Их химия — одна строчка: металл всегда отдаёт электроны. Дальше решает лишь ряд активности — и особые правила для HNO₃, H₂SO₄(конц.) и щелочей.
Атомы металлов легко отдают электроны внешнего (а у переходных — и предвнешнего) слоя, превращаясь в катионы: Me0 − nē = Men+. Металлы стоят в главных подгруппах ниже диагонали бор–астат и во всех побочных подгруппах. Металлические (и восстановительные) свойства растут справа налево по периоду и сверху вниз по группе — к францию.
Свободные электроны отражают свет.
«Электронный газ» переносит заряд и тепло.
Слои ионов скользят, не разрушая связь.
При н.у. все металлы твёрдые, кроме ртути (жидкость). Цвет обычно серебристо-белый/серый, кроме меди (красновато-коричневая) и золота (жёлтое). Натрий и другие ЩМ на воздухе быстро окисляются — их хранят под слоем керосина.
ЩМ и ЩЗМ: 1–2 внешних электрона, минимальная ЭО, сильнейшие восстановители. Mg и Al менее активны, но активнее большинства остальных.
В рамках ЕГЭ — только Al, Be, Zn. Реагируют и с кислотами, и со щелочами.
Реагируют только с кислотами, со щелочами — нет. Все металлы, кроме ЩМ, ЩЗМ и амфотерных.
Электрохимический ряд напряжений (шкала в шапке) отвечает почти на все вопросы задания. Чем левее металл — тем сильнее восстановитель.
Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb (H₂) Sb Bi Cu Hg Ag Pt Au
1. Металлы до H вытесняют водород из кислот-неокислителей. 2. Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли или из оксида. 3. Самые левые (ЩМ, ЩЗМ) реагируют даже с водой при н.у.
Металлы друг с другом не реагируют. С сильными окислителями-неметаллами (O₂, галогены, S) реагируют практически все металлы. Со слабыми (N₂, P, C, Si, H₂) — только активные (Li–Mg, Al, для P ещё и Zn).
| Неметалл | Продукт | Особые случаи |
|---|---|---|
| O₂ | оксиды (O-2) | Na/K/Rb/Cs → пероксид/надпероксид; Fe → Fe₃O₄; Cu: недостаток→Cu₂O, избыток→CuO; Ag, Au, Pt не реагируют |
| F₂, Cl₂, Br₂, I₂ | галогениды | Fe c F₂/Cl₂/Br₂ → Fe3+; c I₂ → Fe2+. Cu аналогично: Cl₂/Br₂ → Cu2+, I₂ → Cu1+(CuI) |
| S | сульфиды (S-2) | Fe + S → FeS (только +2, сера — слабый окислитель) |
| N₂ (актив. Me) | нитриды (N-3) | Li реагирует уже при н.у.: 6Li+N₂→2Li₃N |
| P (актив. Me + Zn) | фосфиды (P-3) | 3Zn+2P→Zn₃P₂ |
| C (ЩМ, ЩЗМ, Mg) | карбиды-ацетилениды (C₂2-) | Al даёт карбид-метанид: 4Al+3C→Al₄C₃ (C-4) |
| Si (ЩМ, ЩЗМ, Mg) | силициды (Si-4) | Al с кремнием не реагирует |
| H₂ (только ЩМ, ЩЗМ) | гидриды (H-1) | 2Na+H₂→2NaH |
Ряд ЭО: металлы < Si≈H≈P < C < S < I < Br < Cl < N < O < F. Чем правее неметалл — тем сильнее окислитель, тем шире круг металлов, готовых с ним реагировать без нагрева.
Металлы левее железа способны вытеснять водород из воды, но условия разные.
| Группа | Условия | Продукт | Пример |
|---|---|---|---|
| ЩМ, ЩЗМ | н.у. | щёлочь + H₂↑ | 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ |
| Mg, Al | нагрев / удаление оксидной плёнки | гидроксид + H₂↑ | Mg + 2H₂O →(t) Mg(OH)₂ + H₂↑ |
| Mn, Zn, Cr, Fe | раскалённый водяной пар | оксид + H₂↑ | 3Fe + 4H₂O →(t) Fe₃O₄ + 4H₂ |
Al покрыт тонкой, но очень прочной плёнкой Al₂O₃ и с водой при н.у. не реагирует. Только если плёнку снять (амальгама Hg/Al), металл бурно реагирует: 2Al + 6H₂O →(амальгама) 2Al(OH)₃ + 3H₂↑.
HCl, HBr, HI, H₂SO₄(разб.), H₃PO₄, CH₃COOH и др. — окислитель здесь H+. Реагируют металлы до водорода в ряду активности.
Ион H+ слишком слабый окислитель, чтобы поднять Fe или Cr до +3 — там всегда получается соль Fe(II)/Cr(II), в отличие от кислот-окислителей.
Азотная кислота — окислитель при любой концентрации: окисляет за счёт N+5, а не H+. Реагируют все металлы, кроме Au, Pt, Pd. Водород почти никогда не выделяется. Чем активнее металл и разбавленнее кислота — тем глубже восстанавливается азот.
| Металл | HNO₃(конц.) | HNO₃(разб.) |
|---|---|---|
| неактивный (Cu, Ag, Hg, Pb) | NO₂↑ | NO↑ |
| средней активности (Zn, Fe, Cr) | NO₂ (по смыслу) | NO (по смыслу) |
| Al, Fe, Cr | пассивируются на холоде, реагируют при t° | реагирует как металл средней активности |
| активный (ЩМ, ЩЗМ, Mg) | N₂O↑ | NH₄NO₃ (без газа) |
Al, Cr, Fe на холоде не реагируют с концентрированными HNO₃ и H₂SO₄ — мешает тонкая прочная оксидная плёнка. Реакция идёт только при нагревании.
