§ 42. Метали як реагенти. Окисно-відновні реакції

Зміст

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Як можна визначити хімічну активність металу?

Хімічну активність металів визначають за витискувальним рядом (рядом активності) Миколи Бекетова. Що лівіше розміщений метал, то він активніший.

Які зміни відбуваються з речовинами під час окисно-відновних реакцій?

Відбувається перехід електронів між частинками. Атоми відновника віддають електрони (окиснюються), а атоми окисника — приєднують їх (відновлюються).

ЗАВДАННЯ

Складіть рівняння реакцій: а) магнію з киснем; б) алюмінію із сіркою. Візьміть до уваги те, що продукти обох хімічних перетворень складаються з йонів, у яких на зовнішньому енергетичному рівні перебуває 8 електронів.

а) $2Mg + O_2 = 2MgO$ (продукт містить йони $Mg^{2+}$ і $O^{2-}$);
б) $2Al + 3S = Al_2S_3$ (продукт містить йони $Al^{3+}$ і $S^{2-}$).

ПОМІРКУЙТЕ

Зробіть висновок щодо зміни хімічної активності металів залежно від розміщення відповідних хімічних елементів у кожній групі періодичної таблиці.

У головних підгрупах активність металів зростає зверху вниз. Наприклад, Калій (4-й період) активніший за Натрій (3-й період), а Барій (6-й період) — за Кальцій (4-й) та Магній (3-й), що збігається з їхнім розташуванням у ряду активності.

ЗАВДАННЯ

Літій реагує із сіркою згідно з рівнянням $2Li + S = Li_2S$. Запишіть схеми окиснення і відновлення до цієї реакції. Яка речовина окиснюється, а яка відновлюється?

Окиснення: $Li^0 – 1\bar{e} \rightarrow Li^+$ (Літій віддає електрони).
Відновлення: $S^0 + 2\bar{e} \rightarrow S^{2-}$ (Сульфур приєднує електрони).
Літій — відновник (окиснюється), сірка — окисник (відновлюється).

Назвіть функції реагентів і процеси їх перетворення в реакції $Fe_2O_3 + 2Al = Al_2O_3 + 2Fe$.

Алюміній ($Al$) — відновник (віддає електрони, процес окиснення). Ферум(III) оксид ($Fe_2O_3$) — окисник (йони $Fe^{3+}$ приєднують електрони, процес відновлення).

Зверніть увагу на таку особливість окисно-відновної реакції: скільки електронів втрачають частинки одного реагенту, стільки ж їх приєднують частинки другого реагенту. Перевірте це, використавши рівняння реакцій кальцію з киснем і літію із сіркою.

У реакції $2Ca + O_2 = 2CaO$ два атоми Кальцію віддають загалом 4 електрони (по 2 кожен), а два атоми Оксигену приєднують ці 4 електрони.
У реакції $2Li + S = Li_2S$ два атоми Літію віддають 2 електрони (по 1 кожен), які приєднує один атом Сульфуру.
Кількість відданих і приєднаних електронів однакова — електронний баланс зберігається.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про хімічну активність металів та особливості окисно-відновних реакцій.

Активність металів залежить від їхньої позиції в ряду Бекетова: чим лівіше, тим легше метал вступає в реакції. В окисно-відновних процесах метали завжди є відновниками — віддають електрони та стають позитивно зарядженими катіонами.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Приклад запитання: «Чому золото, на відміну від більшості інших металів, не реагує з киснем повітря навіть під час нагрівання?»
Відповідь: Золото ($Au$) — дуже пасивний метал, розміщений у кінці ряду активності, тому не виявляє відновних властивостей у реакції з киснем.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

439. Охарактеризуйте зміни, які відбуваються з атомами металу, що бере участь у хімічній реакції.

Атоми металу віддають валентні електрони іншому реагенту. Втрачаючи їх, нейтральні атоми перетворюються на позитивні катіони.

440. Напишіть рівняння реакції натрію з хлором. Які частинки речовин втрачають електрони, а які — приєднують? Назвіть окисник і відновник.

Рівняння: $$2Na + Cl_2 = 2NaCl$$ Атоми Натрію ($Na$) віддають електрони (відновник), а атоми Хлору ($Cl$) — приєднують їх (окисник).

