Химические свойства металлов электрохимический ряд напряжений металлов
Обновлено: 17.05.2024
Первоначально Бекетов предполагал, что способность одних металлов вытеснять из растворов солей другие металлы связана с их плотностью: более лёгкие металлы способны вытеснять металлы более тяжелые. Но опыты говорили о ином. Непонятно было и то, как связан “вытеснительный ряд” с рядом напряжений Алессандро Вольта. Со временем накапливалось всё больше экспериментальных данных того, что некоторые правила вытеснения нарушаются при определенных условиях. Бекетов обнаружил, что водород под давлением 10 атмосфер вытесняет серебро из раствора нитрата серебра. Английский химик Уильям Одлинг (1829-1921) описал множество случаев подобных аномалий. Например, медь вытесняет олово из концентрированного подкисленного раствора хлорида олова (II) и свинец – из кислого раствора хлорида свинца (II). Медь, олово и свинец находятся в ряду правее кадмия, однако могут вытеснять его из кипящего слабо подкисленного раствора хлорид кадмия.
Теоретическую основу ряда активности (и ряда напряжений) заложил немецкий физикохимик Вальтер Нернст (1864-1941). Вместо качественной характеристики – “склонности” металла и его иона к тем или иным реакциям – появилась точная количественная величина. Такой величиной стал стандартный электродный потенциал металла, а соответствующий ряд, выстроенный в порядке изменения потенциалов, называется рядом стандартных электродных потенциалов.
Электрохимический ряд напряжений металлов (ряд Бекетова) это последовательность расположения металлов и их ионов в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов в растворах электролитов. Электродом сравнения обычно служит стандартный водородный электрод, электродный потенциал которого условно принимается равным нулю.
| Восстановленная форма | Число отданных електронов | Окисленная форма | Стандартный электродный потенциал, В |
| Li | 1e | Li + | -3,05 |
| K | 1e | K + | -2,925 |
| Rb | 1e | Rb + | -2,925 |
| Cs | 1e | Cs + | -2,923 |
| Ba | 2e | Ba 2+ | -2,91 |
| Sr | 2e | Sr 2+ | -2,89 |
| Ca | 2e | Ca 2+ | -2,87 |
| Na | 1e | Na + | -2,71 |
| Mg | 2e | Mg 2+ | -2,36 |
| Al | 3e | Al 3+ | -1,66 |
| Mn | 2e | Mn 2+ | -1,18 |
| Zn | 2e | Zn 2+ | -0,76 |
| Cr | 3e | Cr 3+ | -0,74 |
| Fe | 2e | Fe 2+ | -0,44 |
| Cd | 2e | Cd 2+ | -0,40 |
| Co | 2e | Co 2+ | -0,28 |
| Ni | 2e | Ni 2+ | -0,25 |
| Sn | 2e | Sn 2+ | -0,14 |
| Pb | 2e | Pb 2+ | -0,13 |
| Fe | 3e | Fe 3+ | -0,04 |
| H2 | 2e | 2H + | 0,00 |
| Cu | 2e | Cu 2+ | 0,34 |
| Cu | 1e | Cu + | 0,52 |
| 2Hg | 2e | Hg2 2+ | 0,79 |
| Ag | 1e | Ag + | 0,80 |
| Hg | 2e | Hg 2+ | 0,85 |
| Pt | 2e | Pt 2+ | 1,20 |
| Au | 3e | Au 3+ | 1,50 |
Место каждого элемента в ряду напряжений условно, т.к. величина электродного потенциала зависит от температуры и состава раствора, в который погружены электроды, в частности от концентрации ионов. Большое значение также имеет состояние поверхности электрода (гладкая, шероховатая). Стандартный электродный потенциал относится к водным растворам при температуре 25 °С, давлении газов 1 атмосфера и концентрации ионов 1 моль/л.
Из электрохимического ряда напряжений металлов вытекает ряд важных следствий:
- Каждый металл способен вытеснять (замещать) из растворов солей все другие металлы, стоящие правее данного металла;
- Все металлы, расположенные левее водорода, способны вытеснять его из кислот;
- Чем дальше расположены друг от друга два металла в ряду напряжений, тем большее напряжение может давать созданный из них гальванический элемент.
Восстановление водородом из оксидов
Металлы, которые водород не восстанавливает из их оксидов
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
Урок по химии на тему " Химические свойства металлов. Ряд активности (электрохимический ряд напряжений) металлов."
