Общие свойства металлов и способы их получения часто встречаются в заданиях ЕГЭ по химии. Разберём, как протекают реакции с разными веществами и какими способами получают чистые металлы в промышленности. После изучения статьи ты сможешь уверенно выполнять задания базового и профильного уровней экзамена.
Где тема встречается на ЕГЭ
Тема проверяется на экзамене в следующих форматах:
- Задания 6 и 7: выбор реагентов, с которыми взаимодействует конкретное вещество;
- Задание 8: установление соответствия между реагирующими веществами и продуктами реакции;
- Задание 9: цепочки неорганических превращений, где нужно определить неизвестные вещества $X$ и $Y$;
- Задание 20: электролиз растворов и расплавов солей — классическое задание на способы получения металлов;
- Задания 29, 31 (вторая часть): написание окислительно-восстановительных реакций (ОВР), где металлы выступают в роли восстановителей.
Положение в ПСХЭ и физические свойства
Большинство элементов Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева — это металлы. К ним относятся все d- и f-элементы, s-элементы (кроме водорода и гелия), а также часть p-элементов, расположенных в нижнем левом углу таблицы (ниже диагонали от бора к астату).
Атомы металлов на внешнем энергетическом уровне обычно содержат небольшое количество электронов (от 1 до 3). Их главная химическая особенность — большой атомный радиус и низкая электроотрицательность.
Ряд активности металлов
Химическая активность металлов в водных растворах определяется электрохимическим рядом напряжений (рядом активности). Слева направо восстановительные свойства ослабевают.
Ряд условно делится на три группы:
| Группа металлов | Положение в ряду активности | Примеры элементов | Закономерности поведения |
|---|---|---|---|
| Активные | От $Li$ до $Al$ (включительно) | $Li,\, K,\, Ba,\, Ca,\, Na,\, Mg,\, Al$ | Бурно реагируют с водой, вытесняют водород из кислот. |
| Средней активности | От $Mn$ до $Pb$ | $Mn,\, Zn,\, Cr,\, Fe,\, Ni,\, Sn,\, Pb$ | Реагируют с водой только при нагревании (с водяным паром), вытесняют водород из кислот-неокислителей. |
| Малоактивные | После $H$ | $Cu,\, Hg,\, Ag,\, Pt,\, Au$ | Не реагируют с водой, не вытесняют водород из обычных кислот. |
Химические свойства металлов
Рассмотрим химические свойства пошагово, опираясь на типы реагентов.
Реакции с простыми веществами
Металлы реагируют практически со всеми неметаллами. Важно обращать внимание на силу окислителя, так как от этого зависит конечная степень окисления металла. Это особенно актуально для элементов с переменной валентностью, например, для железа.
С галогенами (фтор, хлор, бром, иод)
Реакции протекают легко, часто с выделением большого количества тепла. В результате образуются галогениды. Сильные окислители ($Cl_2,\, Br_2$) стабильно переводят железо в степень окисления +3, а слабые ($I_2$) — только в +2:
С кислородом
Большинство металлов легко окисляются. Исключения составляют золото $Au$ и платина $Pt$ — они в реакцию с кислородом не вступают. Щелочные металлы ведут себя по-разному: литий даёт оксид, натрий — пероксид, калий — надпероксид. Железо образует железную окалину (смешанный оксид):
(железная окалина)
С серой (образование сульфидов)
Реакции обычно требуют нагревания. Исключение — ртуть, которая реагирует с серой при комнатной температуре. Железо в реакциях с серой переходит только в степень окисления +2:
С азотом, фосфором, углеродом
Реакции требуют сильного нагревания. Только литий способен реагировать с атмосферным азотом при обычных условиях:
С водородом
В реакцию вступают только активные металлы. Образуются гидриды, в которых водород проявляет степень окисления -1:
Реакции с водой
Способность металла реагировать с водой зависит от его положения в ряду активности.
Активные металлы
Реагируют с холодной водой с образованием растворимого основания (щёлочи) и выделением водорода:
Магний реагирует бурно только с горячей водой:
Металлы средней активности
Реагируют только с перегретым водяным паром при высоких температурах. Основания при таких температурах разрушаются, поэтому образуются оксид и водород:
Малоактивные металлы (после водорода)
C водой не реагируют ни при каких условиях.
