Металлы, Химические свойства

Общие химические свойства металлов

Среди металлов традиционно выделяют несколько групп. Входящие в их состав представители характеризуются отличной от других металлов химической активностью. Такими группами являются:

• благородные металлы (серебро, золото, платина);
   

• щелочные металлы (металлы, образованные элементами IА группы периодической системы);
   

• щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий, радий).

Простые вещества, обладающие металлическими свойствами, в химических реакциях всегда  

1. Чем левее стоит металл в этом ряду, тем более сильным восстановителем он является.

2. Каждый металл способен вытеснять из растворов солей те металлы, которые в ряду активности стоят после него (правее).

3. Металлы, находящиеся в ряду активности левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.
 

4. Щелочные и щелочноземельные металлы в любых водных растворах взаимодействуют прежде всего с водой.

Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами

 

1. Металлы взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды.

металл + кислород → оксид

Например, при взаимодействии магния с кислородом образуется оксид магния:

2Mg⁰+O⁰₂→2Mg⁺²O^−2.

Магний горит на воздухе при 650°С с выделением большого количества света. При этом образуются оксиды и нитриды:

2Mg + O₂ → 2MgO

3Mg + N₂ → Mg₃N₂

При взаимодействии с кислородом железо образует окалину – двойной оксид железа (II, III):

3Fe  +  2O₂  →  Fe₃O₄

При взаимодействии с кислородом каждый щелочной металл проявляет свою индивидуальность: при горении на воздухе литий образует оксид, натрий – преимущественно пероксид, калий и остальные металлы – надпероксид.

4Li   +   O₂   =   2Li₂O

2Na  +  O₂  =  Na₂O₂

K   +   O₂   =   KO₂

Обрати внимание!

Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют.

2. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.

Металл + сера → сульфид металла

Например, при взаимодействии цинка с серой образуется сульфид цинка:

Zn⁰+S⁰→Zn⁺²S⁻².

Cu  +  S  → CuS

1. Металлы взаимодействуют с галогенами (фтором, хлором, бромом и иодом), образуя галогениды.

Металл + галоген → галогенид металла

Например, при взаимодействии натрия с хлором образуется хлорид натрия:

2Na⁰+Cl⁰₂→2Na⁺¹Cl⁻¹.

Железо реагирует с галогенами с образованием галогенидов. При этом активные неметаллы (фтор, хлор и бром) окисляют железо до степени окисления +3:

2Fe  +  3Cl₂  → 2FeCl₃

Менее активный йод окисляет железо до степени окисления +2:

Fe  +  I₂  →  FeI₂

4. Активные металлы при нагревании реагируют с азотом, фосфором и некоторыми другими неметаллами.

Например, при взаимодействии лития с азотом образуется нитрид лития:

6Li⁰+N⁰₂→2Li⁺¹₃N⁻³.

  С азотом литий реагирует при комнатной температуре с образованием нитрида

С азотом алюминий реагирует при нагревании до 1000^оС с образованием нитрида:

2Al +N₂ → 2AlN

2Cr  +  N₂   →   2CrN

6Fe  +  N₂  →  2Fe₃N

С азотом, углеродом и кремнием медь не реагирует:Cu   +  N₂    ≠  

С азотом цинк непосредственно не реагирует. Zn + N₂    ≠  

При взаимодействии кальция с фосфором образуется фосфид кальция:

3Ca⁰+2P⁰→Ca⁺²₃P⁻³2.

3Zn + 2P → Zn₃P₂

Cr  +   P   →  CrP

Fe  +  P   →   FeP

5. Алюминий реагирует с углеродом с образованием карбида алюминия:

4Al + 3C → Al₄C₃

Ca +  2C → CaC₂:

2Be + C → Be₂C

3Fe  +  C   →   Fe₃C

Cu   +  C    ≠  

Cu   +  Si    ≠  

6. Щелочные металлы активно реагируют с водородом (очень активно). При этом образуются бинарные соединения —  гидриды:

2Na  +  H₂  =  2NaH

 Щелочноземельные металлы реагируют с водородом при нагревании. При этом образуются бинарные соединения — гидриды. 

Бериллий с водородом не взаимодействует, магний реагирует лишь при повышенном давлении.

Mg + H₂ → MgH₂

Хром и медь не взаимодействуют с водородом. Cr  + H₂    ≠  

Cu   +  H₂    ≠  

Al +  H₂    ≠  

Взаимодействие со сложными веществами

1. Щелочные и щелочноземельные металлы взаимодействуют с водой при обычных условиях, образуя растворимое в воде основание (щёлочь) и водород.