Цель урока: познакомить учащихся с химическими свойствами металлов, рассмотреть ряд активности (электрохимический ряд напряжений) металлов, развивать умение наблюдать, сравнивать, анализировать, делать предположения и выводы; воспитывать ответственное отношение к учебе.
Задачи урока:
Образовательные:
- рассмотреть химическую активность металлов исходя из положения в периодической таблице Д.И. Менделеева и в электрохимическом ряду напряжения металлов;
- рассмотреть химические свойства металлов.
Развивающие:
- развивать умения составлять уравнения реакций в соответствие с химическими свойствами металлов.
Воспитательные:
- воспитывать интерес к предмету, формировать навыки поведения в коллективном и индивидуальном учебном труде.
Планируемые результаты
- знать химические свойства металлов;
- уметь составлять уравнения реакций в соответствие с химическими свойствами металлов.
- формировать уважительное отношение к чужому мнению;
- формировать ответственное отношение к учению.
Метапредметные:
Коммуникативные:
- уметь слушать собеседника и вести диалог; уметь признавать возможность существования различных точек зрения.
Регулятивные:
- продолжить развитие умения планировать и регулировать свою деятельность, самостоятельно планировать пути достижения цели.
Познавательные:
- умение определять понятия, устанавливать аналогии, строить логические заключения и делать выводы.
Тип урока: урок изучения нового материала
I Организационный момент
II Актуализация опорных знаний учащихся
1.Дайте определение реакции замещения. (Реакция замещения – это реакция между простым и сложным веществом, в результате которой атомы простого вещества замещают один из атомов в сложном веществе)
2.Какие реакции с участием металлов вам известны? (Взаимодействие металлов с растворами кислот, с солями менее активных металлов)
3.Какие реакции замещения лежат в основе реакций получения металлов? (Взаимодействие оксидов металлов с водородом, углем, алюминием, оксидом углерода( II ))
4.Являются ли реакции замещения ОВР? (Все реакции замещения являются ОВР)
5.Окислителями или восстановителями являются металлы в реакциях замещения? (Металлы являются восстановителями)
IV Мотивация учебной деятельности
Из курса химии 8 класса вы уже знаете, что металлы отличаются по своей активности, и знаете химические свойства классов неорганических соединений. Но все ли химические свойства металлов вам известны? Как вы считаете, какова цель нашего урока?
V Изложение нового материала
Химические свойства металлов
По своим химическим свойствам все металлы являются восстановителями, все они сравнительно легко отдают валентные электроны, переходят в положительно заряженные ионы, то есть окисляются. Восстановительную активность металла в химических реакциях, протекающих в водных растворах, отражает его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов (Открыл и составил Н.Н.Бекетов)
Чем левее стоит металл в электрохимическом ряду напряжений металлов, тем более сильным восстановителем он является, самый сильный восстановитель – металлический литий, золото – самый слабый, и, наоборот, ион золото (III) – самый сильный окислитель, литий (I) – самый слабый.
Каждый металл способен восстанавливать из солей в растворе те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него, например, железо может вытеснять медь из растворов ее солей. Однако следует помнить, что металлы щелочных и щелочно - земельных металлов будут взаимодействовать непосредственно с водой.
Металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов разбавленных кислот, при этом растворяться в них.
Восстановительная активность металла не всегда соответствует его положению в периодической системе, потому что при определении места металла в ряду учитывается не только его способность отдавать электроны, но и энергия, которая затрачивается на разрушение кристаллической решетки металла, а также энергия, затрачиваемая на гидратацию ионов.
Физкультминутка
Чтобы голова не болела,
Ей вращаем вправо-влево. (Вращение головой)
А теперь руками крутим –
И для них разминка будет. ( Вращение прямых рук вперед и назад)
Тянем наши ручки к небу,
В стороны разводим. (Потягивания – руки вверх и в стороны)
Плавно производим. (Повороты туловища влево и вправо)
Достаем руками пол. ( Наклоны вперед)
Потянули плечи, спинки,
А теперь конец разминке. (Дети садятся)
I Взаимодействие с простыми веществами - неметаллами
1.С кислородом большинство металлов образует оксиды – амфотерные и основные:
Щелочные металлы, за исключением лития, образуют пероксиды:
2.С галогенами металлы образуют соли галогеноводородных кислот – галогениды:
3.С водородом самые активные металлы образуют ионные гидриды – солеподобные вещества, в которых водород имеет степень окисления -1.
