Химическая активность металлов это

Обновлено: 17.05.2024

Электрохимический ряд активности (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) металлов — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ 0 , отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Me n+ : Me n+ + nē → Me

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительные реакциях в водных растворах.

Содержание

История

Последовательность расположения металлов в порядке изменения их химической активности в общих чертах была известна уже алхимикам [1] . Процессы взаимного вытеснения металлов из растворов и их поверхностное осаждение (например, вытеснение серебра и меди из растворов их солей железом) рассматривались как проявление трансмутации элементов.

Поздние алхимики вплотную подошли к пониманию химической стороны взаимного осаждения металлов из их растворов. Так, Ангелус Сала в работе «Anatomia Vitrioli» (1613) пришёл к выводу, что продукты химических реакций состоят из тех же «компонентов», которые содержались в исходных веществах. Впоследствии Роберт Бойль предложил гипотезу о причинах, по которым один металл вытесняет другой из раствора на основе корпускулярных представлений [2] .

В 1793 году Алессандро Вольта, конструируя гальванический элемент («Вольтов столб»), установил относительную активность известных тогда металлов: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. «Сила» гальванического элемента оказывалась тем больше, чем дальше стояли друг от друга металлы в этом ряду («ряд напряжений»). Однако Вольта не связал этот ряд с химическими свойствами металлов.

В 1798 году Иоганн Вильгельм Риттер указал, что ряд Вольта эквивалентен ряду окисления металлов (т. е. последовательности уменьшения их сродства с кислородом). Таким образом, Риттер высказал гипотезу о возникновении электрического тока вследствие протекания химической реакции [3] .

В эпоху становления классической химии способность элементов вытеснять друг друга из соединений стала важным аспектом понимания реакционной способности. Й. Берцелиус на основе электрохимической теории сродства построил классификацию элементов, разделив их на «металлоиды» (сейчас применяется термин «неметаллы») и «металлы» и поставив между ними водород.

Не отрицая значительных заслуг Бекетова в становлении современных представлений об ряде активности металлов, следует считать ошибочным бытующее в отечественной популярной и учебной литературе представление о нём как единственном создателе этого ряда. [5] [6] .

Многочисленные экспериментальные данные, полученные в конце XIX века, опровергали гипотезу Бекетова. Так, Уильям Одлинг описал множество случаев «обращения активности». Например, медь вытесняет олово из концентрированного подкисленного раствора SnCl₂ и свинец — из кислого раствора PbCl₂; она же способна к растворению в концентрированной соляной кислоте с выделением водорода. Медь, олово и свинец находятся в ряду правее кадмия, однако могут вытеснять его из кипящего слабо подкисленного раствора CdCl₂.

Бурное развитие теоретической и экспериментальной физической химии указывало на иную причину различий химической активности металлов. С развитием современных представлений электрохимии (главным образом в работах Вальтера Нернста) стало ясно, что эта последовательность соответствует «ряду напряжений» – расположению металлов по значению стандартных электродных потенциалов. Таким образом, вместо качественной характеристики — «склонности» металла и его иона к тем или иным реакциям — Нерст ввёл точную количественную величину, характеризующую способность каждого металла переходить в раствор в виде ионов, а также восстанавливаться из ионов до металла на электроде, а соответствующий ряд получил название ряда стандартных электродных потенциалов.

Теоретические основы

Значения электрохимических потенциалов являются функцией многих переменных и поэтому обнаруживают сложную зависимость от положения металлов в периодической системе. Так, окислительный потенциал катионов растёт с увеличением энергии атомизации металла, с увеличением суммарного потенциала ионизации его атомов и с уменьшением энергии гидратации его катионов.

В самом общем виде ясно, что металлы, находящиеся в начале периодов характеризуются низкими значениями электрохимических потенциалов и занимают места в левой части ряда напряжений. При этом чередование (щелочных и щёлочноземельных металлов отражает явление диагонального сходства. Металлы, расположенные ближе к серединам периодов, характеризуются большими значениями потенциалов и занимают места в правой половине ряда. Последовательное увеличение электрохимического потенциала (от −3,395 В у пары Eu 2+ /Eu [источник не указан 228 дней] до +1,691 В у пары Au + /Au) отражает уменьшение восстановительной активности металлов (свойство отдавать электроны) и усиление окислительной способности их катионов (свойство присоединять электроны). Таким образом, самым сильным восстановителем является металлический европий, а самым сильным окислителем — катионы золота Au + .

