№6. Металлы и неметаллы: как выбрать вещества, которые реагируют
Задание №6 качественное: дан перечень веществ, и нужно выбрать те, которые вступают в реакцию, или установить соответствие между исходными веществами и продуктами. Решение опирается на ряд активности металлов, таблицу растворимости и знание амфотерности — угадывать здесь нельзя, каждую пару нужно проверять.
Металлы — элементы, атомы которых легко отдают электроны, поэтому в реакциях они восстановители. Их активность сравнивают по электрохимическому ряду напряжений: каждый металл вытесняет из растворов солей те металлы, которые стоят правее него, и не вытесняет стоящие левее. Металлы, стоящие в ряду до водорода, реагируют с разбавленными кислотами с выделением водорода, а стоящие после водорода с такими кислотами не реагируют.
ряд активности: Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Pt, Au
| Группа металлов | Где стоят в ряду активности | С чем реагируют | Пример реакции |
|---|---|---|---|
| Самые активные | Li, K, Ba, Ca, Na | с водой уже при обычных условиях и бурно с кислотами | 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑ |
| Средней активности | Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb | с разбавленными кислотами и с растворами солей менее активных металлов | Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑ |
| Малоактивные | Cu, Hg, Ag, Pt, Au | с кислотами-неокислителями не реагируют, растворяются в кислотах-окислителях | Cu + 2H2SO4 (конц.) → CuSO4 + SO2↑ + 2H2O |
Отдельная группа — амфотерные металлы: Be, Zn, Al, Cr. Они и их оксиды и гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щелочами. Цинк растворяется в избытке щёлочи с выделением водорода и образованием комплексной соли, а его гидроксид растворяется в щёлочи без газа. Гидроксид магния, наоборот, в щёлочи не растворяется, и это часто используется как различие в задании.
Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑
Zn(OH)2 + 2NaOH → Na2[Zn(OH)4]
Неметаллы в реакциях чаще окислители, но могут быть и восстановителями. Типичные реакции неметаллов: с металлами (2Na + Cl2 → 2NaCl), с водородом (H2 + Cl2 → 2HCl), с кислородом (S + O2 → SO2), друг с другом. Более активный галоген вытесняет менее активный из его солей: хлор вытесняет бром и иод, а иод хлор не вытесняет.
Cl2 + 2KI → 2KCl + I2
Трудовая часть задания — реакции ионного обмена. Обмен идёт до конца, если образуется осадок, газ или вода. Отбирая пару веществ, проверяй два условия: исходные вещества должны быть растворимы, а один из продуктов — нет. Например, BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4↓ (белый осадок) + 2NaCl; Cu(NO3)2 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ (голубой осадок) + 2NaNO3; Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2↑.
- Шаг 1. Прочитай условие и определи, о каком типе реакции речь: замещение, обмен, реакция с кислотой или со щёлочью.
- Шаг 2. Расставь металлы перечня по ряду активности — это сразу подскажет, какая пара может реагировать.
- Шаг 3. Для реакции с солью проверь два условия: соль растворима и металл стоит в ряду левее металла этой соли.
- Шаг 4. Для реакции обмена сверь по таблице растворимости все возможные продукты: нужен осадок, газ или вода.
- Шаг 5. Отдельно проверь амфотерные вещества: Zn(OH)2, Al(OH)3, ZnO и Al2O3 растворяются в избытке щёлочи, а Mg(OH)2 и Fe(OH)3 — нет.
- Шаг 6. Отбрось заведомо неподходящие пункты (свободный металл вместо соли, нерастворимая соль как исходный раствор) и запиши оставшиеся цифры в порядке позиций.
Типичные ошибки. 1) Считают, что любой металл вытесняет водород из любой кислоты: медь, серебро и золото с соляной и разбавленной серной кислотой не реагируют. 2) Забывают проверить растворимость: сульфат бария и хлорид серебра нерастворимы, поэтому исходными растворами быть не могут. 3) Не учитывают, что очень активные металлы (Na, K) с растворами солей реагируют иначе: сначала они взаимодействуют с водой. 4) Путают роли веществ в задании на соответствие и меняют цифры местами: сначала определяют вещество Х, затем Y. 5) Забывают про амфотерность: гидроксиды цинка и алюминия растворяются в щёлочи, а гидроксид магния — нет. 6) Записывают лишние цифры: в ответе должно быть ровно столько цифр, сколько позиций в задании.