Активный металл + Вода → щёлочь + водород

Например, при взаимодействии натрия с водой образуются гидроксид натрия и водород:

2Na⁰+2H⁺¹₂O⁻²→2Na⁺¹O⁻²H⁺¹+H⁰₂.

2Ca⁰ + 2H₂⁺O = 2Ca⁺²(OH)₂ + H₂⁰

2Mg + 2H₂⁺O = 2 Mg ⁺²(OH)₂ + H₂⁰ (реакция идёт при нагревании)

2Al⁰ + 6H₂⁺O → 2Al⁺³(OH)₃ + 3H₂⁰

Медь в сухом воздухе и при комнатной температуре не окисляется, но во влажном воздухе, в присутствии оксида углерода (IV) покрывается зеленым налетом карбоната гидроксомеди (II):

2Cu   +  H₂O  +  CO₂  + O₂ =  (CuOH)₂CO₃

Обрати внимание!

Некоторые металлы средней активности реагируют с водой при повышенной температуре, образуя оксид металла и водород.

Например, раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe₃O₄ и водород:

Zn⁰ + H₂⁺O → Zn⁺²O + H₂⁰

2Cr  +  3H₂O _(пар)  → Cr₂O₃  +  3H₂

При обычных условиях железо с водой практически не реагирует. Раскаленное железо может вступать в реакцию при температуре 700-900^оС с водяным паром:

3Fe⁰+4H⁺¹₂O⁻²→ Fe₃O₄ (Fe⁺²O⁻²⋅Fe⁺³₂O⁻²₃) +4H⁰₂.

В воде в присутствии кислорода или во влажном воздухе железо медленно окисляется (корродирует):

4Fe  +  3O₂   +   6H₂O    →   4Fe(OH)₃

2. Щелочноземельные металлы могут восстанавливать некоторые неметаллы (кремний, бор, углерод) из оксидов.

Например, при взаимодействии кальция с оксидом кремния (IV) образуются кремний и оксид кальция:

2Ca + SiO₂ → 2CaO + Si

 Магний горит в атмосфере углекислого газа. При этом образуется сажа и оксид магния:

2Mg + CO₂ → 2MgO + C

1. Mеталлы, стоящие в ряду активности металлов левее водорода, взаимодействуют с растворами кислот, образуя соль и водород.

Металл + кислота → Соль + водород

Например, при взаимодействии алюминия с серной кислотой образуются сульфат алюминия и водород:

2Al⁰+3H⁺¹₂SO⁻²₄→Al⁺³₂(SO₄) ⁻²₃+3H⁰₂.

Fe + 2HCl   →   FeCl₂  +  H₂↑

1. Металлы реагируют с солями менее активных металлов в растворе, образуя соль более активного металла и менее активный металл в свободном виде.

Более активный металл + соль → соль более активного металла + менее активный металл

Например, при взаимодействии железа с сульфатом меди(II) образуются сульфат железа(II) и медь:

Fe⁰+Cu⁺²SO⁻²₄→Fe⁺²SO⁻²₄+Cu⁰.

Обратите внимание! 

В растворе щелочные и щелочноземельные металлы будут взаимодействовать с водой, а не с солями других металлов.

5. Щелочные металлы могут реагировать даже с веществами, которые проявляют очень слабые кислотные свойства. Например, с аммиаком, ацетиленом (и прочими терминальными алкинами), спиртами, фенолом и органическими кислотами.

Например, при взаимодействии лития с аммиаком образуются амиды и водород:

2Li + 2NH₃ = 2LiNH₂ + H₂ ↑

 Ацетилен с натрием образует ацетиленид натрия и также водород:

Н ─ C ≡ С ─ Н + 2Na  →  Na ─ C≡C ─ Na + H₂

 Фенол с натрием реагирует с образованием фенолята натрия и водорода:

2C₆H₅OH  +  2Na  →  2C₆H₅ONa   +  H₂↑

Метанол с натрием образуют метилат натрия и водород:

2СН₃ОН   +  2Na   →   2 CH₃ONa   +  H₂↑

 Уксусная кислота с литием образует ацетат лития и водород:

2СH₃COOH    +   2Li     →  2CH₃COOOLi    +   H₂↑

Щелочные металлы реагируют с галогеналканами (реакция Вюрца).

