Задание 15 ЕГЭ по химии проверяет знание окислительно-восстановительных реакций в химии металлов. В этом задании требуется определить продукты реакций металлов с различными окислителями и составить уравнения соответствующих реакций.
Металлы в окислительно-восстановительных реакциях обычно выступают в роли восстановителей, отдавая электроны и повышая свою степень окисления от 0 до положительных значений.
Окислительно-восстановительная активность металлов определяется их положением в электрохимическом ряду напряжений (ряду активности) металлов:
Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au
Чем левее расположен металл в ряду активности, тем сильнее его восстановительные свойства и тем легче он отдает электроны.
Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, могут вытеснять водород из разбавленных кислот (кроме HNO₃). Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не вытесняют водород из кислот.
Большинство металлов взаимодействуют с кислородом с образованием оксидов:
Некоторые металлы образуют пероксиды или надпероксиды:
Некоторые металлы (Au, Pt) не взаимодействуют с кислородом даже при нагревании.
Металлы взаимодействуют с галогенами с образованием солей:
Металлы взаимодействуют с серой с образованием сульфидов:
Некоторые металлы взаимодействуют с азотом с образованием нитридов:
Многие металлы (Cu, Ag, Au) не взаимодействуют с азотом.
Некоторые металлы взаимодействуют с водородом с образованием гидридов:
Многие металлы (Cu, Ag, Au) не взаимодействуют с водородом.
Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, взаимодействуют с разбавленными кислотами (кроме HNO₃) с выделением водорода:
Металлы, стоящие в ряду активности после водорода (Cu, Hg, Ag, Pt, Au), не вытесняют водород из разбавленных кислот.
Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. При взаимодействии с металлами она восстанавливается до различных продуктов в зависимости от активности металла:
Cu + 2H₂SO₄(конц.) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O
3Zn + 4H₂SO₄(конц.) = 3ZnSO₄ + S↓ + 4H₂O
4Zn + 5H₂SO₄(конц.) = 4ZnSO₄ + H₂S↑ + 4H₂O
Очень активные металлы (Na, K, Ca) реагируют с концентрированной серной кислотой с выделением водорода:
2Na + 2H₂SO₄(конц.) = Na₂SO₄ + SO₂↑ + 2H₂O
Азотная кислота является сильным окислителем. При взаимодействии с металлами она восстанавливается до различных продуктов в зависимости от активности металла и концентрации кислоты:
Cu + 4HNO₃(конц.) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
3Cu + 8HNO₃(разб.) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
4Zn + 10HNO₃(разб.) = 4Zn(NO₃)₂ + N₂O↑ + 5H₂O
4Zn + 10HNO₃(очень разб.) = 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O
Азотная кислота не взаимодействует с Au, Pt, Ir, Rh, Ta. Для растворения золота и платины используют царскую водку – смесь концентрированных HNO₃ и HCl в соотношении 1:3.
Металлы могут вытеснять менее активные металлы из растворов их солей:
Металл может вытеснить из раствора соли только те металлы, которые стоят в ряду активности правее него.
Активность взаимодействия металлов с водой зависит от их положения в ряду активности:
2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑
Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑
Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂↑
3Fe + 4H₂O(пар) = Fe₃O₄ + 4H₂↑
Некоторые металлы (Al, Zn, Be, Si, Pb) взаимодействуют с растворами щелочей с выделением водорода:
Эти металлы обладают амфотерными свойствами.
Определите продукты реакции меди с концентрированной азотной кислотой и составьте уравнение реакции.
Ответ:
Cu + 4HNO₃(конц.) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
1) Определяем положение меди в ряду активности металлов:
Медь – малоактивный металл, стоящий в ряду активности после водорода.
2) Определяем тип окислителя:
Концентрированная азотная кислота является сильным окислителем.
3) Учитываем условия реакции:
При взаимодействии малоактивных металлов с концентрированной азотной кислотой азот восстанавливается до NO₂.
4) Определяем продукты реакции:
Продуктами реакции будут нитрат меди(II), оксид азота(IV) и вода.
5) Составляем уравнение реакции и расставляем коэффициенты методом электронного баланса:
Cu⁰ - 2e⁻ → Cu²⁺ (окисление)
N⁺⁵ + 1e⁻ → N⁺⁴ (восстановление)
НОК(2, 1) = 2
Cu⁰ - 2e⁻ → Cu²⁺ | 1
N⁺⁵ + 1e⁻ → N⁺⁴ | 2
Cu + 4HNO₃(конц.) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
Определите продукты реакции алюминия с разбавленной серной кислотой и составьте уравнение реакции.
Ответ:
2Al + 3H₂SO₄(разб.) = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑
1) Определяем положение алюминия в ряду активности металлов:
Алюминий – активный металл, стоящий в ряду активности до водорода.
2) Определяем тип окислителя:
Разбавленная серная кислота. В этом случае окислителем являются ионы водорода H⁺.
3) Учитываем условия реакции:
При взаимодействии металлов, стоящих в ряду активности до водорода, с разбавленными кислотами (кроме HNO₃) выделяется водород.
4) Определяем продукты реакции:
Продуктами реакции будут сульфат алюминия и водород.
5) Составляем уравнение реакции и расставляем коэффициенты методом электронного баланса:
Al⁰ - 3e⁻ → Al³⁺ (окисление)
2H⁺ + 2e⁻ → H₂⁰ (восстановление)
НОК(3, 2) = 6
Al⁰ - 3e⁻ → Al³⁺ | 2
2H⁺ + 2e⁻ → H₂⁰ | 3
2Al + 6H⁺ + 3SO₄²⁻ = 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻ + 3H₂↑
2Al + 3H₂SO₄(разб.) = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑
| Окислитель | Активные металлы (Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Zn) | Металлы средней активности (Fe, Ni, Sn, Pb) | Малоактивные металлы (Cu, Hg, Ag, Pt, Au) |
|---|---|---|---|
| O₂ | Оксиды, пероксиды, надпероксиды | Оксиды | Оксиды (Au, Pt не реагируют) |
| Галогены (Cl₂, Br₂, I₂) | Галогениды | Галогениды | Галогениды |
| S | Сульфиды | Сульфиды | Сульфиды |
| N₂ | Нитриды | Нитриды (некоторые) | Не реагируют |
| H₂O | Гидроксиды + H₂ | Оксиды + H₂ (при нагревании) | Не реагируют |
| Разбавленные кислоты (кроме HNO₃) | Соли + H₂ | Соли + H₂ | Не реагируют |
| H₂SO₄(конц.) | Соли + H₂S/S/SO₂ + H₂O | Соли + S/SO₂ + H₂O | Соли + SO₂ + H₂O |
| HNO₃(конц.) | Соли + NO₂/NO + H₂O | Соли + NO₂/NO + H₂O | Соли + NO₂ + H₂O |
| HNO₃(разб.) | Соли + N₂O/N₂/NH₄NO₃ + H₂O | Соли + NO + H₂O | Соли + NO + H₂O |
| Растворы солей | Соли + менее активный металл | Соли + менее активный металл | Реагируют только с солями менее активных металлов |
| Растворы щелочей | Комплексные соединения + H₂ (для амфотерных металлов) | Не реагируют (кроме амфотерных) | Не реагируют |
Закрепите теорию на практике! Попробуйте решить несколько вариантов задания 15.