Проверь себя
- Почему натрий не вытесняет медь из раствора сульфата меди так же просто, как это делает цинк?
- С какими из веществ — HCl, NaOH, CuSO4 — реагирует цинк и почему?
- Почему реакция BaCl2 + Na2SO4 идёт до конца, а BaCl2 + NaCl не идёт?
- Как по ряду активности определить, вытеснит ли один металл другой из раствора его соли?
- Какие из гидроксидов — Al(OH)3, Mg(OH)2, Fe(OH)3 — растворяются в избытке щёлочи? Объясни выбор.
Показательные решения
- В основе задания реакция замещения: нужно подобрать пару веществ, при взаимодействии которых выделяется металл. Ответ — две цифры: сначала номер вещества Х, затем номер вещества Y.
- Замещение идёт, если металл Y стоит в ряду активности левее металла, входящего в состав соли X. Проверяем пары по ряду напряжений.
- Подходит пара «нитрат серебра и железо»: железо стоит левее серебра, поэтому оно вытесняет серебро из раствора его соли.
- Записываем уравнение: 2AgNO3 + Fe → Fe(NO3)2 + 2Ag↓. Серебро выделяется в виде осадка, а железо переходит в раствор в степени окисления +2.
- Отбрасываем остальные пункты: свободный металл солью не является, а с солями очень активных металлов выделения серебра не будет.
- Значит, Х — это AgNO3 под номером 3, а Y — это Fe под номером 4.
- Ответ: 34.
Ответ: 34
Официальное решение из банка ФИПИ
Указанные вещества вступают в реакцию: 2AgNO₃ + Fe = Fe (NO₃)₂ + 2Ag↓. Здесь Х — AgNO₃, а Y — Fe. Ответ: 34.
- Здесь нужна пара веществ, которые при сливании растворов дают осадок, то есть реакция ионного обмена должна идти до конца.
- Обмен идёт до конца, если один из продуктов нерастворим, поэтому просматриваем возможные сочетания катионов и анионов перечня по таблице растворимости.
- Сульфат-ион с ионом бария даёт нерастворимый сульфат бария BaSO4 — белый осадок, который не растворяется даже в кислотах.
- Записываем уравнение: BaCl2 + ZnSO4 → ZnCl2 + BaSO4↓.
- Отбрасываем неподходящие варианты: хлорид серебра сам нерастворим, значит исходным раствором быть не может, а нитрат железа и хлорид натрия осадка ни с одним партнёром не дают.
- Получается, Х — это BaCl2 под номером 2, а Y — это ZnSO4 под номером 5.
- Ответ: 25.
Ответ: 25
Официальное решение из банка ФИПИ
Указанные вещества вступают в реакцию: BaCl₂ + ZnSO₄ = ZnCl₂ + BaSO₄↓. Здесь Х — BaCl₂, а Y — ZnSO₄. Ответ: 25.
- В условии сказано, что осадок растворяется при добавлении раствора щёлочи, значит речь об амфотерном гидроксиде.
- Амфотерные гидроксиды (Zn(OH)2, Al(OH)3, Be(OH)2, Cr(OH)3) реагируют со щелочами с образованием комплексных солей, а основания вроде Mg(OH)2 и Fe(OH)3 в щёлочи не растворяются.
- Подходит гидроксид цинка Zn(OH)2 — это вещество Х под номером 2.
- Раствор щёлочи — вещество Y, это гидроксид натрия NaOH под номером 1.
- Записываем уравнение: Zn(OH)2 + 2NaOH → Na2[Zn(OH)4]. Осадок растворяется, образуется тетрагидроксоцинкат натрия.
- Проверка: гидроксид магния Mg(OH)2 в щёлочи не растворяется, поэтому в этой роли он не подходит.
- Ответ: 21.
Ответ: 21
Официальное решение из банка ФИПИ
Указанные вещества вступают в реакцию: Zn (OH)₂ + 2NaOH = Na₂ [ Zn (OH)₄ ]. Здесь Х — Zn (OH)₂, а Y — NaOH. Ответ: 21.