Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №11/2007

УЧЕБНИКИ. ПОСОБИЯ

 

И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10/2007

ЗАНЯТИЕ 19
10-й класс
(первый год обучения)

Общая характеристика металлов.
Электрохимический ряд напряжений металлов

П л а н

1. Деление химических элементов на металлы и неметаллы.

2. Особенности строения атомов металлов.

3. Общие физические свойства металлов.

4. Общие химические свойства металлов.

5. Электрохимический ряд напряжений металлов.

6. Общие методы получения металлов.

Все химические элементы и образуемые ими простые вещества можно разделить на металлы и неметаллы. К металлам относятся все s-элементы (кроме водорода и гелия), d-элементы и
f-элементы. Среди p-элементов есть как металлы, так и неметаллы, число элементов-металлов увеличивается с увеличением номера периода. Деление элементов на металлы и неметаллы объясняется различием в строении их атомов.

Атомы большинства металлов на внешнем электронном уровне имеют от 1 до 3 электронов. Исключения составляют атомы германия, олова, свинца (4е), сурьмы и висмута (5е), полония (6е).

Атомы металлов имеют меньший заряд ядра и больший радиус по сравнению с атомами неметаллов данного периода. Таким образом, атомы металлов легко отдают валентные электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Ф и з и ч е с к и е  с в о й с т в а

Простые вещества-металлы при обычных условиях являются твердыми кристаллическими веществами (кроме ртути). Кристаллическая решетка металлов образуется за счет металлической связи.

Самые мягкие металлы – калий и натрий, самый твердый – хром. Для всех металлов характерны металлический блеск и непрозрачность, тепло- и электропроводность, пластичность, упругость и прочность; они способны изменять свою форму, не разрушаясь.

Температуры плавления и плотности металлов изменяются в широких пределах. Самый легкоплавкий металл – ртуть, самый тугоплавкий – вольфрам; самый легкий металл – литий, самый тяжелый – осмий.

По способности к намагничиванию все металлы можно разделить на три группы. Ферромагнитные металлы способны намагничиваться даже под действием слабых магнитных полей (железо, кобальт, никель). Парамагнитные металлы проявляют слабую способность к намагничиванию (алюминий, хром, титан). Диамагнитные металлы не притягиваются к магниту, даже слегка отталкиваются от него (олово, медь, висмут).

Х и м и ч е с к и е  с в о й с т в а

Все металлы характеризуются небольшой величиной энергии ионизации (энергии, необходимой для отрыва электрона от атома и превращения его в катион). Атомы металлов легко отдают валентные электроны, но не могут их присоединять. Поэтому в реакциях металлы являются только восстановителями и в соединениях имеют только положительные степени окисления. Восстановительная активность различных металлов неодинакова: в периодах слева направо она уменьшается, а в главных подгруппах сверху вниз – увеличивается. Восстановительная активность металла в химических реакциях, протекающих в водных растворах различных веществ, характеризуется положением металла в электрохимическом ряду напряжений (ряд стандартных электродных потенциалов).

Уравнения реакций металлов

H2 (+/–)*:

О2 (+/–):

Другие неметаллы (+/–):


Н2О (+/–):

Основные оксиды (–/+):

Основания (–/+):

Кислоты (+/–):

Соли (+/–):

Э л е к т р о х и м и ч е с к и й  р я д   н а п р я ж е н и й  м е т а л л о в

(ряд стандартных электродных потенциалов)

При погружении металлической пластины (электрода) в раствор соли данного металла может происходить один из двух процессов:

1. Если металл является активным восстановителем (т.е. легко теряет электроны), то под действием диполей воды некоторая часть атомов металла оставляет свои электроны на электроде и переходит в раствор в виде катионов:

M0 = Mn+ + ne.

В результате этого процесса окисления металлическая пластина заряжается отрицательно. Катионы металла притягиваются к ней, и поэтому прилегающий к пластине слой раствора заряжается положительно. Таким образом, на границе металл–раствор возникает двойной электрический слой (ДЭС) (рис. 1).

Рис. 1. Образование двойного электрического слоя на границе металл-раствор соли MmAn в результате перехода ионов металла в раствор

Рис. 1.
Образование двойного электрического слоя
на границе металл–раствор соли MmAn
в результате перехода ионов металла в раствор

2. Если сам металл является слабым восстановителем, то его ионы, содержащиеся в растворе соли, являются сильными окислителями. Некоторая часть этих ионов подходит к поверхности металлической пластины и восстанавливается за счет имеющихся в ней свободных электронов:

Mn+ + ne = M0.