Например, хлорметан с натрием образует этан и хлорид натрия:

2CH₃Cl + 2Na   →  C₂H₆ + 2NaCl

6. Алюминий – амфотерный металл, поэтому он взаимодействует с щелочами. При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат  и водород:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂ ↑

Алюминий реагирует с расплавом щелочи с образованием алюмината и водорода:

2Al + 6NaOH → 2Na₃AlO₃ + 3H₂ ↑

Эту же реакцию можно записать в другом виде (в ЕГЭ рекомендую записывать реакцию именно в таком виде):

2Al + 6NaOH →2NaAlO₂ + 3H₂↑ + 2Na₂O

При взаимодействии цинка с раствором щелочи образуется  тетрагидроксоцинкат  и водород:

Zn  +  2KOH  +  2H₂O  =  K₂[Zn(OH)₄]  +  H₂

Цинк реагирует с расплавом щелочи с образованием цинката и водорода:

Zn  +  2NаОН_{(крист.)} =     Nа₂ZnО₂  +  Н₂

В отличие от алюминия, цинк растворяется и в водном растворе аммиака:

Zn + 4NH₃ + 2H₂O → [Zn(NH₃)₄](OH)₂ + H₂

Простое вещество железо восстанавливает железо до степени окисления +2  при взаимодействии с соединениями железа +3:

2Fe(NO₃)₃   +  Fe  → 3Fe(NO₃)₂  

2FeCl₃  +  Fe  → 3FeCl₂

Fe₂(SO₄)₃   +  Fe  →   3FeSO₄

 Медь окисляется оксидом азота (IV) и солями  железа (III)

2Cu   +   NO₂   =   Cu₂O   +  NO

2FeCl₃   +   Cu  =  2FeCl₂  +  CuCl₂

Металлы с азотной и концентрированной серной кислотой

С концентрированной азотной кислотой 

8Na + 10HNO_{3 (конц)} → N₂O + 8NaNO₃ + 5H₂O

Cu  +  4HNO_3(конц.)  =  Cu(NO₃)₂  +  2NO₂  +  2H₂O

Zn  + 4HNO_3(конц.)→ Zn(NO₄)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

Cr  +  6HNO₃   →   Cr(NO₃)₃  +  3NO₂  +  3H₂O

Fe  +  6HNO_3(конц.)   →   Fe(NO₃)₃  +  3NO₂↑   +  3H₂O

 С разбавленной азотной кислотой 

10Na + 12HNO_{3 (разб)}→ N₂ +10NaNO₃ + 6H₂O

4Ca + 10HNO_{3 (конц)} → N₂O + 4Сa(NO₃)₂ + 5H₂O

10Al + 36HNO_{3 (разб)} → 3N₂ + 10Al(NO₃)₃ + 18H₂O

3Cu  +  8HNO_3(разб.)  =  3Cu(NO₃)₂  +  2NO  +  4H₂O

Fe   +  4HNO_{3(разб.гор.)}  →   Fe(NO₃)₃  +  NO  +  2H₂O

 С очень разбавленной азотной кислотой 

8Na  +  10HNO₃  =  8NaNO₃  +  NH₄NO₃  +  3H₂O

4Ba  +  10HNO₃  → 4Ba(NO₃)₂  +  NH₄NO₃  +  3H₂O

8Al + 30HNO_{3(оч.разб.)} →  8Al(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O

4Zn  +  10HNO_{3(оч. разб.)} = 4Zn(NO₃)₂    +  NH₄NO₃   +  3H₂O

С концентрированной серной кислотой

8Na  +  5H₂SO_4(конц.)  → 4Na₂SO₄  +  H₂S  +  4H₂O

4Ca  +  5H₂SO_4(конц.)  → 4CaSO₄  +  S  +  5H₂O

2Al + 6H₂SO_4(конц.) → Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Cu  +  2H₂SO_4(конц.) →  CuSO₄  +  SO₂  +  2H₂O

При нагревании гранулированного цинка

Zn  +  2H₂SO_4(конц.)  → ZnSO₄   +   SO₂  +  2H₂O

Порошковый цинк реагирует с концентрированной серной кислотой с образованием сероводорода, сульфата цинка и воды:

4Zn  +  5H₂SO_4(конц.)  →  4ZnSO₄    +   H₂S  +   4H₂O

2Cr  +  6H₂SO₄   →   Cr₂(SO₄)₃  +  3SO₂  +  6H₂O

2Fe + 6H₂SO_4(конц.)   →  Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O