441. Відшукайте в ряду активності метали, утворені хімічними елементами 3-го періоду. Як змінюється їхня хімічна активність залежно від розміщення відповідних елементів у періоді?

Метали 3-го періоду в ряду: натрій ($Na$), магній ($Mg$), алюміній ($Al$). Зі зростанням порядкового номера в періоді їхня хімічна активність зменшується ($Na \rightarrow Mg \rightarrow Al$).

ПОМІРКУЙМО

442. Які чотири метали, наявні в ряду активності, на відміну від інших трапляються в природі? Спробуйте пояснити цей факт.

У вільному стані трапляються мідь ($Cu$), срібло ($Ag$), платина ($Pt$) і золото ($Au$). Вони розташовані в кінці ряду активності, мають низьку хімічну реактоздатність і стійкі до впливу кисню та води.

ВИКОНАЙМО ВПРАВУ

443. Складіть рівняння реакції літію з воднем, якщо продукт реакції містить йони, електронна будова яких така сама, що й атома Гелію. Напишіть схеми окиснення і відновлення.

Рівняння: $$2Li + H_2 = 2LiH$$ Окиснення: $Li^0 – 1\bar{e} \rightarrow Li^+$ (відновник окиснюється; конфігурація $Li^+$ — $1s^2$, як у $He$).
Відновлення: $H_2^0 + 2\bar{e} \rightarrow 2H^-$ (окисник відновлюється; конфігурація $H^-$ — $1s^2$, як у $He$).

444. Запишіть замість крапок, скільки електронів приєднують або втрачають йони, і вкажіть процеси окиснення та відновлення: а) $2F^- \dots \rightarrow F_2$; б) $Fe^{3+} \dots \rightarrow Fe^{2+}$.

а) $2F^- – 2\bar{e} \rightarrow F_2$ (окиснення).
б) $Fe^{3+} + 1\bar{e} \rightarrow Fe^{2+}$ (відновлення).

445. Перетворіть схему реакції $CuO \rightarrow Cu_2O + O_2$ на хімічне рівняння. Чи є ця реакція окисно-відновною? Якщо так, то назвіть частинку-окисник і частинку-відновник.

Рівняння: $$4CuO \xrightarrow{t} 2Cu_2O + O_2\uparrow$$ Реакція є окисно-відновною, бо змінюються ступені окиснення. Окисник — катіон Купруму ($Cu^{2+}$), відновник — аніон Оксигену ($O^{2-}$).

446. Визначте, якого металу — магнію чи алюмінію — буде витрачено менше в реакції з хлоридною кислотою для одержання певної кількості водню.

За масою буде витрачено менше алюмінію. Згідно з рівняннями $Mg + 2HCl = MgCl_2 + H_2$ та $2Al + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2$: 24 г $Mg$ (1 моль) дає 1 моль $H_2$, а 27 г $Al$ (1 моль) — 1,5 моль $H_2$. Відповідно, 27 г алюмінію витіснять більше водню, ніж 24 г магнію.

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

447. Обчисліть об’єм водню (н. у.), який утворився внаслідок реакції алюмінію кількістю речовини 0,1 моль з достатньою кількістю хлоридної кислоти. Використайте наведене в параграфі хімічне рівняння цієї реакції.

Рівняння: $$2Al + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$$ За рівнянням: з 2 моль $Al$ утворюється 3 моль $H_2$.
Пропорція:
$2 \text{ моль } Al \rightarrow 3 \text{ моль } H_2$
$0,1 \text{ моль } Al \rightarrow x \text{ моль } H_2$
$$x = \dfrac{0,1 \cdot 3}{2} = 0,15 \text{ моль } H_2$$ Обчислюємо об’єм ($V_m = 22,4$ л/моль):
$$V(H_2) = n \cdot V_m = 0,15 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 3,36 \text{ л}$$ Відповідь: 3,36 л.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

448. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Метали — metals
• Хімічна активність — chemical activity
• Ряд активності металів — activity series of metals
• Окисно-відновна реакція — redox reaction
• Окиснення — oxidation
• Відновлення — reduction
• Окисник — oxidizing agent
• Відновник — reducing agent
• Катіон — cation

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

449. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.