Активность металлов в ОВР
Ряд напряжений металлов помогает быстро определить направление многих окислительно-восстановительных реакций: более активный металл обычно вытесняет менее активный металл из раствора его соли. Чтобы не ошибаться, нужно учитывать положение металла относительно водорода, растворимость веществ и особые случаи — пассивацию, воду и окислительные кислоты.
Активность металлов и ряд напряжений
Окислительно-восстановительные свойства металлов связаны со способностью атомов отдавать электроны. В реакции металл отдаёт электроны, то есть окисляется, и выступает восстановителем. Ионы другого металла принимают электроны, восстанавливаются и превращаются в атомы металла.
Ряд напряжений — последовательность металлов и водорода, расположенных по убыванию способности отдавать электроны в стандартных условиях: K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au. Чем левее расположен металл, тем сильнее он обычно является восстановителем и тем активнее вступает в реакции замещения.
Металл, стоящий в ряду левее другого металла, способен вытеснить его из раствора соли, если реакция не запрещена дополнительными условиями. Металл, стоящий правее, не вытесняет более активный металл из его соли.
Например, цинк находится левее меди, поэтому цинк вытесняет медь из раствора соли меди(II). Медь находится правее цинка, поэтому медь не вытесняет цинк из раствора соли цинка.
Как читать направление реакции
В ионном виде реакция замещения металла имеет общий вид: активный металл \(M_1\) отдаёт электроны, а ионы менее активного металла \(M_2^{n+}\) принимают их. Поэтому сначала сравните положения двух металлов в ряду, затем проверьте, растворима ли соль и не мешают ли особые условия.
- Найдите металл, который находится левее в ряду напряжений.
- Сделайте его восстановителем: он перейдёт в катион и отдаст электроны.
- Ионы металла, расположенного правее, восстановятся до простого вещества.
- Составьте электронный баланс и уравняйте коэффициенты.
- Проверьте растворимость исходной соли и возможность образования продуктов.
Металлы, расположенные левее водорода, обычно вытесняют водород из неокисляющих кислот, например из разбавленных соляной и серной кислот. Металлы правее водорода — Cu, Hg, Ag, Pt, Au — в таких условиях водород не вытесняют.
Важно различать неокисляющие и окисляющие кислоты. ОВР в кислой среде могут протекать с участием концентрированной серной или азотной кислоты даже для металлов, стоящих правее водорода: окислителем выступают частицы кислоты, а не ионы водорода. Такие реакции нельзя определять только правилом «металл левее водорода».
Алгоритм решения задания
В экзаменационных заданиях могут попросить выбрать реагенты, продукты, направление реакции или верное утверждение. Удобно применять один и тот же алгоритм.
Определим, произойдёт ли реакция между железом и раствором нитрата серебра, и запишем уравнение.
Железо стоит левее серебра, значит, железо — более сильный восстановитель и вытесняет серебро из раствора его соли. Железо обычно переходит в степень окисления \(+2\) в такой реакции, а ионы серебра восстанавливаются до серебра.
Какая реакция возможна в водном растворе?
Ограничения и особые случаи
Ряд напряжений даёт прогноз для стандартных или близких к ним условий, но школьные задачи могут учитывать несколько исключений.
- Щелочные и щёлочноземельные металлы, например натрий и кальций, нельзя помещать непосредственно в водный раствор соли: прежде всего они реагируют с водой.
- Алюминий, хром и иногда железо могут быть пассивированы плотной оксидной плёнкой. В холодной концентрированной азотной или серной кислоте реакция может не наблюдаться.
- Металл должен контактировать с раствором. Нерастворимые соли, плёнки и отсутствие подходящей среды могут остановить процесс.
- Активный металл не всегда образует только один катион. Железо в обычных реакциях замещения часто даёт \(\mathrm{Fe^{2+}}\), но условия задачи нужно читать внимательно.
- Правило ряда относится к реакциям в растворах и не заменяет анализ взаимодействия металлов с водой или реакций металлов со щелочами.
1) Считать, что любой металл левее другого обязательно реагирует в любых условиях. 2) Путать положение металла с положением его иона: сравнивают именно металлы в ряду. 3) Забывать, что Cu не реагирует с разбавленной HCl, но может реагировать с окисляющими кислотами. 4) Записывать реакцию между металлом и растворимой солью без проверки растворимости продуктов. 5) Не уравнивать электроны: например, для \(\mathrm{Al}\) и \(\mathrm{Cu^{2+}}\) нужны коэффициенты 2 и 3.
Для более точного объяснения используют электрохимический ряд напряжений металлов: чем более отрицателен стандартный потенциал пары \(\mathrm{M^{n+}/M}\), тем легче металл окисляется в стандартных условиях. Но в школьных задачах чаще достаточно положения в ряду и анализа условий.
Связь с другими типами ОВР
Замещение металла из соли — частный случай ОВР. Если в реакции участвуют вода, щёлочь или галогены, одного ряда металлов недостаточно: нужно учитывать свойства среды и конкурирующие окислители. Например, вытеснение галогенов из растворов солей определяют по ряду активности галогенов, а не по ряду металлов. Уравнивать такие процессы помогает метод электронного баланса и правила составления молекулярных уравнений ОВР.
Итоговая проверка
Главное
- Металл левее другого металла в ряду напряжений обычно вытесняет его из раствора соли.
- Активный металл окисляется и отдаёт электроны; ионы менее активного металла восстанавливаются.
- Металлы левее водорода вытесняют его из неокисляющих кислот.
- Ряд нельзя применять бездумно: учитывайте воду, растворимость, пассивацию и окислительные кислоты.
- Для уравнивания реакции составьте полуреакции окисления и восстановления и сравняйте число электронов.