Серная кислота — окислитель только при массовой доле >70% (за счёт S+6). Разбавленная H₂SO₄ ведёт себя как обычная кислота-неокислитель.
| Металл | Продукт восстановления S |
|---|---|
| неактивный (Cu, Ag, Hg) | только SO₂↑ |
| средней активности (Zn) | SO₂ / S / H₂S — по смыслу |
| активный (ЩМ, ЩЗМ, Mg) | только H₂S↑ |
Более активный металл (левее в ряду) вытесняет менее активный из раствора его соли или из его оксида — при условии, что сам не реагирует с водой.
Только «амфотерные» металлы — Al, Zn, Be — реагируют со щелочами. Остальные металлы со щелочами не взаимодействуют.
В природе активные металлы существуют только в соединениях — их нужно восстановить. Способ зависит от активности.
Для ЩМ, ЩЗМ, Mg, Al — единственный способ. 2NaCl →(эл-з) 2Na + Cl₂
Для средних и неактивных: C, CO, H₂, NH₃. FeO + CO →(t) Fe + CO₂
Более активный металл вытесняет менее активный. 2Al + Cr₂O₃ →(t) Al₂O₃ + 2Cr
Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe: 3Fe₂O₃+CO→2Fe₃O₄+CO₂; Fe₃O₄+CO→3FeO+CO₂; FeO+CO→Fe+CO₂.
Углеродом и водородом из оксида получают только металлы средней и малой активности (Fe, Zn, Cu, Pb). Оксиды Al, Mg, Ca, Na они не восстанавливают — связь металл–кислород слишком прочная. Для этих металлов остаётся только электролиз расплава.
| Активность металла | Способ получения | Пример |
|---|---|---|
| Li — Al (очень активные) | электролиз расплава | 2Al₂O₃ →(эл-з, криолит) 4Al + 3O₂ |
| Zn — Pb (средние) | пирометаллургия: C, CO, H₂, металлотермия | ZnO + C →(t) Zn + CO |
| Cu — Ag (малоактивные) | обжиг + восстановление, электролиз раствора | 2Cu₂O + Cu₂S →(t) 6Cu + SO₂ |
| Au, Pt (благородные) | встречаются в самородном виде | механическое обогащение |
Сульфидные руды сначала обжигают, переводя в оксид, и только потом восстанавливают:
Металлы получают, затрачивая энергию, — и природа стремится вернуть их обратно в соединения. Этот самопроизвольный процесс и есть коррозия.
Коррозия — самопроизвольное разрушение металла под действием окружающей среды. Металл при этом окисляется, то есть выступает восстановителем.
Прямое взаимодействие с сухими газами или неэлектролитами, без электрического тока. Пример: окалина на раскалённой стали.
3Fe + 2O₂ →(t) Fe₃O₄
Идёт во влажной среде (электролите) при контакте двух разных металлов. Возникает гальванопара, разрушается более активный.
4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃
При контакте двух металлов во влажной среде разрушается тот, что активнее (левее в ряду). Он становится анодом и отдаёт электроны, а второй металл остаётся целым. Именно на этом построена вся защита.
| Способ | Как работает | Пример |
|---|---|---|
| Защитные покрытия | изолируют металл от среды | краска, лак, смазка, эмаль |
| Анодное покрытие (протекторная защита) | покрывают более активным металлом: он разрушается вместо основного | оцинкованное железо; цинковые пластины на корпусе судна |
| Катодное покрытие | покрывают менее активным; защищает, только пока плёнка цела | лужёное железо (олово) |
| Легирование | добавляют Cr, Ni — образуется стойкая плёнка | нержавеющая сталь |
| Ингибиторы | замедляют коррозию в среде | добавки в системы отопления |
Цинк активнее железа: при царапине разрушается он, а железо остаётся целым — защита работает даже с повреждением. Олово менее активно: как только консервная банка поцарапана, железо становится анодом и ржавеет быстрее, чем без покрытия. Это классический вопрос экзамена.
Цинк. Он активнее железа, поэтому в гальванопаре станет анодом и будет разрушаться сам, сохраняя деталь (протекторная защита). Медь менее активна — она превратит железо в анод, и деталь начнёт разрушаться быстрее, чем вообще без обмотки.
Ответь мысленно, потом раскрой карточку.
Нет. Медь стоит после H в ряду активности — водород из кислот-неокислителей она не вытесняет.
Да. Цинк активнее меди → вытесняет её: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.
Калий очень активен: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑ (бурно, с воспламенением водорода).
Только электролизом расплава Al₂O₃ в криолите. Химическим восстановлением такой активный металл не получить.
Из-за пассивации — тонкая прочная оксидная плёнка блокирует доступ кислоты к металлу. При нагревании плёнка разрушается, и реакция идёт: Fe + 6HNO₃(конц.) →(t) Fe(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O.
До +3 — азотная кислота сильный окислитель независимо от концентрации: Fe + 4HNO₃(разб.) = Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O. Это отличает её от HCl/H₂SO₄(разб.), где Fe окисляется только до +2.
Al — амфотерный металл: 2Al + 2KOH + 6H₂O = 2K[Al(OH)₄] + 3H₂↑ (гидроксокомплекс + водород).
Нет. Со щелочами реагируют только Al, Zn, Be. Магний к «амфотерным» металлам не относится.
NH₄NO₃ — азот восстанавливается до минимальной с.о. −3, реакция протекает без выделения газа.
Хлор — сильный окислитель (высокая ЭО) → 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (Fe3+). Иод — слабый окислитель → Fe + I₂ → FeI₂ (только Fe2+).
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно