Реакции солей с металлами
Металлы могут вытеснять друг друга из растворов солей. Чтобы определить, пойдёт ли реакция, сравнивают металлы в ряду активности металлов: более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли.
Сущность реакции замещения
Растворимая соль в воде распадается на ионы. Например, \(\mathrm{CuSO_4}\) диссоциирует на ионы \(\mathrm{Cu^{2+}}\) и \(\mathrm{SO_4^{2-}}\). Если в такой раствор поместить металл, способный отдать электроны легче, чем медь, атомы этого металла перейдут в раствор в виде катионов, а ионы меди превратятся в металлическую медь.
Реакция металла с солью — это реакция замещения, в которой более активный металл вытесняет менее активный металл из раствора его соли. Обычно образуются новая соль и выделившийся металл.
В этой реакции железо окисляется: \(\mathrm{Fe^0 \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-}\). Ионы меди восстанавливаются: \(\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0}\). Поэтому реакция является одной из окислительно-восстановительных реакций солей. Сульфат-ион не изменяется и называется ионом-наблюдателем.
Металл вытесняет из раствора соли только тот металл, который стоит правее него в ряду активности. Иными словами, более активный металл вытесняет менее активный. Исключение: щелочные и щёлочноземельные металлы в водных растворах обычно не рассматривают как обычные реакции замещения, потому что они реагируют прежде всего с водой.
Ряд активности и условия реакции
Для школьных задач достаточно помнить фрагмент ряда: \(\mathrm{K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au}\). Чем левее расположен металл, тем обычно выше его восстановительная способность. Водород включают в ряд как ориентир для реакций металлов с кислотами, но в реакциях с солями его не вытесняют.
| Металл в растворе соли | Металл-пластинка | Результат |
|---|---|---|
| Cu^{2+} | Fe | Реакция идёт: выделяется Cu |
| Fe^{2+} | Cu | Реакция не идёт |
| Ag^+ | Cu | Реакция идёт: выделяется Ag |
| Zn^{2+} | Mg | Реакция идёт: выделяется Zn |
Для реакции необходим раствор соли, а не просто твёрдая смесь веществ. В школьных заданиях предполагают, что соль растворима и металл контактирует с раствором. Если металл уже стоит правее металла соли, он не может отдать электроны достаточно легко, поэтому видимого замещения не происходит.
\(\mathrm{Cu + FeSO_4}\) — реакции нет: медь менее активна, чем железо. \(\mathrm{Fe + CuSO_4}\) — реакция идёт: железо активнее меди.
Какая реакция возможна в водном растворе?
Как составить уравнение реакции
Решение удобно выполнять по алгоритму. Сначала определите металлы: металл в чистом виде и металл, входящий в состав соли. Затем сравните их положение в ряду активности. Если чистый металл активнее, запишите продукты: его соль и выделившийся металл. После этого составьте формулы продуктов по зарядам и расставьте коэффициенты.
- Запишите формулы исходных веществ.
- Сравните активность двух металлов.
- Решите, идёт ли реакция.
- Составьте формулу новой соли с тем же кислотным остатком.
- Уравняйте число атомов каждого элемента.
- При необходимости укажите, что металл выделяется из раствора.
Определить, что произойдёт при погружении алюминиевой пластинки в раствор сульфата меди(II).
Наблюдения: поверхность алюминия может покрываться красноватым налётом меди, а голубая окраска раствора сульфата меди ослабевает. Однако алюминий покрыт прочной оксидной плёнкой, поэтому в реальном опыте реакция может начинаться медленно. В учебном уравнении плёнку обычно не учитывают.
Ионные уравнения и признаки реакции
Полное ионное уравнение показывает все растворимые сильные электролиты в виде ионов. Сокращённое ионное уравнение оставляет только частицы, которые действительно изменяются. Например, для реакции железа с сульфатом меди(II):
Сульфат-ионы \(\mathrm{SO_4^{2-}}\) сокращаются, потому что присутствуют и слева, и справа. В реакции могут наблюдаться выделение нового металла на поверхности, изменение окраски раствора, растворение исходной пластинки. Но отсутствие заметного признака не всегда означает отсутствие реакции: некоторые процессы идут медленно или дают мало продукта.
| Ситуация | Пример | Вывод |
|---|---|---|
| Активный металл + соль менее активного | Zn + CuSO_4 | Реакция идёт |
| Неактивный металл + соль более активного | Cu + ZnSO_4 | Реакции нет |
| Одинаковый металл в соли и в пластинке | Cu + CuSO_4 | Замещения нет |
| Щелочной металл в воде | Na + CuSO_4 | В школьной задаче сначала учитывают реакцию Na с водой |
1. Нельзя менять кислотный остаток местами: при реакции \(\mathrm{Fe + CuCl_2}\) образуется \(\mathrm{FeCl_2}\), а не сульфат или гидроксид. 2. Нельзя считать реакцию возможной только потому, что два вещества соприкасаются. Сначала проверяйте ряд активности. 3. Не путайте коэффициенты и индексы: коэффициент меняет число частиц, индекс — состав вещества. 4. Алюминий учитывают как активный металл, если в условии отдельно не сказано о защитной оксидной плёнке.
Закройте кислотный остаток и сравнивайте только металлы. Например, в реакции \(\mathrm{Mg + FeCl_2}\) достаточно увидеть, что \(\mathrm{Mg}\) левее \(\mathrm{Fe}\). Значит, реакция идёт, а остаток \(\mathrm{Cl^-}\) переходит к магнию: \(\mathrm{MgCl_2}\).
Связь с другими реакциями металлов
Реакции солей с металлами нужно отличать от реакций металлов с кислотами и реакций металлов с водой. В реакции с солью металл вытесняет другой металл, а в реакции с кислотой активный металл обычно вытесняет водород. Не следует автоматически переносить правило на концентрированные окисляющие кислоты: для них действуют особые условия, описанные на странице металлы и концентрированные кислоты. Формулы солей и кислотных остатков удобно повторить по страницам классификация солей и формулы кислотных остатков.
Проверь себя
Главное
- Реакция металла с солью — реакция замещения: активный металл вытесняет менее активный.
- Возможность реакции определяют по ряду активности; сравнивают только два металла.
- Продукты обычно представляют собой новую соль и выделившийся металл.
- При составлении уравнения сохраняют кислотный остаток, правильно составляют формулы солей и расставляют коэффициенты.
- В ионном уравнении сокращают ионы-наблюдатели; для Fe + CuSO_4 это сульфат-ионы.