Хімічні властивості металів

Усі хімічні реакції за участю металів ґрунтуються на їхній здатності віддавати електрони. Метал завжди виступає відновником: у схемі M⁰ − ne⁻ → Mⁿ⁺ атом металу втрачає електрони й окиснюється, перетворюючись на катіон. Саме ця здатність визначає, з якими речовинами і як саме реагуватиме метал.

Ряд активності металів

Активність металу — це його здатність віддавати електрони в реакціях у водних розчинах. Чим легше метал віддає електрони, тим він активніший. Розташування металів за спаданням цієї здатності утворює ряд активності (електрохімічний ряд напруг). Саме цей ряд наведено в Таблиці 4 довідкових матеріалів НМТ: від літію (найактивнішого) до золота (найменш активного). Запам'ятай: що лівіше стоїть метал у ряду, то сильніший він відновник.

Реакції з киснем

Метали реагують із киснем, утворюючи оксиди. Активні метали (лужні й лужноземельні) окиснюються на повітрі миттєво. Натрій і калій настільки швидко реагують з киснем і вологою повітря, що їх зберігають під шаром гасу, щоб ізолювати від атмосфери. Менш активні метали горять у кисні лише під час нагрівання (магній і алюміній за звичайних умов лише вкриваються оксидною плівкою), а малоактивна мідь під час нагрівання окиснюється:

• 2Mg + O₂ → 2MgO (магній оксид)

• 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ (алюміній оксид)

• 2Cu + O₂ → 2CuO (купрум(II) оксид, під час нагрівання)

Найменш активні метали — золото й платина — з киснем не реагують навіть під час нагрівання, тому їх називають благородними.

Реакції з хлором і сіркою

З хлором метали утворюють хлориди. Хлор — сильний окисник, тому він може окиснювати метали до високих ступенів окиснення:

• 2Na + Cl₂ → 2NaCl (натрій хлорид)

• 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (ферум(III) хлорид)

• Cu + Cl₂ → CuCl₂ (купрум(II) хлорид)

Із сіркою метали утворюють сульфіди. Сірка — слабший окисник, ніж хлор, тому вона окиснює залізо лише до +2:

• Fe + S → FeS (ферум(II) сульфід)

• Zn + S → ZnS (цинк сульфід)

• Hg + S → HgS (меркурій(II) сульфід) — цю реакцію використовують для знешкодження розлитої ртуті

Чому залізо має різний ступінь окиснення?

Той самий метал може виявляти різні ступені окиснення залежно від сили окисника. Хлор — дуже сильний окисник, тому він окиснює залізо до +3 (FeCl₃). Сірка й катіони Гідрогену H⁺ з кислот — слабші окисники, вони окиснюють залізо лише до +2 (FeS, FeCl₂). Це ключовий момент для завдань на хімічні властивості заліза (тема 2.1.2 програми НМТ).

Взаємодія металу з водою залежить насамперед від його положення в ряду активності, а також від умов (температури, наявності захисної плівки на поверхні). За цією ознакою всі метали поділяють на три групи.

Лужні й лужноземельні метали: реакція за звичайних умов

Літій, натрій, калій (лужні), а також кальцій, стронцій, барій (лужноземельні) реагують з водою вже за кімнатної температури. Продукти реакції — луг і водень:

• 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ — натрій плавиться в блискучу кульку, бігає по поверхні води, виділяється газ

• 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑ — реакція ще бурхливіша, водень одразу спалахує

• Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑ — кальцій реагує спокійніше, утворюється каламутний розчин кальцій гідроксиду

Утворений луг можна виявити індикатором: фенолфталеїн набуває малинового забарвлення.

Магній: особливий випадок

Магній стоїть у ряду активності лівіше від водню, але з холодною водою майже не реагує через щільну оксидну плівку. З гарячою водою реакція відбувається повільно:

Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂↑

Метали середньої активності: реакція з водяною парою

Цинк, залізо та інші метали, що стоять у ряду активності від Mg до H₂, реагують з водою лише у вигляді водяної пари під час сильного нагрівання. При цьому утворюється оксид металу й водень, а не гідроксид:

• Zn + H₂O → ZnO + H₂ (цинк оксид)

• 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ (залізна окалина, Fe₃O₄ — змішаний оксид FeO·Fe₂O₃)

Алюміній без захисної оксидної плівки теж реагує з водою, але це питання детально розглянуто в юніті «Алюміній та його сполуки».

Малоактивні метали: реакції немає

Метали, що стоять у ряду активності правіше від водню (Cu, Ag, Hg, Pt, Au), з водою не реагують за жодних умов.

Ряд активності металів дає змогу точно передбачити, чи відбудеться реакція металу з кислотою або з розчином солі, і які продукти при цьому утворяться.