В результате осаждения катионов пластина металла заряжается положительно и притягивает к себе отрицательно заряженные анионы соли, находящиеся в растворе. Прилегающий к пластине слой раствора заряжается отрицательно, и в этом случае также возникает ДЭС (рис. 2).

Рис. 2. Образование двойного электрического слоя на границе металл-раствор соли MmAn результате перехода ионов металла из раствора

Рис. 2.
Образование двойного электрического слоя
на границе металл–раствор соли MmAn
в результате перехода ионов металла из раствора

Разность потенциалов, возникающая в двойном электрическом слое на границе металл–раствор, называется электродным потенциалом.

Непосредственно измерить потенциал отдельного металла невозможно, поэтому электродные потенциалы измеряют относительно стандартного водородного электрода, потенциал которого принимают равным нулю. Потенциал каждого электрода (металла) зависит от природы металла, концентрации его ионов в растворе, температуры.

Разность потенциалов между металлом, погруженным в раствор своей соли с концентрацией ионов металла 1 моль/л, и стандартным водородным электродом при стандартных условиях называется стандартным электродным потенциалом металла (Е°).

Металлы, расположенные в порядке возрастания значения их стандартного электродного потенциала, составляют электрохимический ряд напряжений.

Необходимо отметить, что положение металлов в электрохимическом ряду напряжений не вполне соответствует их положению в периодической системе. Это объясняется тем, что при измерении электродных потенциалов учитывается не только энергия ионизации, но и энергия, которая затрачивается на разрушение кристаллической решетки, а также энергия, выделяющаяся при гидратации ионов. Так, натрий является более активным металлом, чем литий, но в водных растворах литий проявляет большую восстановительную активность.

Электродные потенциалы щелочных и щелочно-земельных металлов рассчитываются теоретически, т.к. в водных растворах эти металлы взаимодействуют с водой. Значение электродного потенциала количественно характеризует восстановительные свойства металла, т.е. его химическую активность. Слева направо в ряду напряжений восстановительная активность металлов в водных растворах уменьшается, а окислительная способность катионов увеличивается. На основании ряда напряжений можно сделать выводы о химической активности металлов.

• Каждый металл вытесняет из солей другие металлы, имеющие большие значения Е°, т.е. являющиеся менее сильными восстановителями.

• Металлы, имеющие отрицательные значения Е°, способны вытеснять водород из кислот.

• Металлы, имеющие очень низкие значения Е°, т.е. являющиеся сильными восстановителями (с лития по натрий), в любых водных растворах взаимодействуют прежде всего с водой.

Эти правила имеют ряд исключений.

• Алюминий и магний часто не могут вытеснять менее активные металлы из-за наличия на их поверхности защитной пленки оксида. Если же эту пленку разрушить, то металлы начинают реагировать с водой.

• Для вытеснения металлов не используют молекулярный водород (водородный электрод работает только в присутствии платины).

• Свинец не вытесняет водород из растворов соляной и серной кислот, т.к. на поверхности металла образуется пленка малорастворимых хлорида и сульфата, пассивирующих дальнейшую реакцию.

Большинство металлов встречается в природе в виде различных соединений, только наименее активные металлы встречаются в природе в самородном, свободном состоянии. Получить металлы из соединений можно, применяя различные металлургические процессы, причем любой из них сводится к восстановлению ионов металла с помощью восстановителей. В зависимости от способа проведения металлургического процесса различают пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.

Пирометаллургия – это получение металлов из их соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей (C, CO, H2, Al, Mg и др.). Частным случаем пирометаллургии является алюмотермия. Например:

Гидрометаллургия – это получение металлов, которое состоит из двух процессов: сначала природное соединение металла (оксид) растворяют в кислоте, в результате чего получают соль металла. Затем из полученного раствора необходимый металл вытесняют более активным металлом. Например:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O,

CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu.

Электрометаллургия – это получение металлов при электролизе растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя при этом играет электрический ток. Например:

Тест по теме «Общая характеристика металлов.
Электрохимический ряд напряжений»

1. Какая из следующих групп химических элементов содержит только металлы?

а) Cs, Be, B; б) K, Ca, Sr;

в) H, Li, Na; г) Bi, W, Po.

2. Какое физическое свойство не является общим для всех металлов?

а) Электропроводность;

б) теплопроводность;

в) твердое агрегатное состояние при стандартных условиях;

г) металлический блеск.