В ряд напряжений традиционно включается водород, поскольку практическое измерение электрохимических потенциалов металлов производится с использованием стандартного водородного электрода.

Практическое использование ряда напряжений

Ряд напряжений используется на практике для сравнительной оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот и для оценки катодных и анодных процессов при электролизе:

Урок №48. Химические свойства металлов. Ряд активности (электрохимический ряд) металлов

Химические свойства металлов определяются их активностью. Простые вещества – металлы в химических реакциях всегда являются восстановителями . Положение металла в ряду активности характеризует то, насколько активно данный металл способен вступать в химические реакции (т. е. то, насколько сильно у него проявляются восстановительные свойства).

Среди металлов традиционно выделяют несколько групп.

благородные металлы (серебро, золото, платина, иридий);

щелочные металлы – I(A) группа ;

щелочноземельные металлы – II(A) группа , кроме Be, Mg.

Металлы встпают в реакции с простыми веществами – неметаллами (кислород, галогены, сера, азот, фосфор и др.) и сложными веществами (вода, кислоты, растворы солей)

Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами

1. Металлы взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды:

4Li + O ₂ = обыч. усл . = 2Li ₂ O

2Mg + O ₂ = t, °C = 2MgO

Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют

2. Металлы взаимодействуют с галогенами (фтором, хлором, бромом и йодом), образуя галогениды – Ме +n Г -1 _n

2Na + Cl ₂ = 2NaCl

3. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.

4. Активные металлы при нагревании реагируют с азотом, фосфором и некоторыми другими неметаллами.

3Na + P = t, °C = Na ₃ P

Взаимодействие со сложными веществами

I. Взаимодействие воды с металлами

1). Взаимодействие с самыми активными металлами, находящимися в периодической системе в I(А) и II(А) группах (щелочные и щелочноземельные металлы) и алюминий . В результате образуются основание и газ водород .

Me + H ₂ O = Me(OH) _n + H ₂ (р. замещения)

Внимание! Алюминий и магний ведут себя также:

Магний (в горячей воде):

2) Взаимодействие воды с менее активными металлами, которые расположены в ряду активности от алюминия до водорода.

Металлы средней активности, стоящие в ряду активности до (Н ₂ ) – Be, Fe, Pb, Cr, Ni, Mn, Zn – реагируют с образованием оксида металла и водорода

Me + Н ₂ О = Ме _х О _у + Н ₂ (р. замещения)

Бериллий с водой образует амфотерный оксид:

Be + H ₂ O = t°C = BeO + H ₂

Раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe ₃ O ₄ и водород:

3) Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не реагируют с водой.

Cu + H ₂ O ≠ нет реакции

II. Взаимодействие растворов кислот с металлами

Металлы, стоящие в ряду активности металлов левее водорода, взаимодействуют с растворами кислот ( раствор азотной кислоты – исключение ), образуя соль и водород.

Кислота _{(раствор)} + Me _{до (Н2)} = Соль + H ₂ ↑

III. Взаимодействие кислот-окислителей с металлами

Металлы особо реагируют с серной концентрированной и азотной кислотами:

H ₂ SO ₄ (конц.) + Me = Сульфат + H ₂ O + Х

HNO ₃ + Me = Нитрат + H ₂ O + Х

4Zn + 10HNO _{3 (раствор горячий)} = t˚C = 4Zn(NO ₃ ) ₂ + N ₂ O + 5H ₂ O

4Zn + 10HNO _{3 (оч. разб. горячий)} = t˚C = 4Zn(NO ₃ ) ₂ + NH ₄ NO ₃ + 3H ₂ O

IV. С растворами солей менее активных металлов

Ме + Соль = Новый металл + Новая соль

Активность металла в реакциях с кислотами, водными растворами солей и др. можно определить, используя электрохимический ряд, предложенный в 1865 г русским учёным Н. Н. Бекетовым: от калия к золоту восстановительная способность (способность отдавать электроны) уменьшается, все металлы, стоящие в ряду левее водорода, могут вытеснять его из растворов кислот; медь, серебро, ртуть, платина, золото, расположенные правее, не вытесняют водород.

Химическая активность металлов это

Положение в периодической системе

1. Типичные металлы – s - элементы: IА - IIА группы (искл.Н)

2. Нетипичные металлы: р-элементы: IIIА гр. (кроме В), IV гр – Ge , Sn , Pb ; V гр.- Sb , Bi ; VI гр.- Po .