4.С серой металлы образуют сульфиды:
5.С азотом некоторые металлы образуют нитриды, реакция практически всегда протекает при нагревании:
6.С углеродом образуются карбиды:
7.С фосфором – фосфиды:
II Взаимодействие со сложными веществами
1.Взаимодействие металлов с растворами кислот
Металлы, расположенные в ряду активности левее водорода взаимодействуют с растворами кислот по схеме:
Me + Hx КО → Ме x( КО )y + H2↑
2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2↑
2│Al 0 – 3e - → Al 3+ - окисление
3│2H + + 2e - → H2 – восстановление
2.Взаимодействие с водой
А) Щелочные и щелочно – земельные металлы (до Mg ) взаимодействуют с водой по схеме:
Б) Металлы от Mg до Pb взаимодействуют с водой по схеме:
Me + H 2 O → Me х O у + H 2 ↑
Металлы, стоящие в ряду активности после водорода с водой не взаимодействуют.
3. Взаимодействие металлов с солями менее активных металлов
Взаимодействие металлов с растворами солей.
В 1 пробирку налейте 2 – 3 мл раствора нитрата серебра ( I ), во 2 – 2 – 3 мл раствора сульфата меди ( II ), а в 3 – столько же раствора нитрата алюминия. В 1 пробирку положите тонкую медную проволоку, во 2 – стружку железа, а в 3 – медные стружки.
В 1 пробирке выпало серебро, во 2 пробирке выпала медь, в 3 пробирке ничего не произошло.
Вывод: металлы вытесняют только менее активные металлы из их солей.
VI Закрепление
1. Решите тестовые задания
1.Выберите группу элементов, в которой находятся только металлы:
А) Al, As, P; Б) Mg, Ca, Si; В) K, Ca, Pb
2. Укажите общее в строении атомов K и Li:
А) 2 электрона на последнем электронном слое;
Б) 1 электрон на последнем электронном слое;
В) одинаковое число электронных слоев.
3 . Металлический кальций проявляет свойства:
В) окислителя или восстановителя в зависимости от условий.
4. Металлические свойства натрия слабее, чем у –
А) магния; Б) калия; В) лития.
6. К неактивным металлам относятся:
А) алюминий, медь, цинк; Б) ртуть, серебро, медь;
В) кальций, бериллий, серебро.
2. Закончить уравнения практически осуществимых реакций, назвать продукты реакции
VII Домашнее задание
§ 41, выполнить упр. 2 стр. 14 8
VIII Рефлексия:
C какими трудностями вы столкнулись при изучении этой темы, и как вы решили эту проблему?
Урок по химии на тему "Химические свойства металлов. Электрохимический ряд" (9 класс)
Цель: Познакомить с важнейшими химическими свойствами металлов.
1. Рассмотреть химические свойства металлов; электрохимический ряд напряжения металлов;
2. Развивать умение пользоваться электрохимическим рядом напряжения металлов; составлять уравнения реакций; определять восстановитель и окислитель;
3. Воспитывать коллективизм, внимание, аккуратность.
Оборудование: ПСХЭ, табл. «Электрохимический ряд напряжения»
Тип урока: изучение нового материала
Методы: словесный, наглядный
Формы работы: индивидуальные, коллективные
Организационный момент
Приветствие, проверка готовности класса к уроку, психологический настрой.
Опрос домашнего задания
1. Фронтальный опрос
1. Назовите физические свойства металлов.
2. Назовите области применения металлов.
Изложение нового материала
Химические свойства металлов определяются их способностью к отдаче электронов и проявлять ярко выраженные восстановительные свойства.
По активности все металлы делятся на:
v Активные – щелочные, щелочноземельные;
v Средней активности – Zn , Ni , Fe и т.д.;
v Малоактивные – Au , Pt и платиновые металлы.
Самый опасный окислитель для металлов – кислород. Некоторые металлы окисляются кислородом воздуха, другие образуют защитную пленку.
1. Реакции соединения. Взаимодействуют с неметаллами:
2. Реакции замещения. Взаимодействуют со сложными веществами:
Благородные металлы с кислородом не реагируют.
6) с щелочами (амфотерные металлы):
7) с веществами –окислителями ( H 2 SO 4(конц) , HNO 3 ):
В 1865 г Н.Н.Бекетов составил вытеснительный ряд активности металлов и включил в него водород. Теперь его называют электрохимическим рядом напряжения металлов:
Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb ( H ) Cu Hg Ag Pt Au
Восстановительные свойства металлов
усиливаются← → ослабевают
Металлы, стоящие в этом ряду перед водородом, вытесняют его из растворов кислот. Металлы, стоящие после водорода, не могут вытеснить водород из растворов кислот, поэтому с разбавленными кислотами не взаимодействуют.