Реакции с оксидами
Металлы могут выступать сильными восстановителями и восстанавливать другие металлы и неметаллы из их оксидов. Более активный металл вытесняет менее активный.
Алюмотермия и магнийтермия
Это промышленные и лабораторные методы получения чистых металлов:
Реакции с кислотными оксидами
Активные металлы способны восстанавливать неметаллы. Из-за этого свойства горящий магний нельзя тушить углекислотным огнетушителем:
Реакции с кислотами-неокислителями
К кислотам-неокислителям относятся соляная ($HCl$), фосфорная ($H_3PO_4$), разбавленная серная кислота ($H_2SO_4$) и другие. Окислителем в них выступает ион $H^+$.
Реакции с кислотами-окислителями
К кислотам-окислителям относятся концентрированная серная кислота $H_2SO_4$, а также азотная кислота $HNO_3$ любой концентрации. В них окислителем выступает центральный атом: $S^{+6}$ или $N^{+5}$. С кислотами-окислителями реагируют все металлы, кроме благородных ($Au,\, Pt,\, Pd$).
Схема реакции:
Продукт восстановления зависит от активности металла и концентрации кислоты. Чем активнее металл и чем больше разбавлена кислота, тем глубже восстанавливается центральный атом.
Действие концентрированной серной кислоты:
- С малоактивными металлами образуется сернистый газ:
- С металлами средней активности образуется сера или сероводород:
- С активными металлами образуется сероводород:
Действие разбавленной азотной кислоты:
- Малоактивные металлы дают оксид азота(II):
- Металлы средней активности могут давать оксид азота(II), молекулярный азот или оксид азота (I):
- Активные металлы с разбавленными растворами азотной кислоты могут восстанавливать азот до максимальной глубины — до нитрата аммония:
Действие концентрированной азотной кислоты:
- Малоактивные металлы дают оксид азота(IV):
- С металлами средней активности получается оксид азота(II):
- С активными металлами выделяется оксид азота(I):
Реакции со щелочами
С растворами и расплавами щелочей реагируют только амфотерные металлы (алюминий, цинк, бериллий).
- В водном растворе образуются комплексные соли:
- При сплавлении без присутствия воды образуются средние соли (алюминаты, цинкаты):
Реакции с солями
С растворами солей металлы реагируют по правилу: более активный вытесняет менее активный из состава соли.
Примеры типичного вытеснения:
Отдельно рассмотрим соли железа(III). Если добавить медь в раствор хлорида железа(III), выделения чистого железа не произойдёт. Медь недостаточно активна для этого. Протекает окислительно-восстановительная реакция: железо выступает окислителем и переходит в степень окисления +2.
Способы получения металлов
Выбор промышленного или лабораторного способа зависит от химической активности металла. Разберём основные пути получения химических элементов.
Электролиз расплавов и растворов солей
Метод активно используется в промышленности.
- Наиболее активные металлы (до алюминия включительно) получают исключительно электролизом расплавов, так как в водном растворе на катоде восстанавливается водород из воды. Пример электролиза расплава хлорида натрия:
- Получение алюминия выделяют отдельно. Его получают электролизом расплава оксида алюминия $Al_2O_3$, растворённого в расплавленном криолите $Na_3[AlF_6]$. Криолит нужен для значительного снижения температуры плавления смеси:
- Металлы средней и малой активности можно получать электролизом их водных растворов солей:
Металлотермия
Алюмотермия и магнийтермия используются в производстве тугоплавких металлов, которые сложно восстановить иным путём. Процесс сопровождается выделением огромного количества теплоты:
Гидрометаллургия
Способ восстановления металлов из растворов солей. Применяется в лабораториях и промышленности для извлечения ценных металлов из руд. Сначала руду растворяют, превращая в соль, а затем вытесняют нужный металл экономически выгодным реагентом (железом или цинком):
Пирометаллургия
Метод восстановления оксидов металлов средней и малой активности при высоких температурах. В качестве восстановителей используют газы (водород, угарный газ, аммиак) или твёрдый углерод:
- С водородом:
- С угарным газом:
- С углеродом:
- С аммиаком:
Типичные ошибки на экзамене
Запись реакции хлора с железом до $FeCl_2$.
Ученики привыкают, что железо образует двухвалентные соли с обычными кислотами ($Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2$). Однако нужно помнить, что газообразный хлор выступает сильным окислителем. Он переводит железо сразу в степень окисления +3:
Убеждение, что медь не реагирует с $FeCl_3$.