3. Переходные металлы: d -элементы – все элементы побочных подгрупп; f - элементы: лантоноиды, актиноиды.

У атомов металлов небольшое количество электронов (ē) на внешнем энергетическом уровне и большие радиусы атомов ( R )

Кристаллическая решетка – металлическая: состоит из чередующихся в пространстве атомов и положительных ионов, внутри-общие электроны– «электронный газ».

Тип химической связи – металлическая.

Металлические (восстановительные) свойства в группе (А п/гр) усиливаются (растет R атома _, и электроны легче отрываются), в периоде – ослабляются (растет заряд ядра, электроны внешнего уровня сильнее удерживаются).

Восстановительные свойства уменьшаются (активность металлов уменьшается)

Li, Cs,Rb,K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Co, Sn, Ni, Pb, H₂_, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Физические свойства

Наличие свободных электронов обуславливает:

Металлический блеск (непрозрачность)-ē отражают световые лучи, большинство металлов в порошкообразном состоянии теряют свой блеск, за исключением алюминия и магния.
Цвет Большинство металлов светло-серого цвета (Исключение: золото - желтое, медь- красная, цезий - светло-желтый)
Электропроводность (свободные ē приобретают направленное движение) Лучшие проводники электричества: Cu , Ag , далее Au , Al , Fe. С повышением температуры – электропроводность понижается, т.к. усиливаются колебания атомов, электронам трудно перемещаться.
Теплопроводность
Пластичность
Плотность ( Самый легкий - Li , самые тяжелые - Os и Ir)
Температура плавления ( самый легкоплавкий - Hg −39 °C , самый тугоплавкий – W 3410 °C )
Твердость (щелочные металлы можно резать ножом, самый твердый – Cr) Большинство металлов твердые, за исключением ртути и ,условно, франция.

Получение

· Пирометаллургия- получение из руд при высоких температурах при взаимодействии с хорошими восстановителями (H₂, CO,C и др.)

Выделяют два этапа: 1) Обжиг металлсодержащей руды; 2) Получение чистого металла

· Металлотермия- восстановление металлами (алюминотермия, кальцийтермия, магнийтермия и т.д.):

· Гидрометаллургия- соединения металлов переводят в раствор и восстанавливают:

· Электрометаллургия – электролиз растворов и расплавов:

Запомнить: Алюминий получают из оксида (глинозема, бокситов и т.д.) в расплаве криолита Na ₃ AlF ₆

Запомнить: Металлы никогда не вытесняют из Н N О_3(к) H ₂ SO _4(к) водород; они пассивируют Al , Cr , Fe

в) Взаимодействие с солями ( более активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей )
CuCl ₂ + Fe = FeCl ₂ + Cu;
- но если металл взаимодействует с водой, то
CuCl ₂ +2К +2 H ₂ O = 2К Cl + Cu (ОН)₂↓+ Н₂↑; т.к.: 1) 2К + 2 H ₂ O = 2КОН+ Н₂ 2) CuCl ₂ +2КОН= Cu (ОН)₂↓+ 2К Cl
г) Взаимодействуют с оксидами металлов и неметаллов:

е)Другое:
Между собой образуют интерметаллические соединения, сплавы: Na ₂ Sb
С органическими веществами ( со спиртами, фенолами, карбоновыми кислотами и др. )

Химические свойства металлов

Свойства металлов начинают изучать на уроках химии в 8–9 классе. В этом материале мы подробно разберем химические свойства этой группы элементов, а в конце статьи вы найдете удобную таблицу-шпаргалку для запоминания.

О чем эта статья:

8 класс, 9 класс, ЕГЭ/ОГЭ

Металлы — это химические элементы, атомы которых способны отдавать электроны с внешнего энергетического уровня, превращаясь в положительные ионы (катионы) и проявляя восстановительные свойства.

В окислительно-восстановительных реакциях металлы способны только отдавать электроны, являясь сильными восстановителями. В роли окислителей выступают простые вещества — неметаллы (кислород, фосфор) и сложные вещества (кислоты, соли и т. д.).

Металлы в природе встречаются в виде простых веществ и соединений. Активность металла в химических реакциях определяют, используя электрохимический ряд, который предложил русский ученый Н. Н. Бекетов. По химической активности выделяют три группы металлов.

