Страница 104 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

• Что показывает ряд активности металлов?

Что показывает ряд активности металлов?

Ряд активности металлов (также известный как электрохимический ряд напряжений металлов или ряд Бекетова) — это последовательность металлов, расположенных в порядке убывания их химической активности. Он был составлен русским химиком Николаем Николаевичем Бекетовым на основе изучения способности одних металлов вытеснять другие из растворов их солей. Ряд основан на сравнении стандартных электродных потенциалов металлов.

Ряд активности наглядно демонстрирует и позволяет прогнозировать следующее:

• Взаимодействие металлов с кислотами-неокислителями (например, с соляной $HCl$ или разбавленной серной $H_2SO_4$). Металлы, расположенные в ряду левее водорода (H), способны вытеснять его из растворов таких кислот. Металлы, стоящие правее водорода, с этими кислотами не реагируют.
  Пример: Цинк (Zn) стоит левее водорода и вступает в реакцию с соляной кислотой: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$. Медь (Cu) стоит правее водорода, поэтому реакция с соляной кислотой не идет.
• Взаимодействие металлов с водой.
  • Наиболее активные металлы (щелочные и щелочноземельные, в ряду до магния Mg включительно) реагируют с водой при комнатной температуре, образуя гидроксид (щёлочь) и водород. Например: $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2 \uparrow$.
  • Металлы средней активности (от магния Mg до водорода H) реагируют с водой только при сильном нагревании (с водяным паром), образуя оксид металла и водород. Например: $3Fe + 4H_2O \xrightarrow{t} Fe_3O_4 + 4H_2 \uparrow$.
  • Металлы, стоящие правее водорода, с водой не взаимодействуют.
• Взаимодействие металлов с растворами солей. Более активный металл (находящийся левее в ряду) вытесняет менее активный металл (находящийся правее) из раствора его соли.
  Пример: Железо (Fe) активнее меди (Cu), поэтому вытесняет её из раствора сульфата меди(II): $Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu \downarrow$. Обратная реакция невозможна.
  Исключение: самые активные металлы (щелочные и щелочноземельные) в водном растворе соли будут реагировать в первую очередь с водой, а не с солью.
• Сравнительную восстановительную способность металлов. Чем левее металл в ряду активности, тем он легче отдает электроны, то есть является более сильным восстановителем. Восстановительная способность металлов в ряду уменьшается слева направо.
• Сравнительную окислительную способность ионов металлов. Чем правее металл в ряду, тем его катион ($Me^{n+}$) легче принимает электроны, то есть является более сильным окислителем. Окислительная способность катионов металлов в ряду увеличивается слева направо.

Таким образом, ряд активности металлов является ключевым инструментом для качественного прогнозирования возможности и направления протекания окислительно-восстановительных реакций с участием металлов.

Ответ: Ряд активности металлов показывает сравнительную химическую активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях, позволяя предсказать их способность взаимодействовать с водой, растворами кислот-неокислителей и растворами солей других металлов. Он отражает убывающую восстановительную способность металлов и возрастающую окислительную способность их ионов при движении по ряду слева направо.

• Почему в ряд активности металлов включён водород?

Водород, несмотря на то что является неметаллом, включен в электрохимический ряд активности металлов (также известный как ряд напряжений) по нескольким ключевым причинам. Он служит важной точкой отсчета и практическим критерием для классификации химического поведения металлов.

Основные причины включения водорода в ряд активности:

• Точка отсчета (нулевой потенциал). В электрохимии принято считать стандартный электродный потенциал водородного электрода равным нулю при стандартных условиях (температура 298 К, давление 101,3 кПа, активность ионов $H^+$ в растворе 1 моль/л). Потенциал полуреакции $2H^+ + 2e^- \rightleftharpoons H_2$ обозначается как $E^0(2H^+/H_2)$ и принимается за 0,00 В. Потенциалы всех остальных металлов измеряются и сравниваются относительно этого условного нуля.
• Практический критерий для реакций с кислотами. Положение металла относительно водорода в ряду активности позволяет предсказать, будет ли этот металл вытеснять водород из растворов кислот-неокислителей (например, из соляной $HCl$ или разбавленной серной $H_2SO_4$).
  • Металлы, стоящие в ряду до водорода (левее), имеют отрицательный стандартный электродный потенциал. Они являются более сильными восстановителями, чем водород, и способны вытеснять его из растворов кислот. Например, цинк ($Zn$) реагирует с соляной кислотой:
    $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$
  • Металлы, стоящие в ряду после водорода (правее), имеют положительный стандартный электродный потенциал. Они являются более слабыми восстановителями и не могут вытеснять водород из таких кислот. Например, медь ($Cu$):
    $Cu + HCl \rightarrow \text{реакция не идет}$
  Таким образом, водород выступает в роли удобной границы, разделяющей металлы по их поведению в кислотной среде.
• Аналогия в химическом поведении. В окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в водных растворах, катионы водорода ($H^+$) ведут себя подобно катионам металлов: они могут принимать электроны (восстанавливаться), превращаясь в простое вещество $H_2$. Атомы металлов, в свою очередь, отдают электроны (окисляются), превращаясь в катионы. Реакция вытеснения водорода металлом из кислоты — это типичная реакция замещения, аналогичная вытеснению одного металла другим, менее активным, из раствора его соли.
  Сравните:
  $Zn^0 + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2^0$ (цинк вытесняет водород)
  $Fe^0 + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu^0$ (железо вытесняет медь)
  Эта аналогия делает логичным включение водорода в ряд, где элементы сравниваются по их восстановительной способности.

Ответ:

Водород включен в ряд активности металлов, так как он выполняет роль универсальной точки отсчета и практического разделителя. Во-первых, его стандартный электродный потенциал условно принят за ноль ($E^0 = 0.00$ В), что позволяет измерять и сравнивать активность всех металлов относительно него. Во-вторых, его положение в ряду позволяет легко определить, будет ли металл вытеснять водород из растворов кислот-неокислителей: металлы, стоящие до водорода, его вытесняют, а стоящие после — нет. В-третьих, в окислительно-восстановительных процессах ион водорода ($H^+$) ведет себя аналогично ионам металлов, конкурируя с атомами металлов за присоединение электронов.