён и водород, потому что с ним удобно сравнивать металлы:

\[ \ce{Li}, \ce{K}, \ce{Ba}, \ce{Ca}, \ce{Na}, \ce{Mg}, \ce{Al}, \ce{Mn}, \ce{Zn}, \ce{Cr}, \ce{Fe}, \ce{Ni}, \ce{Sn}, \ce{Pb}, (\ce{H2}), \ce{Cu}, \ce{Hg}, \ce{Ag}, \ce{Pt}, \ce{Au} \]

Чем левее стоит металл, тем легче он отдаёт электроны и тем энергичнее реагирует. Чем правее, тем металл «благороднее» и тем легче его ионы принимают электроны обратно.

Взаимодействие металлов с неметаллами

Взаимодействие металлов с неметаллами даёт бинарные соединения: с кислородом — оксиды, с галогенами — галогениды, с серой — сульфиды. Активные металлы реагируют уже при обычных условиях, менее активные — при нагревании, а золото и платина с кислородом не реагируют вовсе.

\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO}, \qquad \ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3}, \qquad \ce{2Cu + O2 ->[t^\circ] 2CuO} \]

\[ \ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}, \qquad \ce{Zn + S ->[t^\circ] ZnS}, \qquad \ce{3Mg + N2 ->[t^\circ] Mg3N2} \]

Взаимодействие металлов с водой

Самые активные металлы, от лития до кальция, при обычных условиях вытесняют водород из воды и образуют щёлочи. Магний реагирует с горячей водой. Металлы средней активности (алюминий, цинк, железо) реагируют только с водяным паром при высокой температуре, образуя оксиды. Металлы, стоящие в ряду после водорода, с водой не реагируют. Такова картина взаимодействия металлов с водой:

\[ \ce{2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 ^}, \qquad \ce{Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2 ^} \]

\[ \ce{Mg + 2H2O ->[t^\circ] Mg(OH)2 + H2 ^}, \qquad \ce{Zn + H2O ->[t^\circ] ZnO + H2}, \qquad \ce{3Fe + 4H2O ->[t^\circ] Fe3O4 + 4H2} \]

Щелочные металлы

Ярче всех реагируют с водой щелочные металлы — литий, натрий, калий. Кусочек натрия, брошенный в воду, плавится в блестящий шарик и с шипением бегает по поверхности, а калий сразу вспыхивает фиолетовым пламенем. Щелочные металлы так активны, что на воздухе мгновенно окисляются, поэтому их хранят под слоем керосина. Натрий при горении образует не оксид, а пероксид \(\ce{Na2O2}\). Соединения щелочных металлов окрашивают пламя: литий — в малиновый цвет, натрий — в жёлтый, калий — в фиолетовый.

Взаимодействие металлов с кислотами

Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, вытесняют водород из растворов кислот — соляной и разбавленной серной. Металлы после водорода (медь, ртуть, серебро, золото) с этими кислотами не реагируют. Это главное правило взаимодействия металлов с кислотами. Обратите внимание: железо при этом окисляется только до +2.

\[ \ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}, \qquad \ce{Mg + H2SO4 -> MgSO4 + H2 ^}, \qquad \ce{Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2 ^} \]

Азотная кислота любой концентрации и концентрированная серная кислота реагируют с металлами иначе: водород не выделяется, а в реакцию вступают и некоторые металлы после водорода, например медь. Эти особые свойства разобраны в теме 4.8.

Вытеснение металлов из растворов солей

Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли. Если опустить железный гвоздь в раствор медного купороса, он покроется красным налётом меди, а голубой раствор постепенно позеленеет, потому что в нём появятся ионы железа(II). Так проявляется вытеснение металлов из растворов солей:

\[ \ce{Fe + CuSO4 -> FeSO4 + Cu}, \qquad \ce{Zn + CuCl2 -> ZnCl2 + Cu}, \qquad \ce{Cu + 2AgNO3 -> Cu(NO3)2 + 2Ag} \]

Из этого правила есть важное исключение. Металлы, которые реагируют с водой (натрий, калий, кальций), в растворе соли прежде всего реагируют с водой: натрий в растворе сульфата меди(II) даёт водород и голубой осадок гидроксида меди(II), а не медь.

Амфотерные металлы

Алюминий и цинк отличаются от других металлов тем, что реагируют не только с кислотами, но и с растворами щелочей, вытесняя водород. Это амфотерные металлы, им соответствуют амфотерные оксиды и гидроксиды (темы 4.6 и 4.7):

\[ \ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}, \qquad \ce{Zn + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2 ^} \]

Хотя алюминий стоит в ряду левее цинка и железа, на воздухе он не ржавеет: его поверхность покрыта тонкой прочной плёнкой оксида, которая защищает металл.