Все металлы, расположенные после магния, вытесняют из растворов солей металлы, стоящие после него, и не могут вытеснить металлы, стоящие перед магнием.
Все металлы, расположенные до магния, взаимодействуют с водой и могут вытеснить водород из растворов солей металлов, расположенных после себя.
Химическая активность в подгруппе возрастает сверху вниз и в рядах уменьшается при движении по ряду.
Очень интересные биологические свойства металлов, которые находятся в химически связанном, окисленном состоянии в составе сложных молекул, например хлорофилла. Без него не может быть фотосинтеза.
По внешнему виду или химическому составу некоторых растений можно судить, какие руды залегают в местах их произрастания. В очень малых количествах растения накапливают металлы, они нужны живому организму, без них растение заболевает. Однако крепкие растворы тех же металлов действуют на многие растения как яд. Иногда при повышенном содержании в почве металлов растения принимают несвойственную им карликовую форму. Однако бывает и наоборот. В некоторых районах Земли можно встретить гигантские осины, листья которых достигают 30 см. это свидетельствует о насыщении воды торием – значит, под почвой залегает месторождение редких металлов.
Повышенное содержание в почве некоторых металлов изменяет обычную окраску цветов и листьев. Так, избыток меди вызывает появление синих и голубых тонов: лепестки розы голубеют. Если много марганца, то он придает цветам красную и розовую окраску, не свойственную им в обычных условиях. Никель обесцвечивает цветы. В горах Армении найдены красивые махровые маки с черными пятнами на ярко-красных лепестках. Под маками оказалось месторождение молибдена, который и «нарисовал» черные узоры.
В организме человека и животных в настоящее время обнаружено около 70 химических элементов. их можно разделить на макро- и микроэлементы.
Ионы тяжелых металлов – кадмия, ртути, свинца, олова, висмута, особенно таллия, - попадая по вине промышленных предприятий в почву и воду, а затем в наш организм, становятся поражающим фактором, отравляют организм.
В Древнем Риме исключительно широко использовали свинец. В частности, из него были изготовлены водопроводные трубы, а сплавы, содержащие свинец, стали основным материалом для производства посуды. Естественно, что водопровод был только в богатых домах, в силу чего в организмах представителей высших слоев происходило постоянное накопление чрезмерных количеств свинца – это подтвердили исследования захоронений того времени.
А ведь даже малые концентрации свинца в организме ведет к снижению умственных способностей.
Свинец явился причиной гибели английского полярного исследователя адмирала Джона Франклина. Отправившись в 4845 г в свое последнее плавание, сэр Франклин и его команда из 130 человек погибли по неизвестной причине. В 1981-1986 гг. антропологи произвели эксгумацию останков и исследовали возможные причины смерти участников экспедиции. В результате применения современных методов анализа было установлено, что причиной не только смерти, но и явных нарушений поведения в последние недели жизни (в частности, каннибализма) послужило отравление свинцом. Оказывается, Британское адмиралтейство снабдило экспедицию большим запасом консервов (тогда это было новинкой) в банках из белой жести, упакованных в свинцовую фольгу. И этот свинец накапливался в содержимом банок.
Но металлы имеют положительное значение для человека.
ОВР и другие реакции, протекающие на клеточном уровне, невозможны без ионов цинка, марганца, меди, молибдена и некоторых других металлов. Многие функции организма обусловлены наличием в клетках ионов натрия, калия и кальция.
Известно, что в древности хранили воду в сосудах из серебра, так как вода в них не портилась. Это было важно для мореплавателей. Ионы серебра обладают бактерицидным действием. Микроорганизмы гибнут, а вода сохраняет свою свежесть.
Есть в ПСХЭ удивительный металл – тантал. Это тугоплавкий металл, химически чрезвычайно стойкий и в то же время совместимый с тканями человека. Поэтому он незаменим в восстановительной хирургии. Например, проломы в черепе можно заменять танталовыми пластинами, а танталовыми нитями сшивают даже нервы. В восстановительной хирургии используют и ниобий – в виде нитей для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и нервов.
Не только жизнь Кощея Бессмертного, но, возможно, и наше здоровье заключены в яичную скорлупу. Если человек страдает малокровием, аллергией, подвержен простудам, проявлению герпеса на губах, не исключено, что все это связано с элементарной нехваткой в организме кальция.
Читайте также: