Решебник по химии 9 класс Габриелян §29

Химические свойства металлов

Стр. 149

Вопрос

Особенности строения атомов металлов объясняют тот факт, что металлы проявляют только восстановительные свойства, т. е. отдают валентные электроны. Какие вещества выступают в этом случае в роли окислителей?

Металлы обладают малым числом валентных электронов и относительно большим атомным радиусом, из-за чего их внешние электроны слабо связаны с ядром. Это делает металлы способными легко отдавать электроны, то есть проявлять восстановительные свойства. Они превращаются в положительно заряженные ионы (катионы), отдавая электроны другим веществам.

В химических реакциях вещества, которые принимают эти электроны, называют окислителями. Таким образом, в реакциях с участием металлов в роли окислителей могут выступать:

• Неметаллы, такие как кислород (O₂), сера (S), хлор (Cl₂), которые присоединяют электроны и восстанавливаются до соответствующих соединений, например:

(2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃) — хлор выступает как окислитель.

• Водород из кислот, например, из соляной или серной кислоты:

(Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑) — ионы водорода (H⁺) восстанавливаются до водорода (H₂), выступая как окислитель.

• Металлы, стоящие ниже в ряду активности, в реакциях с растворами солей:

(Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag) — ионы серебра (Ag⁺) восстанавливаются до металлического Ag и являются окислителем.

• Ионы металлов или неметаллов, содержащиеся в растворах солей или оксидов, например:

(2Al + Fe₂O₃ → 2Fe + Al₂O₃) — ионы Fe³⁺ являются окислителями.

Таким образом, окислителями в реакциях с металлами выступают те вещества, которые принимают электроны, — чаще всего это ионы водорода, атомы неметаллов, ионы металлов с высокой степенью окисления.

Стр. 150

Вопрос

В 1865 г. выдающийся русский химик Н. Н. Бекетов защитил докторскую диссертацию на тему «Исследования над явлениями вытеснения одних металлов другими». Проанализируйте фрагмент химического эксперимента, выполненного Бекетовым. Цинк способен вытеснять железо из растворов солей: (Zn + FeSO₄ → ZnSO₄ + Fe). Проведение реакции в обратном направлении невозможно. В свою очередь, железо вытесняет медь из растворов солей: (Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu). Как вы думаете, способна ли медь вытеснить цинк из раствора его соли? Расположите три металла в порядке уменьшения их активности.

На основании представленных реакций можно сделать вывод, что более активный металл способен вытеснить менее активный из его соли. В первом уравнении цинк вытесняет железо, значит, цинк более активен. Во втором уравнении железо вытесняет медь, следовательно, железо тоже более активно, чем медь. Это значит, что медь менее активна, чем и железо, и цинк. Таким образом, медь не способна вытеснить цинк из его соли, поскольку она менее активный металл.

Расположение трёх металлов в порядке уменьшения их активности:

Цинк (Zn) > железо (Fe) > медь (Cu).

Стр. 152

Лабораторный опыт 41

Налейте в пробирку 5 мл раствора сульфата меди(II). Погрузите в раствор железный гвоздь, привязанный на нитку. Через 2–3 минуты извлеките гвоздь из пробирки, потянув за нитку. Что наблюдаете? Сделайте выводы об относительной активности железа и меди.

После помещения железного гвоздя в раствор сульфата меди(II) (CuSO₄), через 2–3 минуты на поверхности гвоздя можно заметить красноватый налёт — это образуется металлическая медь. Одновременно раствор обесцвечивается или приобретает зеленоватый оттенок, так как ионы меди переходят в металлическое состояние, а ионы железа переходят в раствор в виде сульфата железа(II) (FeSO₄).

Химическая реакция, которая при этом происходит: (Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓)

Вывод: железо вытесняет медь из раствора её соли, значит, железо более активно, чем медь. Это подтверждает положение этих металлов в ряду активности: железо стоит левее, то есть обладает более выраженными восстановительными свойствами.

Стр. 153

Проверьте свои знания

1. Общие химические свойства металлов — простых веществ можно обозначить одним химическим термином. Назовите его.

Общие химические свойства металлов можно охарактеризовать термином восстановитель. Это означает, что в химических реакциях металлы отдают электроны другим веществам, сами при этом превращаясь в положительно заряженные ионы. Таким образом, металлы являются восстановителями, потому что они снижают степень окисления других веществ, отдавая им свои электроны. Степень восстановительной способности металла зависит от его положения в электрохимическом ряду активности: чем левее находится металл, тем он активнее и тем легче отдаёт электроны.

2. Перечислите общие химические свойства металлов. Подчеркните особенности взаимодействия металлов с растворами кислот и солей.

Химические свойства металлов включают несколько основных направлений:

1. Взаимодействие с неметаллами, особенно с кислородом и серой. При этом образуются оксиды (например, 4Li + O₂ → 2Li₂O) и сульфиды (2Al + 3S → Al₂S₃). Особенно бурно реагируют щелочные металлы. Благородные металлы (Au, Pt) с кислородом практически не взаимодействуют.

2. Взаимодействие с водой. Реагируют только самые активные металлы (щелочные и щелочноземельные), например:

(2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑),

(Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑).

Менее активные металлы (например, железо) реагируют с водой лишь при высоких температурах с образованием оксидов и водорода.

3. Взаимодействие с кислотами. Большинство металлов реагирует с разбавленными кислотами, вытесняя водород:

(2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑),

(Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑).

Однако металлы, стоящие после водорода в ряду активности (например, медь), не вытесняют водород и с разбавленными кислотами не реагируют.

4. Взаимодействие с растворами солей. Более активный металл способен вытеснять менее активный из его соли:

(Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag↓).

Это реакция замещения, и для её прогнозирования используют ряд активности металлов.

5. Взаимодействие с оксидами других металлов, особенно в реакции алюминотермии. Алюминий восстанавливает оксид железа:

(2Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe + Q).

Эта реакция сопровождается выделением большого количества тепла и используется для сварки и литья.

3. Если металл проявляет разные степени окисления, то укажите факторы, от которых зависят состав и свойства продуктов взаимодействия металлов с неметаллами и растворами кислот и солей. Приведите примеры.

Состав и свойства продуктов взаимодействия металлов с неметаллами и растворами кислот или солей зависят от степени окисления металла, а также от условий реакции — температуры, концентрации реагентов, наличия катализаторов и других факторов.

Если металл способен проявлять несколько степеней окисления, то, как правило, в более мягких условиях он проявляет низшую степень окисления, а при высоких температурах и в присутствии сильных окислителей — высшую.

Например, железо может образовывать два оксида: при умеренных условиях — (Fe + O₂ → FeO), при сильном нагревании — (4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃).

Также железо может образовать с кислотой два типа солей:

(Fe + HCl → FeCl₂ + H₂↑) — железо (II),

(Fe + Cl₂ → FeCl₃) — железо (III).

Таким образом, степень окисления зависит от активности металла, природы неметалла или кислоты, а также от температуры и других условий. Это важно учитывать при составлении уравнений реакций и при практическом применении металлов.

Стр. 153

Примените свои знания

4. От чего зависит скорость протекания химического процесса? Расположите указанные металлы в порядке уменьшения скорости реакции с соляной кислотой: а) олово; б) железо; в) магний; г) цинк.

Скорость химической реакции зависит от многих факторов, включая температуру, концентрацию веществ, степень измельчения твёрдых реагентов, наличие катализаторов и, в случае реакции металлов с кислотами, от активности металла. Чем активнее металл, тем быстрее он взаимодействует с кислотой, вытесняя водород.

Расположим металлы в порядке уменьшения скорости реакции с соляной кислотой, то есть от самого активного к менее активному: магний (Mg) > цинк (Zn) > железо (Fe) > олово (Sn).

5. Охарактеризуйте химические свойства следующих металлов: а) калий; б) цинк; в) медь. Запишите уравнения соответствующих химических реакций. Рассмотрите их с точки зрения теории электролитической диссоциации и процессов окисления – восстановления. В чём сходство и различия свойств перечисленных металлов?

а) Калий (K) — очень активный щелочной металл. Легко реагирует с водой и кислородом воздуха:

(K + H₂O → KOH + H₂↑) — быстрая реакция с выделением тепла и водорода.

С точки зрения ОВР:

Калий — восстановитель, отдаёт электрон и превращается в ион K⁺.

Вода — окислитель, ионы H⁺ восстанавливаются до H₂.

б) Цинк (Zn) — металл средней активности. Реагирует с кислотами, вытесняя водород:

(Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑).

ОВР: Zn⁰ → Zn²⁺ (восстановитель);

2H⁺ → H₂⁰ (окислитель).

в) Медь (Cu) — малореакционноспособный металл. Не реагирует с разбавленными кислотами, но реагирует с окисляющими кислотами и солями:

(Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag).

ОВР: Cu⁰ → Cu²⁺ (восстановитель); Ag⁺ → Ag⁰ (окислитель).

Сходство: все металлы в реакциях выступают как восстановители — отдают электроны.

Различия: степень активности различна. Калий активно реагирует с водой, цинк — с кислотами, а медь только с сильными окислителями. Это связано с разной лёгкостью отдачи электронов.

6. Используя метод электронного баланса, составьте уравнения реакций, соответствующие следующим схемам:

а) Ba + N₂ → Ba₃N₂

б) Ca + H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

в) Al + HCl → AlCl₃ + H₂

г) Sn + AgNO₃ → Sn(NO₃)₂ + Ag

Для каждой реакции определите окислитель и восстановитель.

а) Ba + N₂ → Ba₃N₂

Уравнение реакции:

(3Ba + N₂ → Ba₃N₂)

Электронный баланс:

Ba⁰ → Ba²⁺ (отдаёт 2e, восстановитель)

N⁰ → N³⁻ (принимает 3e, окислитель)

б) Ca + H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

Уравнение:

(Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑)

Ca⁰ → Ca²⁺ (восстановитель)

2H⁺ → H₂⁰ (окислитель)

в) Al + HCl → AlCl₃ + H₂

Уравнение:

(2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑)

Al⁰ → Al³⁺ (восстановитель)

H⁺ → H₂⁰ (окислитель)

г) Sn + AgNO₃ → Sn(NO₃)₂ + Ag

Уравнение:

(Sn + 2AgNO₃ → Sn(NO₃)₂ + 2Ag)

Sn⁰ → Sn²⁺ (восстановитель)

Ag⁺ → Ag⁰ (окислитель)

Во всех случаях металлы выступают в роли восстановителей, поскольку отдают электроны, а неметаллы или ионы металлов — в роли окислителей, принимая электроны.

7. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

а) CuO → Cu → Cu(NO₃)₂ → Cu(OH)₂ → CuO → CuCl₂

б) Na → NaOH → NaHSO₄ → Na₂SO₄ → BaSO₄

в) ZnS → ZnO → Zn → ZnSO₄ → ZnCl₂ → ZnCO₃ → ZnO

г) MgCl₂ → MgO → Mg → MgSO₄ → Mg(OH)₂ → Mg(NO₃)₂

а) CuO → Cu → Cu(NO₃)₂ → Cu(OH)₂ → CuO → CuCl₂

1. (CuO + H₂ → Cu + H₂O)

2. (Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O)

3. (Cu(NO₃)₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + 2NaNO₃)

4. (Cu(OH)₂ → CuO + H₂O)

5. (CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O)

б) Na → NaOH → NaHSO₄ → Na₂SO₄ → BaSO₄

1. (2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑)

2. (NaOH + H₂SO₄ → NaHSO₄ + H₂O)

3. (NaHSO₄ + NaOH → Na₂SO₄ + H₂O)

4. (Na₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2NaCl)

в) ZnS → ZnO → Zn → ZnSO₄ → ZnCl₂ → ZnCO₃ → ZnO

1. (2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂↑)

2. (ZnO + C → Zn + CO↑)

3. (Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑)

4. (ZnSO₄ + 2HCl → ZnCl₂ + H₂SO₄)