Ряд активности металлов

Металлы средней активности

Общие химические свойства металлов

Взаимодействие с неметаллами

Щелочные металлы сравнительно легко реагируют с кислородом, но каждый металл проявляет свою индивидуальность:

оксид образует только литий

натрий образует пероксид

калий, рубидий и цезий — надпероксид

Остальные металлы с кислородом образуют оксиды:

2Zn + O₂ = 2ZnO (при нагревании)

Металлы, которые в ряду активности расположены левее водорода, при контакте с кислородом воздуха образуют ржавчину. Например, так делает железо:

С галогенами металлы образуют галогениды:

Медный порошок реагирует с хлором и бромом (в эфире):

При взаимодействии с водородом образуются гидриды:

Взаимодействие с серой приводит к образованию сульфидов (реакции протекают при нагревании):

Реакции с фосфором протекают до образования фосфидов (при нагревании):

Основной продукт взаимодействия металла с углеродом — карбид (реакции протекают при нагревании).

Из щелочноземельных металлов с углеродом карбиды образуют литий и натрий:

Калий, рубидий и цезий карбиды не образуют, могут образовывать соединения включения с графитом:

С азотом из металлов IA группы легко реагирует только литий. Реакция протекает при комнатной температуре с образованием нитрида лития:

Взаимодействие с водой

Все металлы I A и IIA группы реагируют с водой, в результате образуются растворимые основания и выделяется H2. Литий реагирует спокойно, держась на поверхности воды, натрий часто воспламеняется, а калий, рубидий и цезий реагируют со взрывом:

Металлы средней активности реагируют с водой только при условии, что металл нагрет до высоких температур. Результат данной реакции — образование оксида.

Неактивные металлы с водой не взаимодействуют.

Взаимодействие с кислотами

Если металл расположен в ряду активности левее водорода, то происходит вытеснение водорода из разбавленных кислот. Данное правило работает в том случае, если в реакции с кислотой образуется растворимая соль.

2Na + 2HCl = 2NaCl + H₂

При взаимодействии с кислотами-окислителями, например, азотной, образуется продукт восстановления кислоты, хотя протекание реакции также неоднозначно.

Металлы IА группы:

Металлы IIА группы

Такие металлы, как железо, хром, никель, кобальт на холоде не взаимодействуют с серной кислотой, но при нагревании реакция возможна.

Взаимодействие с солями

Металлы способны вытеснять из растворов солей другие металлы, стоящие в ряду напряжений правее, и могут быть вытеснены металлами, расположенными левее:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

На металлы IА и IIА группы это правило не распространяется, так как они реагируют с водой.

Реакция между металлом и солью менее активного металла возможна в том случае, если соли — как вступающие в реакцию, так и образующиеся в результате — растворимы в воде.

Взаимодействие с аммиаком

Щелочные металлы реагируют с аммиаком с образованием амида натрия:

Взаимодействие с органическими веществами

Металлы IА группы реагируют со спиртами и фенолами, которые проявляют в данном случае кислотные свойства:

Также они могут вступать в реакции с галогеналканами, галогенпроизводными аренов и другими органическими веществами.

Взаимодействие металлов с оксидами

Для металлов при высокой температуре характерно восстановление неметаллов или менее активных металлов из их оксидов.

3Са + Cr₂O₃ = 3СаО + 2Cr (кальциетермия)

Вопросы для самоконтроля

С чем реагируют неактивные металлы?

С чем связаны восстановительные свойства металлов?

Верно ли утверждение, что щелочные и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой, образуя щелочи?

Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции по схеме:

Mg + HNO3 → Mg(NO3)2 + NH4NO3 + Н2O

Как металлы реагируют с кислотами?

Подведем итоги

От активности металлов зависит их химические свойства. Простые вещества — металлы в окислительно-восстановительных реакциях являются восстановителями. По положению металла в электрохимическом ряду можно судить о том, насколько активно он способен вступать в химические реакции (т. е. насколько сильно у металла проявляются восстановительные свойства).

Напоследок поделимся таблицей, которая поможет запомнить, с чем реагируют металлы, и подготовиться к контрольной работе по химии.