Взаємодія з хлоридною та розведеною сульфатною кислотами

Правило просте: метал, що стоїть у ряду активності лівіше від водню, витісняє водень із хлоридної (HCl) та розведеної сульфатної (H₂SO₄) кислот. Метали, що стоять правіше від водню, з цими кислотами не реагують.

Розгляньмо приклади:

• Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑

• 2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑

• Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ — зверни увагу: утворюється FeCl₂, а не FeCl₃!

• Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑

Інтенсивність виділення водню залежить від активності металу: що лівіше він стоїть у ряду, то бурхливіша реакція. Магній і цинк реагують дуже активно, залізо — повільніше, а мідь (правіше від H₂) не реагує взагалі.

Важливо: нітратна кислота (HNO₃) і концентрована сульфатна кислота (H₂SO₄) реагують з металами зовсім інакше — водень не виділяється, а відновлюється Нітроген або Сульфур. Ці реакції розглянуто в окремих юнітах.

Взаємодія металу з розчином солі

Активніший метал (той, що стоїть лівіше в ряду) витісняє менш активний метал із розчину його солі. Це одна з найважливіших закономірностей теми.

• Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu — залізний цвях у синьому розчині купрум(II) сульфату вкривається червоним нальотом міді, а синій колір розчину блідне

• Zn + Pb(NO₃)₂ → Zn(NO₃)₂ + Pb

• Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag — мідний дріт у розчині аргентум нітрату вкривається сріблястим нальотом

Зміна маси пластинки

Коли метал занурюють у розчин солі іншого металу, маса пластинки може змінюватися. Це залежить від молярних мас металів, що беруть участь у реакції:

• Залізна пластинка в розчині CuSO₄ важчає: замість 56 г Fe (1 моль) осідає 64 г Cu — різниця +8 г

• Мідна пластинка в розчині AgNO₃ теж важчає: замість 64 г Cu (1 моль) осідає 216 г Ag (2 моль) — різниця +152 г

Особливість лужних і лужноземельних металів

Якщо в розчин солі (наприклад, CuSO₄) помістити натрій або кальцій, вони не витіснять мідь безпосередньо. Лужні метали насамперед реагують з водою, утворюючи луг, а вже луг реагує з сіллю:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑; 2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄

Тому замість червоного осаду міді утворюється блакитний осад купрум(II) гідроксиду. Цю особливість детально розглянуто в юніті «Ряд активності металів на НМТ: як ним користуватися».

Приклад 1. Вибір однієї відповіді

Завдання: Який метал реагує з водою за звичайних умов з утворенням лугу?

Варіанти: А — цинк; Б — кальцій; В — мідь; Г — залізо.

Розв'язання: З водою за звичайних умов реагують лише лужні (Li, Na, K) та лужноземельні (Ca, Sr, Ba) метали. Продукти — луг і водень. Серед запропонованих варіантів кальцій (Ca) належить до лужноземельних металів. Він реагує з водою: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. Кальцій гідроксид — луг.

Відповідь: Б — кальцій.

Чому інші варіанти неправильні: Цинк (Zn) реагує лише з водяною парою під час нагрівання, утворюючи ZnO, а не луг. Мідь (Cu) стоїть правіше від H₂ в ряду активності й з водою не реагує. Залізо (Fe) реагує з водяною парою під час сильного нагрівання, утворюючи Fe₃O₄, а не луг.

Приклад 2. Логічні пари

Завдання: Установіть відповідність між реагентами (1–3) і продуктом, що містить Ферум (А–Д).

Розв'язання: Хлор — сильний окисник, він окиснює залізо до +3, тому продукт — FeCl₃ (1 → А). Хлоридна кислота містить H⁺ — слабший окисник, залізо окиснюється до +2, утворюючи FeCl₂ (2 → Б). З водяною парою під час нагрівання залізо утворює залізну окалину Fe₃O₄ (3 → В).

Відповідь: 1А, 2Б, 3В.

Приклад 3. Вибір однієї відповіді

Завдання: Залізну пластинку занурили в розчин. У якому розчині її маса збільшиться?

Варіанти: А — цинк сульфат; Б — купрум(II) сульфат; В — хлоридна кислота; Г — магній хлорид.

Розв'язання: Маса пластинки збільшується, коли метал, що осідає, має більшу молярну масу, ніж метал, що розчиняється. Залізо (56 г/моль) активніше за мідь, тому витісняє мідь із CuSO₄: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Замість 56 г Fe осідає 64 г Cu — маса зростає.

Відповідь: Б — купрум(II) сульфат.

Чому інші варіанти неправильні: У ZnSO₄ та MgCl₂ залізо не може витіснити цинк чи магній, бо вони активніші за залізо — реакції немає, маса не змінюється. У HCl залізо розчиняється: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑, метал переходить у розчин, маса пластинки зменшується.