5. (ZnCl₂ + Na₂CO₃ → ZnCO₃↓ + 2NaCl)

6. (ZnCO₃ → ZnO + CO₂↑)

г) MgCl₂ → MgO → Mg → MgSO₄ → Mg(OH)₂ → Mg(NO₃)₂

1. (MgCl₂ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2NaCl)

2. (Mg(OH)₂ → MgO + H₂O)

3. (MgO + C → Mg + CO↑)

4. (Mg + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂↑)

5. (MgSO₄ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + Na₂SO₄)

6. (Mg(OH)₂ + 2HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + 2H₂O)

8. Запишите уравнения тех реакций, протекание которых возможно:

а) Co + ZnCl₂ →

б) Ni + CuSO₄ →

в) Mg + HCl →

г) Ag + HCl →

д) Au + CuO →

е) Zn + Hg(NO₃)₂ →

а) Реакция невозможна, так как кобальт менее активен, чем цинк, и не вытесняет его из соли.

б) (Ni + CuSO₄ → NiSO₄ + Cu↓)

в) (Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑)

г) Реакция невозможна: серебро не вытесняет водород из соляной кислоты.

д) Реакция невозможна: золото не восстанавливает оксид меди, так как менее активно.

е) (Zn + Hg(NO₃)₂ → Zn(NO₃)₂ + Hg↓)

Ответ: возможны реакции — б, в, е.

В этих реакциях более активный металл вытесняет менее активный из кислоты или раствора соли.

9. В 50 г воды растворили 2,74 г бария. Определите массовую долю гидроксида бария в полученном растворе.

Барий (Ba) активно реагирует с водой, образуя гидроксид бария: (Ba + 2H₂O → Ba(OH)₂ + H₂↑)

Масса раствора:

50 г (вода) + 2,74 г (барий) = 52,74 г

Молярная масса Ba = 137 г/моль

Молярная масса Ba(OH)₂ = 171 г/моль

Из 137 г бария получается 171 г Ba(OH)₂.

Из 2,74 г бария:

(171 / 137) × 2,74 ≈ 3,42 г Ba(OH)₂

Массовая доля (w) гидроксида бария в растворе:

w = (3,42 / 52,74) × 100% ≈ 6,48%

Ответ: массовая доля гидроксида бария в растворе составляет 6,48%.

10. Рассчитайте массу алюминия, который полностью прореагирует с 60,8 г оксида хрома(III). Какая масса хрома при этом получится?

Уравнение реакции алюмотермии:

(2Al + Cr₂O₃ → Al₂O₃ + 2Cr)

Молярная масса Cr₂O₃ = 2×52 + 3×16 = 152 г/моль

Молярная масса Al = 27 г/моль

Молярная масса Cr = 52 г/моль

По уравнению:

152 г Cr₂O₃ реагирует с 2×27 = 54 г Al и даёт 2×52 = 104 г Cr

Для 60,8 г Cr₂O₃: Масса Al = (54 / 152) × 60,8 ≈ 21,6 г

Масса Cr = (104 / 152) × 60,8 ≈ 41,6 г

Ответ: масса алюминия — 21,6 г; масса хрома — 41,6 г.

11. Почему раствор сульфата меди(II) нельзя хранить в оцинкованном железном ведре?

Оцинкованное ведро покрыто цинком. Цинк более активен, чем медь, поэтому в растворе сульфата меди(II) происходит реакция замещения: (Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu↓)

В результате медь будет осаждаться, а цинк — растворяться. Это приведёт к разрушению защитного слоя и порче ведра.

Ответ: раствор CuSO₄ нельзя хранить в оцинкованной посуде, так как цинк вытесняет медь из соли, и ведро разрушается.

12. Медную пластинку погрузили в раствор нитрата серебра. Через некоторое время масса пластинки увеличилась на 1,52 г. Определите массу серебра, выделившегося на пластинке.

Уравнение реакции: (Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag)

Из реакции видно: 2 моль Ag осаждается при растворении 1 моль Cu, но масса увеличивается только за счёт серебра, выделившегося на пластинке.

Следовательно, вся прибавка массы — это масса серебра.