Часто руководствуются тем, что медь в ряду активности стоит правее железа, значит, вытеснить его не может, и пишут «реакция не идёт». Вытеснения действительно нет. Но там протекает ОВР, где железо из степени окисления +3 переходит в +2, окисляя медь:
Выделение водорода $H_2$ при реакции металла с азотной кислотой.
Ошибка возникает из-за непонимания разницы между кислотами-окислителями и обычными кислотами. В реакциях с азотной кислотой $HNO_3$ водород никогда не выделяется в газообразном виде. Вместо него образуются оксиды азота, свободный азот или ион аммония.
Реакция натрия с раствором $CuSO_4$ с выделением чистой меди.
Обычно применяют простое правило «активный металл вытесняет менее активный из соли». На практике нужно помнить про водную среду раствора. Натрий мгновенно реагирует с водой, а затем полученный гидроксид натрия вступает в реакцию обмена, высаживая нерастворимый гидроксид меди(II):
Разбор экзаменационных заданий
Рассмотрим, как применять теоретические знания в стандартных заданиях ЕГЭ.
Цепочка превращений
Задана следующая схема превращений веществ:
$CuO \xrightarrow{X} Cu \xrightarrow{Y} Cu(NO_3)_2$
Определите вещества $X$ и $Y$ из предложенного списка:
1. $AgNO_3$.
2. $NH_3$.
3. $N_2$.
4. $N_2O$.
5. $Ca(NO_3)_2$.
Расположите выбранные номера в верном порядке.
- Первая реакция требует перехода из оксида меди(II) в чистую медь. Для этого применяют пирометаллургический метод. Здесь требуется хороший восстановитель при нагревании (водород, углерод, угарный газ или аммиак). В списке предложен аммиак $NH_3$ (вещество под номером 2).
Уравнение: $3CuO + 2NH_3 \xrightarrow{t} 3Cu + N_2 + 3H_2O$.
Следовательно, $X = 2$. - Вторая реакция описывает перевод чистой меди в нитрат меди(II). Медь — малоактивный металлом. Она не реагирует с растворами солей активных металлов (например, с $Ca(NO_3)_2$). Для получения нитрата меди нужно использовать либо кислоты-окислители, либо реакцию с солью менее активного металла. В ряду активности серебро стоит после меди, поэтому медь легко вытеснит его из раствора. В списке есть $AgNO_3$ (вещество под номером 1).
Уравнение: $Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag\downarrow$.
Следовательно, $Y = 1$.
Ответ: 21.
Электролиз (получение металлов)
Установите соответствие между названием вещества и способом его получения электролизом:
А) Литий.
Б) Фтор.
В) Серебро.
Г) Магний.Варианты способов получения:
1. Раствор $LiF$.
2. Расплав $LiF$.
3. Раствор $MgCl_2$.
4. Раствор $AgNO_3$.
5. Расплав $AgF$.
6. Расплав $MgCl_2$.
Главное правило: активные металлы (до алюминия включительно) получают из расплавов солей. Неактивные металлы можно получать электролизом растворов солей.
А) Литий — активный металл. При использовании водного раствора на катоде пойдёт выделение водорода из воды. Подходит только электролиз расплава. Ищем в списке расплав $LiF$ (номер 2).
Б) Фтор — самый активный неметалл. Как и литий, из водного раствора получить фтор невозможно, потому что вода окисляется легче (на аноде выделится кислород). Фтор получают только из расплавов фторидов. Электролиз расплава $LiF$ даст на аноде фтор (номер 2).
В) Серебро — металл малой активности, стоит в ряду после водорода. Серебро легко восстанавливается из водного раствора. Подходит раствор $AgNO_3$ (номер 4).
Г) Магний — активный щелочноземельный металл. В водном растворе на катоде выделяется водород, необходим расплав соли. Подходит расплав $MgCl_2$ (номер 6).
Ответ: 2246.
Заключение
Теперь ты умеешь анализировать химические свойства металлов в зависимости от их положения в электрохимическом ряду активности. Ты знаешь, как правильно записывать уравнения реакций со щелочами, оксидами и кислотами. Эти навыки помогут уверенно определять продукты реакций и подбирать реагенты в заданиях тестовой части и при решении цепочек превращений. Для закрепления материала советуем решить 8–10 вариантов заданий на свойства металлов в «100балльном банке».
