Окислительно-восстановительные свойства металлов
Металлы в окислительно-восстановительных реакциях обычно отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Чем левее и выше металл расположен в ряду активности, тем легче он окисляется и тем сильнее выступает как восстановитель.
Металл как восстановитель
Окисление — это процесс отдачи электронов. Атом металла \(M\) отдаёт один или несколько электронов и превращается в катион: \(M^0 - ne^- \rightarrow M^{n+}\). Поэтому металл в простой форме обычно является восстановителем: он восстанавливает другое вещество, но сам окисляется.
Восстановитель — частица, которая отдаёт электроны другой частице. В ходе реакции восстановитель окисляется. Для металла восстановительные свойства связаны со способностью его атомов отдавать валентные электроны.
В реакции металла с ионами другого металла металл-восстановитель отдаёт электроны, а ионы другого металла принимают их. Например, цинк отдаёт два электрона и превращается в ион цинка, а ионы меди принимают эти электроны и выделяются в виде металлической меди.
В типичной ОВР более активный металл вытесняет менее активный металл из раствора его соли. При этом активный металл является восстановителем, а ионы менее активного металла — окислителем.
Ряд активности металлов
Ряд активности, или электрохимический ряд напряжений металлов, располагает металлы по убыванию их способности отдавать электроны в водных растворах. Школьная последовательность имеет вид:
В начале ряда находятся наиболее сильные восстановители, в конце — наименее активные металлы. Водород включают для сравнения, хотя он не является металлом. Металлы левее водорода обычно вытесняют водород из неокисляющих кислот, а металлы правее водорода обычно не вытесняют его.
| Участок ряда | Общее свойство | Пример поведения |
|---|---|---|
| K, Ca, Na | Очень активные; легко окисляются | Реагируют с водой или растворами воды, часто не выделяются из водных растворов солей |
| Mg, Al, Zn, Fe | Среднеактивные восстановители | Реагируют с кислотами; могут вытеснять менее активные металлы из солей |
| Sn, Pb | Активность ниже средней | Реакции зависят от условий и состояния поверхности |
| Cu, Hg, Ag, Pt, Au | Малоактивные, благородные металлы | Не вытесняют водород из разбавленных неокисляющих кислот |
| H | Эталон сравнения | Граница реакции с неокисляющими кислотами |
Чем левее металл в ряду активности, тем сильнее его восстановительные свойства и тем легче он отдаёт электроны. Но ряд показывает общую закономерность для стандартных водных условий, а не абсолютное правило для любой реакции.
Положение алюминия требует осторожности. Алюминий активен по ряду, но на воздухе покрывается плотной оксидной плёнкой. Поэтому говорят о пассивации: реакция может практически не начинаться, пока плёнка не разрушена.
Как предсказывать ОВР по ряду
Для решения задания сначала определяют, какие частицы могут отдавать и принимать электроны. Металл из простой формы чаще всего является восстановителем. Ион менее активного металла может быть окислителем. Затем сравнивают положения металлов в ряду и составляют электронный баланс.
- Запишите формулы исходных веществ и определите металл в простой форме или ион металла.
- Сравните металлы в ряду активности.
- Поставьте отданные и принятые электроны: металл окисляется, ион менее активного металла восстанавливается.
- Уравняйте число электронов и коэффициенты в молекулярном уравнении.
- Проверьте, что образовавшийся металл действительно находится правее исходного.
Какая реакция наиболее вероятна в стандартных водных условиях?
Электронный баланс и разобранный пример
Рассмотрим реакцию железа с раствором сульфата меди(II). Железо расположено левее меди, поэтому оно может быть восстановителем. Ионы меди принимают электроны и превращаются в атомы меди.
Определить продукты и расставить коэффициенты в реакции \(\mathrm{Fe + CuSO_4}\). Учитываем, что сульфат-ион не изменяется и является ионом-наблюдателем.
Ионное уравнение показывает сущность процесса: \(\mathrm{Fe + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu}\). Если металл может образовывать несколько катионов, продукт определяют по условиям реакции и типичным степеням окисления. В школьных заданиях для железа в реакциях замещения обычно рассматривают образование \(\mathrm{Fe^{2+}}\).
Границы применения ряда
Ряд активности помогает предсказать многие реакции замещения, но не заменяет анализ условий. Важны растворимость веществ, концентрация, температура, наличие оксидной плёнки и природа кислоты. Для металлов и кислот отдельные правила разобраны на странице взаимодействия металлов с кислотами, а для солей — на странице взаимодействия металлов с растворами солей.
Активные металлы калий, кальций и натрий нельзя просто погружать в водный раствор соли менее активного металла: прежде всего они реагируют с водой. Поэтому в таких случаях нельзя механически применять правило «левый металл вытесняет правый». Особенности реакций с водой собраны на странице взаимодействия металлов с водой. Амфотерные металлы, например алюминий и цинк, могут реагировать со щелочами; см. взаимодействие металлов со щелочами.
1. Называть окислителем металл, который отдаёт электроны. Отдающий электроны металл — восстановитель. 2. Считать, что любой металл левее другого реагирует мгновенно: мешают пассивация и условия. 3. Путать ряд активности с рядом «массы» или плотности. 4. Забывать, что медь не вытесняет водород из разбавленной соляной или серной кислоты, но может реагировать с окислительными кислотами. 5. Записывать реакцию между металлом и солью, не проверяя растворимость и наличие воды.
Для более сложных ОВР нужно дополнительно сравнивать силу окислителей и восстановителей. Если один и тот же элемент в реакции может и окисляться, и восстанавливаться, возможны особые типы ОВР; их удобно изучать после темы активность металлов в ОВР.
Проверь себя
Главное
- Металлы обычно отдают электроны и выступают восстановителями.
- В ряду \(\mathrm{K\ Ca\ Na\ Mg\ Al\ Zn\ Fe\ Sn\ Pb\ H\ Cu\ Hg\ Ag\ Pt\ Au}\) активность металлов уменьшается слева направо.
- Более активный металл может вытеснять менее активный металл из раствора его соли, если нет препятствий со стороны условий реакции.
- В электронном балансе металл-восстановитель окисляется, а ионы менее активного металла восстанавливаются.
- Всегда учитывайте воду, пассивацию, растворимость и окислительные свойства реагентов.