Ответ: масса серебра, выделившегося на пластинке, составляет 1,52 г.

Стр. 154

Используйте дополнительную информацию

13. Подготовьте сообщение об использовании металлов в пиротехнике или военном деле.

Сообщение

Металлы в пиротехнике и военном деле

Металлы издавна играют важную роль в изобретении и развитии пиротехнических составов и военных технологий. Их уникальные физико-химические свойства — высокая теплопроводность, яркое пламя при сгорании, высокая энергетическая эффективность и способность вступать в экзотермические реакции — делают их незаменимыми компонентами в создании как праздничных фейерверков, так и оружия.

В пиротехнике металлы применяются прежде всего как источники ярких цветов пламени и как топливо в смесевых составах. Каждый металл при сгорании придаёт пламени свой характерный цвет:

— Стронций (Sr) — ярко-красный,

— Барий (Ba) — зелёный,

— Медь (Cu) — синий или голубой,

— Натрий (Na) — жёлтый,

— Кальций (Ca) — оранжевый,

— Магний (Mg) и алюминий (Al) дают ослепительно белый свет.

Для того чтобы обеспечить нужный цвет, металлы используются в виде порошков, солей (например, нитратов или хлоратов) и оксидов. Они входят в состав фейерверков, сигнальных ракет, фальшфейеров и других пиротехнических изделий. Благодаря способности металлов выделять огромное количество тепла и света при сгорании, пиротехнические устройства становятся зрелищными, яркими и эффективными.

Кроме декоративных целей, пиротехника с использованием металлов применяется и в спасательных сигналах — сигнальные ракеты и дымовые шашки содержат смеси на основе магния, бария и алюминия для долгого яркого горения и визуальной заметности на расстоянии.

Военное применение металлов ещё более разнообразно и стратегически значимо. Один из самых ярких примеров — термитная смесь, используемая в алюмотермии. Она состоит из порошка алюминия и оксида металла, чаще всего железа. При поджигании происходит реакция замещения:

(2Al + Fe₂O₃ → 2Fe + Al₂O₃ + Q)

Реакция сопровождается выделением огромного количества тепла (до 2700 °C), при этом образуется расплавленное железо. Термит используется для сварки рельсов, разрушения металлических конструкций, прожигания брони и даже для снаряжения некоторых типов зажигательных бомб.

Металлы также активно используются в бронебойных сердечниках и снарядах. Такие тугоплавкие, тяжёлые и прочные металлы, как вольфрам (W) и уран (U), благодаря своей плотности и твёрдости, способны пробивать толстую броню. В некоторых типах современных боеприпасов используется обеднённый уран, обладающий высокой проникающей способностью и при этом значительно дешевле, чем вольфрам.

В ракетной технике применяются лёгкие, но прочные сплавы на основе алюминия, титана и магния, позволяющие уменьшить вес летательных аппаратов и увеличить их дальность. Эти металлы устойчивы к высоким температурам и обладают отличными механическими свойствами. Например, титановая броня используется в некоторых современных танках и бронетранспортёрах благодаря своей лёгкости и высокой прочности.

В артиллерии и стрелковом оружии применяется латунь — сплав меди и цинка — для изготовления гильз, поскольку она устойчива к коррозии и хорошо формуется. Также используются стальные и алюминиевые компоненты для ствольных и механических частей.

Не стоит забывать и о взрывчатых веществах, в которых металлы могут играть роль усилителей взрыва. Например, порошкообразный алюминий включается в состав мощных взрывчаток, таких как тротил-алюминиевые смеси (ТГА), термобарические заряды, авиационные бомбы. Добавление алюминия увеличивает температуру и силу взрыва за счёт его высокой теплоты сгорания.

Таким образом, металлы не только формируют основу конструкционных материалов для военной техники, но и входят в состав химических смесей, определяющих разрушительное и зрелищное действие снарядов, фейерверков, ракет и других пиротехнических и военных устройств. Их широкое применение подтверждает значимость металлов как в обороне, так и в гражданских областях, где требуются мощные, надёжные и эффективные решения.