Таблица «Химические свойства металлов»

Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb

Cu, Hg, Ag, Pt, Au

Восстановительная способность металлов в свободном состоянии

Возрастает справа налево

Взаимодействие металлов с кислородом

Быстро окисляются при обычной температуре

Медленно окисляются при обычной температуре или при нагревании

Взаимодействие с водой

Выделяется водород и образуется гидроксид

При нагревании выделяется водород и образуются оксиды

Водород из воды не вытесняют

Взаимодействие с кислотами

Вытесняют водород из разбавленных кислот (кроме HNO₃)

Не вытесняют водород из разбавленных кислот

Реагируют с концентрированными азотной и серной кислотами

С кислотами не реагируют, растворяются в царской водке

Взаимодействие с солями

Не могут вытеснять металлы из солей

Более активные металлы (кроме щелочных и щелочноземельных) вытесняют менее активные из их солей

Взаимодействие с оксидами

Для металлов (при высокой температуре) характерно восстановление неметаллов или менее активных металлов из их оксидов

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Химическая активность элементов зависит не только от числа электронов на внешних энергетических уровнях атомов, но и от размеров атомов, формы электронных облаков, электронной плотности и степени симметрии расположения этих облаков. [2]

Как изменяется химическая активность элементов в ряду магний - барий. [3]

В зависимости от химической активности элемента отдача им электрона и обратный процесс - присоединение электронов к его положительно заряженному иону - осуществляется с различной легкостью. [4]

Последние величины иллюстрируют уменьшение химической активности элементов V , VI и VII групп и как следствие, рост неустойчивости ЭН3, ЭН2 и ЭН с увеличением порядкового номера Э; в то же время они свидетельствуют об усилении восстановительной активности соединений в этих вертикальных рядах. [5]

Последние величины иллюстрируют уменьшение химической активности элементов V , VI и VII. ЭН с увеличением порядкового номера Э; в то же время они свидетельствуют об усилении восстановительной активности соединений в этих вертикальных рядах. [6]

Легирование связано также с химической активностью элемента и упругостью его паров в условиях сварки. [7]

По мере заполнения электронами предвнешнего уровня химическая активность элементов понижается. Спаривание электронов на d - орбиталях уменьшает возможную максимальную степень окисления и увеличивает долю ковалентной составляющей связи. Вследствие лантаноидного сжатия у элементов, расположенных друг под другом, практически одинаковы атомные и ион-ные радиусы и наблюдается особая близость свойств. К концу триад наблюдается понижение устойчивых степеней окисления. Металлы в водных растворах не могут существовать в виде свободных ионов. [8]

Таким образом, здесь Н. Н. Бекетов близко подошел к представлениям об атомных радиусах и указал на их значение для характеристики химической активности элементов . [9]

Отсюда видно, что Н. Н. Бекетов весьма близко подошел к представлению об атомных радиусах и указал на их значение для характеристики химической активности элементов . [10]

Особенности сварочной технологии и возможность получения надежных в эксплуатации сварных соединений для различных служебных назначений определяются комплексом физико-механических свойств материалов, главнейшими из которых являются следующие: удельное электрическое сопротивление; теплопроводность; теплоемкость и скрытая теплота плавления; коэффициент теплового расширения; механические свойства при различных температурах; изменение структуры и свойств металла при различных видах термического воздействия на него; химическая активность элементов , входящих в состав свариваемого металла, в твердом и расплавленном состоянии. [11]

На воздухе медь покрывается рыхлым слоем основных карбонатов, серебро чернеет ( Ag2S) от наличия сероводорода, в то время как золото не изменяется. Химическая активность элементов в подгруппе меди сверху вниз падает. Об этом свидетельствуют также закономерно возрастающие положительные значения стандартных электродных потенциалов. [12]

Как видно, элементы пятого и шестого периодов растворяются в растворах кислот, в которых они образуют анионные комплексы, причем, как правило, в присутствии сильных окислителей. При нагревании химическая активность элементов заметно возрастает. Рассматриваемые металлы проявляют в соединениях переменную степень окисления, причем для элементов четвертого периода более характерны низшие степени окисления ( 2 и 4), а для элементов пятого и шестого периодов - высшие степени окисления. Типичными координационными числами в соединениях являются 4, 6, 7 и 8, причем для Ti, V, Сг, Мо и W более характерны первые два, а для других элементов - вторые два числа. [14]

Подавляющее большинство элементов в природе находится в связанном состоянии - в виде соединений. При этом преобладающие формы соединений специфичны и определяются главным образом химической активностью элемента . Природные соединения, характерные для металлов, зависят от положения металлов в ряду активности: чем более активен металл, тем более ярко выраженный солеобразный характер имеют его соединения в природе. [15]

Читайте также: