Металлы и их соединения

Железо с соляной кислотой даёт хлорид железа(II), с хлором хлорид железа(III): Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 и 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3. Металл тот же, продукт другой, и на этом различии держится большая часть задач про металлы. Вопрос, который стоит задавать до записи, звучит так: до какой степени окисления доведёт металл тот, кто его окисляет. Ученик, выучивший «железо по свойствам» как набор уравнений, на экзамене попадает в задание, где окислитель непривычный, и выбирает продукт по памяти о другом уравнении.

Эта статья ведёт металлы от окислителя, то есть от того, что стоит по другую сторону реакции. Соседняя тема, неметаллы и их соединения, построена наоборот: там важнее, какие степени окисления проходит сам элемент. Те же реакции, что здесь, смотрятся оттуда иначе, и держать обе статьи под рукой удобнее, чем пересказывать их друг в друге.

Ряд напряжений читается по зонам

Ряд напряжений металлов, насколько мне известно, на экзамене выдаётся вместе с таблицей растворимости (это стоит сверить с правилами текущего года), и наизусть его нужно знать только в самом общем виде: где активные металлы, где средние, где те, что стоят после водорода. Щелочные и щёлочноземельные металлы реагируют с водой: 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2, Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2. Средние, от магния до свинца, вытесняют водород из кислот-неокислителей: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2. Металлы после водорода кислоты-неокислители не берут вовсе.

Ловушка здесь связана с растворами солей. Металл вытесняет из раствора соли менее активный металл (Cu + 2AgNO3 = Cu(NO3)2 + 2Ag), причём соль должна быть растворимой, а сам металл с водой реагировать не должен. Натрий, брошенный в раствор сульфата меди, не покроет себя медью: сначала натрий реагирует с водой, 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2, и уже образовавшаяся щёлочь осаждает гидроксид меди, 2NaOH + CuSO4 = Cu(OH)2 + Na2SO4. Тот же ряд определяет, что окажется на катоде при электролизе раствора, и это разобрано в статье про электролиз расплавов и растворов.

Железо: один металл и разные окислители

Железо удобно разбирать по окислителям, и вот правила, на которых строится почти всё остальное:

• слабые окислители (ионы водорода в кислотах-неокислителях, ионы меди, сера, иод) доводят железо до +2: Fe + S = FeS, Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu, Fe + I2 = FeI2;
• сильные окислители (хлор, бром, горячая концентрированная азотная кислота) доводят до +3: 2Fe + 3Br2 = 2FeBr3, Fe + 6HNO3 = Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O;
• в кислороде железо горит с образованием железной окалины, 3Fe + 2O2 = Fe3O4, в которой есть и +2, и +3;
• разбавленная азотная кислота даёт нитрат железа(III) и оксид азота(II): Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O.

Иод — слабый окислитель, хотя находится в одной группе с хлором, и по тому, что железо с иодом даёт иодид железа(II), легко проверить, читал ли ученик условие или подставлял «галоген = +3». Холодная концентрированная азотная кислота железо не растворяет: поверхность покрывается плёнкой оксида, и то же делают на холоде концентрированная серная кислота с железом и алюминием.

Так решаются и многошаговые условия. «Железо сожгли в хлоре, продукт растворили в воде и добавили медь»: хлор доводит железо до +3, 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3, а ион Fe3+ достаточно сильный окислитель, чтобы забрать электроны у меди, и в итоге остаётся хлорид железа(II) и хлорид меди(II). Если рассуждать от окислителя, на это уходит меньше минуты; ученик, который вспоминает уравнения по названиям металлов, нередко пишет здесь реакцию меди с хлором.

Отдельная цепочка с железом: хлорид железа(II) осаждается щёлочью в виде белого Fe(OH)2, на воздухе осадок зеленеет и буреет, 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3, и до оксида Fe2O3 его доводят только прокаливанием. Пропустить стадию окисления на воздухе, записав Fe(OH)2 сразу в Fe2O3, значит потерять звено цепочки.

Соединения железа(III) сами выступают окислителями, поэтому обратные реакции тоже идут: 2FeCl3 + Cu = 2FeCl2 + CuCl2 и 2FeCl3 + 2KI = 2FeCl2 + I2 + 2KCl. Ион Fe3+ узнают по красному раствору с роданидом калия, а Fe2+ по синему осадку с гексацианоферратом(III) калия.

Медь и пропавший коэффициент

Медь не вытесняет водород из кислот и не растворяется в соляной, зато с азотной реагирует, и здесь у учеников две ошибки. Первая — газ: концентрированная кислота даёт бурый NO2, разбавленная даёт NO. Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O для концентрированной и 3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O для разбавленной. Вторая ошибка — коэффициент перед кислотой.

Электронный баланс для разбавленной кислоты прост: медь отдаёт два электрона, азот принимает три, и общее кратное шесть требует трёх атомов меди и двух атомов азота в газе. Кислота при этом расходуется дважды: два атома азота ушли в NO, ещё шесть остались в трёх формульных единицах Cu(NO3)2, и 2 + 6 = 8. Ученик, который берёт в коэффициент только первую часть, ставит перед кислотой двойку и получает уравнение, в котором кислород справа и слева не сходится.