Приклад 4. Вибір однієї відповіді

Завдання: Яка реакція НЕ відбувається?

Варіанти: А — Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; Б — Cu + 2HCl → CuCl₂ + H₂; В — Mg + CuSO₄ → MgSO₄ + Cu; Г — Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂.

Розв'язання: Мідь стоїть у ряду активності правіше від водню, тому вона не витісняє водень із хлоридної кислоти. Реакція Cu + 2HCl → CuCl₂ + H₂ неможлива.

Відповідь: Б — Cu + 2HCl → CuCl₂ + H₂.

Чому інші варіанти правильні: Zn лівіше від H₂, тому витісняє водень (А). Mg активніший за Cu, тому витісняє мідь із солі (В). Ca — лужноземельний метал, реагує з водою з утворенням лугу (Г).

• Записувати FeCl₃ продуктом реакції заліза з хлоридною кислотою. Правильно: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑, бо H⁺ — слабкий окисник, він окиснює залізо лише до +2. Навпаки, FeCl₂ не може бути продуктом реакції заліза з хлором — хлор окиснює до +3: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃.

• Вважати, що цинк чи залізо реагують з холодною водою з утворенням гідроксиду. Насправді ці метали реагують лише з водяною парою під час сильного нагрівання, і продуктом є оксид, а не гідроксид: Zn + H₂O → ZnO + H₂.

• «Витісняти» мідь із розчину солі натрієм чи кальцієм. Лужні й лужноземельні метали в розчині солі реагують насамперед з водою, утворюючи луг, який далі реагує з сіллю. Мідь не виділяється — утворюється осад гідроксиду.

• Вважати, що метали правіше від водню не реагують із жодною кислотою. Це хибно: мідь, срібло та ртуть реагують із нітратною кислотою та концентрованою сульфатною кислотою, хоча водень при цьому не виділяється.

• Плутати ролі в реакції Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Залізо — відновник, воно окиснюється (Fe⁰ → Fe²⁺). Купрум(+2) у складі солі — окисник, він відновлюється (Cu²⁺ → Cu⁰).

• Вважати, що маса пластинки в розчині солі завжди зменшується. Насправді все залежить від молярних мас: якщо метал, що осідає, важчий за той, що розчиняється, маса зростає (наприклад, Fe в CuSO₄, Cu в AgNO₃).

Програма НМТ з хімії (тема 2.1.2) вимагає вміння складати рівняння, що підтверджують відновні властивості металів — з неметалами, водою, кислотами й солями в розчинах. Крім того, прогнозувати реакції кислот і солей з металами за рядом активності належить до тем 2.2.3 і 2.2.4.

Ряд активності металів наведено в Таблиці 4 довідкових матеріалів НМТ. Він охоплює метали від Li до Au, зокрема Sr, Be, Cr, Cd, Bi. Ти маєш уміти ним користуватися, а не запам'ятовувати напам'ять.

У демоваріанті 2026 року ряд активності знадобився в завданні 8 — визначення складу сплаву за його взаємодією з кислотою. Це завдання формату «вибір однієї відповіді з чотирьох» і оцінюється в 1 бал.

Логічні пари (завдання № 19–20) можуть принести до 3 балів (по 1 балу за кожну правильно встановлену пару). У таких завданнях є три позиції (1–3) і п'ять варіантів (А–Д), з яких два зайві. Зміст пар буває різним, зокрема «реагенти → продукт».

Стратегія виконання: для кожного варіанта спершу визнач тип реагенту — неметал (кисень, хлор, сірка), вода, кислота-неокисник (HCl, розведена H₂SO₄), кислота-окисник (HNO₃, концентрована H₂SO₄) чи розчин солі. Після цього застосуй ряд активності, щоб визначити, чи відбудеться реакція, і які продукти утворяться.

• Метали — відновники: у всіх реакціях вони віддають електрони й окиснюються (M⁰ − ne⁻ → Mⁿ⁺).

• З неметалами утворюють оксиди (з O₂), хлориди (з Cl₂), сульфіди (з S). Хлор окиснює Fe до +3, а сірка й H⁺ — лише до +2.

• З водою за звичайних умов реагують лише лужні й лужноземельні метали — утворюють луг і водень. Метали середньої активності реагують з водяною парою під час нагрівання — утворюють оксид і водень.

• Метали, що стоять лівіше від H₂ в ряду активності, витісняють водень із хлоридної та розведеної сульфатної кислот.

• Активніший метал витісняє менш активний із розчину його солі. Лужні метали в розчині солі реагують насамперед з водою.

• Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑, але 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ — запам'ятай цю різницю!