3. Натрий и калий можно хранить под слоем керосина, а литий – только под слоем вазелинового масла, т.к.:

а) литий реагирует с керосином;

б) в ряду напряжений литий находится левее натрия и калия;

в) литий более активен, чем калий и натрий;

г) плотность лития меньше плотности керосина.

4. При электролизе водного раствора хлорида натрия на катоде выделяется:

а) натрий; б) хлор;

в) водород; г) кислород.

5. Наибольшее значение энергии ионизации имеет атом элемента:

а) Ca; б) Mg; в) Si; г) O.

6. Масса карбида кальция, в которой содержится 5,418•1024 атомов всех образующих это соединение элементов, составляет (в г):

а) 19,2; б) 192; в) 57,6; г) 576.

7. Какие из перечисленных веществ реагируют с водой с образованием раствора сильного электролита, в котором лакмус приобретает синюю окраску?

а) Na; б) SO3; в) KH; г) Mg.

8. Какое из соединений кальция входит в состав земной коры?

а) Оксид; б) нитрид; в) карбид; г) карбонат.

9. Какой объем (л) газа (н.у.) выделится при взаимодействии 6,48 г серебра с избытком разбавленной азотной кислоты?

а) 4,032; б)1,344; в) 0,448; г) 22,4.

10. Какой металл нельзя получить электролизом водного раствора его соли?

а) Цинк; б) калий; в) медь; г) литий.

Ключ к тесту

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

б, г

в

г

в

а

б

а, в

г

в

б, г

 

Задачи на погружение пластинки в раствор соли

(ряд напряжений металлов)

1. Масса железной пластинки составляет 5 г. Рассчитать, как изменится масса пластинки после выдерживания ее в растворе медного купороса, содержащего 1,6 г сульфата меди(II).

Дано:

m0(Fe) = 5 г,

m(CuSO4) = 1,6 г.

Найти:

m = m(Cu) – m(Fe).

Решение

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.

Количества вещества участников реакции одинаковы.

(Cu) = (Fe) = (CuSO4) = m(CuSO4)/M(CuSO4) = 1,6/160 = 0,01 моль;

m = (Cu)•M(Cu) – (Fe)•M(Fe) = 0,01•64 – 0,01•56 = 0,08 г.

Ответ. Масса пластинки увеличится на 0,08 г.

2. Железная пластинка массой 40 г была погружена в раствор сульфата меди(II), затем промыта водой и высушена. Масса ее оказалась равной 41,6 г. Сколько граммов металлической меди выделилось из раствора на пластинку? Какой объем 96%-го раствора азотной кислоты ( = 1,5 г/мл) необходимо затратить для снятия медного покрытия с пластинки?

Ответ. 12,8 г Cu; 35 мл 96%-й HNO3.

3. Железную пластинку массой 6,35 г поместили в 200 г 20%-го раствора сульфата меди(II). Через некоторое время масса пластинки увеличилась до 7,1 г. Определить количества вещества сульфатов меди(II) и железа(II) в полученном растворе.

Ответ. 0,15625 моль CuSO4
и 0,09375 моль FeSO4.

4. Железную пластинку погрузили в 400 г 0,08%-го раствора сульфата меди(II). После выделения всей меди на пластинке ее масса увеличилась на 4%. Какой была масса пластинки?

Ответ. 0,4 г.

5. Порошок магния массой 40 г поместили в 596 г раствора сульфата цинка. Затем порошок отфильтровали и высушили. Его масса увеличилась на 16 г. Определить состав конечного раствора (массовую долю сульфата магния).

Дано:

m0(Mg) = 40 г,

m(р-ра ZnSO4) = 596 г,

m = 16 г.

Найти:

(MgSO4).

Решение

ZnSO4 + Mg = MgSO4 + Zn.

Изменение массы порошка в смеси:

m = m(Zn) + m(Mg).

Пусть (Zn) = (Mg) = х моль,

тогда m = 65х – 24х = 16 г.

Отсюда х = 0,39 моль.

Массовая доля сульфата магния в конечном растворе:

(MgSO4) = m(MgSO4)/m1(р-ра) = 0,39•120/(596 – 16) = 0,0807, или 8,07%.

Ответ. (MgSO4) = 8,07%.

6. В раствор хлорида металла I группы периодической системы (масса ионов металла в составе соли составляет 3,2 г) поместили железную пластинку массой 50 г. После полного выделения металла масса пластинки увеличилась на 0,8%. Определить, хлорид какого металла был взят.

Ответ. Хлорид меди(II).