Сера доводит медь до +1, 2Cu + S = Cu2S, хотя железо с той же серой даёт +2, и это ещё один повод не переносить продукт с одного металла на другой. Концентрированная серная кислота, нагретая с медью, ведёт себя иначе: Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O, и снова кислота расходуется дважды, одна молекула восстанавливается до SO2, вторая даёт сульфат. Чем активнее металл, тем глубже восстанавливается кислота: с цинком концентрированная серная кислота может дать и серу, и сероводород, и это условие обычно называют прямо. Проверка по кислороду в конце ловит ошибку в коэффициенте почти всегда, подробнее об этом приёме в статье про окислительно-восстановительные реакции.

Амфотерные металлы, хром и марганец

Алюминий и цинк реагируют со щёлочью, и это неочевидно для металла: 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2, Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2. Окислителем остаётся вода, щёлочь только растворяет защитную оксидную плёнку и связывает продукт в комплекс. Алюминий к тому же восстанавливает менее активные металлы из оксидов, 2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe, и этой реакцией (алюмотермией) его применяют для получения металлов, которые не выделить иначе. Как амфотерность записывается для оксидов и гидроксидов, показано в статье про классы неорганических веществ.

У хрома и марганца ответ часто подсказывает цвет. Хромат-ион жёлтый, дихромат оранжевый, и один переходит в другой при смене среды: 2K2CrO4 + H2SO4 = K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O в кислой среде и K2Cr2O7 + 2KOH = 2K2CrO4 + H2O в щелочной. Перманганат фиолетовый, манганат зелёный, диоксид марганца бурый осадок, ион Mn2+ почти бесцветный. Условие вроде «раствор позеленел» или «выпал бурый осадок» называет продукт, и уравнение достаточно подогнать под него. Хром(III) в щелочной среде окисляется до хромата: 2Cr(OH)3 + 3Br2 + 10KOH = 2K2CrO4 + 6KBr + 8H2O. В одной записи сходятся амфотерный гидроксид и окислитель из неметаллов, а среда решает, в какой форме получится продукт.

В каком классе проходят и почему забывают

Металлы — материал девятого класса, а хром и марганец подробнее разбирают уже в одиннадцатом, при подготовке к экзамену. Девятиклассник встречает их как набор свойств по элементам: натрий, магний, алюминий, железо. К экзамену из этого набора помнится общий характер и не помнятся условия, при которых продукт меняется. Структура экзамена описана в статье о структуре ЕГЭ по химии; металлы входят и в первую часть, и во вторую, где нужно записывать уравнения цепочки (что входит во вторую часть); а где металлы стоят среди остальных тем курса, видно по порядку, в котором учат школьную химию.

По-моему, учить металлы по элементам хуже, чем по окислителям: для каждого из шести-семи окислителей (кислород, галогены, сера, кислоты-неокислители, концентрированные кислоты, растворы солей) выписать, до какой степени окисления доходит каждый из трёх-четырёх металлов. Так память работает по принципу, а не по списку уравнений, и непривычное условие распознаётся.

Расчётные задачи про металлы почти всегда про смеси. Железо и медь обработали соляной кислотой: водород выделило только железо, медь осталась, и по объёму газа находится масса железа, а потом доля меди в смеси. Эта часть решения опирается на тот же ряд напряжений (расчёты по уравнению реакции).

Начать с железа

Выберите железо и выпишите восемь реакций с разными окислителями, каждый раз называя степень окисления на выходе. Не заглядывая в записи, повторите через два дня. Затем сделайте то же для меди, потом для алюминия со щёлочью и кислотой. Хром и марганец оставьте напоследок: им нужны уже знакомые принципы и цвета в придачу. Если ни одна реакция не запоминается, вернитесь на шаг назад, к периодическому закону: положение металла в таблице заранее говорит, что он отдаёт легко, а что тяжело.

Репетитора по этой теме стоит выбирать по тому, как он обращается с условием: хороший сначала спрашивает, что окисляет металл и в какой среде, и только потом пишет продукт.

Начать поиск:

• репетиторы по химии
• подготовка к ЕГЭ по химии
• химия для 10–11 класса

Вопросы и ответы

Какой хлорид железа получается с соляной кислотой? FeCl2: ионы водорода окисляют железо слабо и доводят его только до +2. Хлорид железа(III) получают с хлором.

Нужно ли учить ряд напряжений, если он выдаётся на экзамене? Общий вид стоит знать: без него вы не заметите, что в задании лишний металл. А порядок отдельных соседей (например, кальций, натрий, магний) в нём сверяют по таблице и в памяти не держат.

Почему алюминий не растворяется в холодной концентрированной азотной кислоте? Поверхность алюминия и железа покрывается тонкой плотной плёнкой оксида (хром ведёт себя так же), и при нагревании она разрушается, после чего реакция идёт. Задание часто строится на этом различии: «на холоде» и «при нагревании» дают разные ответы.

Как отличить ионы железа(II) от ионов железа(III) в растворе? Железо(III) даёт красное окрашивание с роданидом калия и синий осадок с гексацианоферратом(II) калия. Железо(II) даёт синий осадок с гексацианоферратом(III) калия. Все три признака можно записать в тетради на одной строке, и в задании по качественным реакциям они чаще всего и спрашиваются.

С какого металла начинать, если времени мало? С железа. На нём отрабатываются сразу три навыка: выбор степени окисления по окислителю, работа с цепочкой и качественные реакции на ионы. Медь и алюминий добавляются следом, хром и марганец в последнюю очередь, когда принцип уже усвоен и остаётся только запоминать цвета.