§ 42. Метали як реагенти. Окисно-відновні реакції

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Як можна визначити хімічну активність металу?

Відносну хімічну активність металу можна визначити за допомогою витискувального ряду металів (ряду активності), який склав Микола Бекетов. Чим лівіше у цьому ряді розташований метал, тим вищою є його хімічна активність.

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

Під час окисно-відновних реакцій відбувається процес переходу електронів від одних частинок до інших. Атоми елемента-відновника віддають електрони і окиснюються, а атоми елемента-окисника приєднують ці електрони і 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) $2Mg + O_2 = 2MgO$ (магній оксид складається з йонів $Mg^{2+}$ та $O^{2-}$);
б) $2Al + 3S = Al_2S_3$ (алюміній сульфід складається з йонів $Al^{3+}$ та $S^{2-}$).

ПОМІРКУЙТЕ

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

Хімічна активність металів у межах головної підгрупи однієї групи періодичної системи зростає зверху вниз. Це підтверджується тим, що в ряду активності Калій (4-й період) розміщений лівіше за Натрій (3-й період), а Барій (6-й період) — активніший за Кальцій (4-й період) та Магній (3-й період).

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?

Схема окиснення: $Li^0 - 1\bar{e} \rightarrow Li^+$ (атоми Літію втрачають електрони).
Схема відновлення: $S^0 + 2\bar{e} \rightarrow S^{2-}$ (атоми Сульфуру приєднують електрони).
У цій реакції літій є відновником і окиснюється, а сірка є окисником і відновлюється.

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

У цій реакції алюміній ($Al$) виконує функцію відновника, оскільки його атоми віддають електрони. Ферум(III) оксид ($Fe_2O_3$) є окисником, оскільки йони Феруму ($Fe^{3+}$), що входять до його складу, приєднують електрони. Процес перетворення алюмінію називається окисненням, а процес перетворення Феруму — відновленням.

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 кальцію з киснем ($2Ca + O_2 = 2CaO$) два атоми Кальцію втрачають по 2 електрони кожний (разом 4 електрони), а два атоми Оксигену в молекулі кисню приєднують по 2 електрони (разом 4 електрони).
У реакції літію із сіркою ($2Li + S = Li_2S$) два атоми Літію віддають по 1 електрону (разом 2 електрони), а один атом Сульфуру приєднує ці 2 електрони.
Отже, в обох випадках кількість відданих електронів дорівнює кількості приєднаних (електронний баланс зберігається).

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

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

Хімічна активність металів є різною і визначається їхнім місцем у ряду активності Бекетова: що лівіше розташований метал, то він активніший і легше вступає в хімічні реакції. Окисно-відновні реакції за участю металів завжди супроводжуються переходом електронів, при цьому атоми металу завжди виступають відновниками й окиснюються, перетворюючись на позитивно заряджені йони (катіони).

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: Це пояснюється тим, що золото ($Au$) є надзвичайно пасивним металом і розташоване в самому кінці ряду активності металів, тому воно не виявляє відновних властивостей у реакції з киснем.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

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

Під час хімічної реакції атоми металу завжди віддають свої валентні електрони атомам або йонам іншого реагенту. Внаслідок втрати негативно заряджених електронів електронейтральні атоми металу перетворюються на позитивно заряджені йони — катіони.

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

Рівняння реакції:
$2Na + Cl_2 = 2NaCl$
Атоми Натрію ($Na$) втрачають електрони, а атоми Хлору ($Cl$) їх приєднують. Натрій є відновником, а хлор — окисником.

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

У ряду активності до металів 3-го періоду належать натрій ($Na$), магній ($Mg$) та алюміній ($Al$). Їхня хімічна активність зменшується зі збільшенням порядкового номера елемента в періоді (зліва направо: $Na \rightarrow Mg \rightarrow Al$).

ПОМІРКУЙМО

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

У природі у вільному стані (як самородні метали) трапляються мідь ($Cu$), срібло ($Ag$), платина ($Pt$) та золото ($Au$). Це пояснюється їхньою низькою хімічною активністю (вони розташовані в кінці ряду активності), через що вони стійкі до дії 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 реакції:
$2Li + H_2 = 2LiH$
Схема окиснення: $Li^0 - 1\bar{e} \rightarrow Li^+$ (відновник окиснюється; йон $Li^+$ має електронну конфігурацію $1s^2$, як у $He$).
Схема відновлення: $H_2^0 + 2\bar{e} \rightarrow 2H^-$ (окисник відновлюється; йон $H^-$ має електронну конфігурацію $1s^2$, 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) $2F^- - 2\bar{e} \rightarrow F_2$ — процес окиснення.
б) $Fe^{3+} + 1\bar{e} \rightarrow Fe^{2+}$ — процес 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.

Хімічне рівняння:
$4CuO \xrightarrow{t} 2Cu_2O + O_2\uparrow$
Ця реакція є окисно-відновною, оскільки елементи змінюють свої ступені окиснення: Купрум відновлюється з $+2$ до $+1$, а Оксиген окиснюється з $-2$ до $0$. Частинкою-окисником є катіон Купруму ($Cu^{2+}$), а частинкою-відновником — аніон Оксигену ($O^{2-}$).

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

Для одержання однакової кількості водню алюмінію буде витрачено менше за масою, ніж магнію.
Пояснення: Згідно з рівняннями реакцій ($Mg + 2HCl = MgCl_2 + H_2$ та $2Al + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2$), 1 моль $Mg$ (24 г) витісняє 1 моль $H_2$, тоді як 1 моль $Al$ (27 г) витісняє 1,5 моль $H_2$. Тобто 27 г алюмінію дають більше водню, ніж 24 г магнію. Отже, для отримання тієї ж кількості газу маса алюмінію буде меншою.

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 реакції:
$2Al + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$
За рівнянням: з 2 моль $Al$ утворюється 3 моль $H_2$.
Складаємо пропорцію:
$2 \text{ моль } Al \rightarrow 3 \text{ моль } H_2$
$0,1 \text{ моль } Al \rightarrow x \text{ моль } H_2$
$x = \dfrac{0,1 \cdot 3}{2} = 0,15 \text{ моль } H_2$
Обчислюємо об’єм водню за нормальних умов ($V_m = 22,4$ 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.