Реакции металлов с кислотами
Металлы могут вытеснять водород из кислот с образованием соли и газа \(\mathrm{H_2}\). Возможность и скорость реакции определяются активностью металла, свойствами кислоты, температурой и наличием защитной оксидной плёнки.
Общее правило реакции
В школьных задачах рассматривают взаимодействие металлов с разбавленными неокисляющими кислотами — прежде всего с кислотами \(\mathrm{HCl}\) и разбавленной \(\mathrm{H_2SO_4}\). Если металл расположен в ряду активности левее водорода, он обычно вытесняет водород из кислоты. Образуются соль и газообразный водород.
Это реакция замещения, в которой атомы металла переходят в раствор в виде катионов, а ионы водорода восстанавливаются до молекул \(\mathrm{H_2}\). Общая схема: металл + кислота → соль + водород.
В молекулярном виде для двухвалентного металла и соляной кислоты схема записывается так:
Например, цинк реагирует с соляной кислотой, образуя хлорид цинка и водород.
Какие металлы выделяют водород
Для прогнозирования реакции используют ряд активности металлов. Металлы от лития до свинца, расположенные до водорода, способны вытеснять его из разбавленных неокисляющих кислот. Металлы после водорода — например медь, серебро и золото — в обычных условиях этого не делают.
| Металл | Положение относительно H | Реакция с разбавленной HCl |
|---|---|---|
| Mg, Al, Zn, Fe | левее водорода | идёт, но скорость различается |
| Pb | левее водорода | идёт медленно; возможна защитная плёнка |
| Cu, Ag, Au | правее водорода | водород не выделяется |
Металл вытесняет водород из разбавленной неокисляющей кислоты, если он находится в ряду активности левее водорода. Это правило нельзя механически переносить на концентрированные окисляющие кислоты.
Алюминий находится левее водорода, но в холодной разбавленной кислоте реакция иногда начинается не сразу: поверхность алюминия покрыта оксидной плёнкой. После её разрушения металл реагирует активно. Подробные особенности рассматриваются на странице химические свойства алюминия.
Амфотерные металлы, например цинк и алюминий, также реагируют с растворами щелочей; это отдельная закономерность, разобранная на странице амфотерные металлы. Не следует смешивать реакцию металла с кислотой и реакцию металла с водой: вода и кислота создают разные условия.
Какой металл выделит водород при взаимодействии с разбавленной соляной кислотой?
Состав продуктов и уравнивание
Кислотный остаток входит в состав соли, а металл замещает водород. Для соляной кислоты образуются хлориды, для разбавленной серной кислоты — сульфаты. При реакции с азотной кислотой водород обычно не выделяется, потому что \(\mathrm{HNO_3}\) — окисляющая кислота; продукты восстановления азота зависят от концентрации и условий.
При составлении уравнения сначала определяют формулу соли по зарядам ионов, затем расставляют коэффициенты. Число атомов каждого элемента и суммарный заряд должны сохраняться. В ионном виде для соляной кислоты сокращённое уравнение одинаково для многих металлов:
Почему выделяется водород
Это окислительно-восстановительная реакция. Атом металла отдаёт электроны и окисляется, а ионы водорода принимают электроны и восстанавливаются. Например, в реакции цинка с кислотой цинк переходит из степени окисления 0 в \(+2\), а водород — из \(+1\) в 0.
Определим, сколько водорода выделится при взаимодействии 6,5 г цинка с избытком соляной кислоты.
Показать решение решение
1. Записываем уравнение реакции: \(\mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2}\).
2. Находим количество вещества цинка: \(n(\mathrm{Zn})=\frac{m}{M}=\frac{6{,}5}{65}=0{,}1\) моль.
3. По уравнению 1 моль цинка образует 1 моль водорода, поэтому \(n(\mathrm{H_2})=0{,}1\) моль.
4. При нормальных условиях молярный объём газа равен \(22{,}4\) л/моль: \(V(\mathrm{H_2})=nV_m=0{,}1\cdot22{,}4=2{,}24\) л.
Ответ: \(2{,}24\) л водорода.
Условия, влияющие на реакцию
Скорость реакции возрастает при повышении температуры, увеличении площади поверхности металла и повышении концентрации кислоты, если кислота не вызывает пассивацию. Порошок реагирует быстрее, чем крупный кусок того же металла. Катализатор в школьной записи обычно не указывают: главное — правильно определить реагирующие вещества и продукты.
Некоторые металлы покрываются плотной плёнкой. Алюминий пассивируется оксидом, свинец — малорастворимой плёнкой соли, поэтому наблюдаемая реакция может быть очень медленной. Концентрированные серная и азотная кислоты рассматриваются отдельно на странице металлы и концентрированные кислоты.
1. Записывать реакцию меди с разбавленной HCl с выделением водорода. 2. Считать, что любой металл реагирует с любой кислотой одинаково. 3. Забывать коэффициент 2 перед HCl в реакции с двухвалентным металлом. 4. Путать разбавленную и концентрированную кислоту. 5. Делать вывод о реакции только по ряду активности, игнорируя оксидную плёнку и пассивацию.
Алгоритм решения заданий
- Определите металл и его положение относительно водорода в ряду активности.
- Уточните кислоту: разбавленная неокисляющая или концентрированная окисляющая.
- Запишите формулы соли и водорода; проверьте валентность металла.
- Уравняйте реакцию по атомам и зарядам.
- Если требуется расчёт, используйте коэффициенты уравнения и молярные величины.
Не путайте эту тему с реакциями солей с металлами: там металл вытесняет другой металл из раствора его соли. Также отдельными типами являются реакции солей с кислотами и нейтрализация.
Быстрая проверка
Главное
- Металлы левее водорода в ряду активности вытесняют H₂ из разбавленных неокисляющих кислот.
- Общая схема: металл + кислота → соль + водород.
- Металл окисляется, а ионы H⁺ восстанавливаются до H₂.
- Формула соли определяется кислотным остатком и зарядом катиона металла.
- Концентрированные окисляющие кислоты и пассивация требуют отдельного анализа.