7. Смешали 300 г 16%-го раствора сульфата меди(II) и 100 г 7,8%-го раствора сульфида натрия. В полученный раствор опустили железную пластинку. Через некоторое время пластинку вынули, высушили и взвесили, ее масса увеличилась на 0,8 г. Определить массовые доли веществ в конечном растворе.

Ответ. 0,39% FeSO4 и 0,41% CuSO4.

8. В раствор, содержащий 14,64 г хлорида кадмия(II), погрузили цинковую пластинку. Масса ее увеличилась на 3,29 г. Определить степень выделения кадмия, а также состав солей и их количества вещества в конечном растворе.

Ответ. Степень выделения кадмия 87,5%;
(ZnCl2) = 0,07 моль, (CdCl2) = 0,01 моль.

9. В раствор, содержащий 14,1 г нитрата меди(II) и 14,625 г нитрата ртути(II), погрузили кадмиевую пластинку массой 50 г. На сколько процентов увеличилась масса пластинки после полного выделения меди и ртути из раствора?

Ответ. 0,81%.

10. Медную пластинку массой 100 г поместили в раствор массой 131,5 г с массовой долей нитрата ртути Hg2(NO3)2 20%. Определить массу пластинки после окончания реакции.

Ответ. 116,9 г.

11. Образец цинка массой 60 г поместили в раствор массой 200 г с массовой долей нитрата свинца(II) 6,62%. Определить массу образца металла после окончания реакции, считая, что весь выделившийся из раствора металл остался на образце.

Ответ. 65,68 г.

12. В раствор массой 50 г с массовой долей сульфата олова 21,5% поместили железные опилки массой 3,36 г. После окончания реакции металлический осадок собрали. Определить массу этого осадка.

Ответ. 6,51 г.

13. Железную пластинку массой 20 г поместили в раствор массой 80 г с массовой долей нитрата серебра 12%. Через некоторое время массовая доля нитрата серебра в растворе составила 8%. Определить массу пластинки после окончания реакции, считая, что весь металл из раствора выделился на ней.

Ответ. 20,78 г.

14. В раствор нитрата ртути Hg2(NO3)2 массой 200 г поместили железные опилки. Массовая доля растворенного вещества первоначально составляла 20%. Через некоторое время массовая доля нитрата ртути в растворе стала равна 10%. Какая масса ртути получена в результате реакции?

Ответ. 16,34 г.

15. После погружения цинковой пластинки массой 6 г в 100 г 2%-го раствора сульфата меди(II) количество вещества сульфата меди(II) в растворе уменьшилось в 4 раза. Определить концентрации веществ в полученном растворе и найти, какой стала масса пластинки.

Ответ. 0,5% CuSO4, 1,51% ZnSO4,
5,99 г.

16. После погружения железной пластинки массой 10 г в 100 г 5%-го раствора сульфата меди(II) количество вещества ионов меди в растворе уменьшилось в 10 раз. Определить концентрации веществ в полученном растворе и найди, какой стала масса пластинки.

Ответ. 0,5% CuSO4, 4,28% FeSO4,
10,225 г.

17. Железную пластинку поместили в 150 г раствора сульфата меди(II). Через некоторое время пластинку вынули, промыли и взвесили. Масса пластинки оказалась на 0,4 г больше, чем до погружения в раствор. Концентрация сульфата меди(II) в образовавшемся растворе стала равной 3%. Найти концентрацию исходного раствора сульфата меди.

Ответ. 8,32%.

18. Железную пластинку массой 10 г опустили в раствор нитрата серебра, содержащий 4% соли. Через некоторое время пластинку вынули, промыли и высушили. Масса пластинки оказалась равна 12,4 г, а концентрация нитрата серебра в растворе уменьшилась в 4 раза. Определить массу исходного раствора.

Ответ. 169,2 г.

19. В 200 г 5%-го раствора хлорида меди(II) погрузили цинковую пластинку. Пластинка растворилась полностью. Концентрация хлорида меди(II) в растворе уменьшилась в 5 раз. Определить массу растворенной цинковой пластинки.

Ответ. 3,88 г.

20. Никелевую пластинку массой 25,9 г опустили в 555 г раствора сульфата железа(III) с массовой долей соли 0,1. После некоторого выдерживания пластинки в растворе ее вынули, при этом оказалось, что массовая доля сульфата железа(III) в растворе стала равна массовой доле образовавшейся соли никеля(II). Определить массу пластинки после того, как ее вынули из раствора.

Ответ. 21,74 г.


* Знак (+/–) означает, что данная реакция протекает не со всеми реагентами или в специфических условиях.

Продолжение следует