Страница 95 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

4. Назовите два металла, которые можно использовать для вытеснения железа из раствора сульфата железа(II).

Для того чтобы вытеснить железо из раствора его соли, необходимо использовать более активный металл. Активность металлов определяется их положением в электрохимическом ряду напряжений (ряду активности). Металл, стоящий в этом ряду левее, является более активным и способен вытеснять металлы, стоящие правее, из растворов их солей.

Фрагмент ряда активности металлов:

... Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu ...

Из этого ряда видно, что для вытеснения железа (Fe) из раствора сульфата железа(II) ($FeSO_4$) можно взять любой металл, который находится левее железа. В качестве примера можно привести цинк (Zn) и магний (Mg).

1. Цинк (Zn)

Цинк стоит в ряду активности левее железа, поэтому он вытесняет его из раствора соли.

Уравнение реакции: $Zn + FeSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Fe$

2. Магний (Mg)

Магний также стоит левее железа и является еще более активным металлом, чем цинк. Он также будет вытеснять железо.

Уравнение реакции: $Mg + FeSO_4 \rightarrow MgSO_4 + Fe$

Ответ: цинк (Zn) и магний (Mg).

5. Напишите уравнения реакций соляной кислоты с магнием, алюминием, цинком и железом.

Все перечисленные металлы (магний, алюминий, цинк и железо) стоят в электрохимическом ряду напряжений металлов левее водорода, поэтому они вступают в реакцию замещения с соляной кислотой ($HCl$). В ходе этих реакций образуются соответствующая соль (хлорид металла) и выделяется газообразный водород ($H_2$).

с магнием

Магний ($Mg$), как металл второй группы главной подгруппы, проявляет в соединениях степень окисления +2. При взаимодействии с соляной кислотой образуется хлорид магния ($MgCl_2$) и выделяется водород ($H_2$). Для баланса атомов хлора и водорода перед формулой соляной кислоты ставится коэффициент 2.

Ответ: $Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2 \uparrow$

с алюминием

Алюминий ($Al$) является металлом третьей группы главной подгруппы и в реакциях проявляет степень окисления +3. Продуктами его реакции с соляной кислотой являются хлорид алюминия ($AlCl_3$) и водород ($H_2$). Для уравнивания реакции необходимо подобрать коэффициенты. Уравненное уравнение выглядит следующим образом:

Ответ: $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2 \uparrow$

с цинком

Цинк ($Zn$) — переходный металл, который в большинстве соединений проявляет степень окисления +2. Реакция с соляной кислотой приводит к образованию хлорида цинка ($ZnCl_2$) и водорода ($H_2$). Уравнение балансируется постановкой коэффициента 2 перед $HCl$.

Ответ: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

с железом

Железо ($Fe$) при взаимодействии с кислотами-неокислителями, к которым относится соляная кислота, проявляет низшую степень окисления +2 (железо является более сильным восстановителем, чем водород, но недостаточным для окисления ионами $H^+$ до степени окисления +3). Таким образом, в реакции образуется хлорид железа(II) ($FeCl_2$) и водород ($H_2$).

Ответ: $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$

6. Некий металл вступает в реакцию с раствором нитрата серебра, но не реагирует с разбавленной серной кислотой. Какой это металл?

Решение

Для определения неизвестного металла необходимо обратиться к электрохимическому ряду активности металлов. Этот ряд позволяет сравнивать химическую активность металлов.

1. Первое условие гласит, что металл вступает в реакцию с раствором нитрата серебра ($AgNO_3$). Это возможно только в том случае, если неизвестный металл активнее серебра ($Ag$). В ряду активности металлов он должен располагаться левее серебра. Более активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

2. Второе условие гласит, что металл не реагирует с разбавленной серной кислотой ($H_2SO_4$). Это означает, что металл менее активен, чем водород ($H$). В ряду активности он должен стоять правее водорода. Металлы, расположенные в ряду активности до водорода, способны вытеснять его из растворов кислот (кроме азотной), а металлы после водорода — нет.

Таким образом, искомый металл в электрохимическом ряду активности должен находиться между водородом ($H$) и серебром ($Ag$).

Рассмотрим фрагмент ряда активности металлов:

... $Fe, Co, Ni, Sn, Pb$, $H$, $Cu, Hg$, $Ag$, $Pt, Au$ ...

Между водородом ($H$) и серебром ($Ag$) в этом ряду находятся медь ($Cu$) и ртуть ($Hg$). Оба металла удовлетворяют условиям задачи. Наиболее часто в качестве примера приводят медь.

Проверим на примере меди ($Cu$):

Медь реагирует с нитратом серебра, так как стоит левее серебра в ряду активности:

$Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag \downarrow$

Медь не реагирует с разбавленной серной кислотой, так как стоит правее водорода в ряду активности:

$Cu + H_2SO_4(\text{разб.}) \nrightarrow$

Ответ:

Этим металлом может быть медь ($Cu$) или ртуть ($Hg$).

7. В каком порядке будут выделяться металлы из раствора, содержащего нитраты меди, серебра и свинца, если в него опустить железную пластинку?

Решение

Для определения порядка выделения металлов из раствора их солей необходимо воспользоваться электрохимическим рядом активности металлов. В этом ряду металлы расположены в порядке уменьшения их химической активности (восстановительных свойств). Более активный металл, стоящий в ряду левее, способен вытеснять менее активные металлы, стоящие правее, из растворов их солей.

В данной задаче в раствор, содержащий нитраты меди ($Cu(NO_3)_2$), серебра ($AgNO_3$) и свинца ($Pb(NO_3)_2$), опускают железную пластинку ($Fe$).

Рассмотрим положение этих четырех металлов в ряду активности:

... $Mg$ ... $Al$ ... $Zn$ ... $Fe$ ... $Ni$ ... $Sn$ ... $Pb$ ... $H_2$ ... $Cu$ ... $Hg$ ... $Ag$ ... $Pt$ ... $Au$ ...

Из ряда активности видно, что железо ($Fe$) является более активным металлом, чем свинец ($Pb$), медь ($Cu$) и серебро ($Ag$). Следовательно, железо будет вытеснять все три металла из их солей, при этом атомы железа будут окисляться и переходить в раствор в виде ионов $Fe^{2+}$, а ионы металлов в растворе будут восстанавливаться до металлов и оседать на пластинке.

Процесс вытеснения будет происходить последовательно. В первую очередь будет восстанавливаться катион того металла, который является наименее активным (стоит в ряду активности правее всех). Это связано с тем, что катионы менее активных металлов являются более сильными окислителями. Сравнивая активность свинца, меди и серебра, получаем следующий ряд: $Pb > Cu > Ag$.

Следовательно, металлы будут выделяться на железной пластинке в порядке, обратном их активности, то есть от наименее активного к наиболее активному:

1. Серебро (Ag). Сначала железо будет реагировать с нитратом серебра, так как серебро — самый неактивный металл из трех.

Уравнение реакции: $Fe + 2AgNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_2 + 2Ag\downarrow$

В ионном виде: $Fe^0 + 2Ag^+ \rightarrow Fe^{2+} + 2Ag^0\downarrow$

2. Медь (Cu). После того как большая часть ионов серебра прореагирует, железо начнет вытеснять медь, которая является следующим по активности металлом.

Уравнение реакции: $Fe + Cu(NO_3)_2 \rightarrow Fe(NO_3)_2 + Cu\downarrow$

В ионном виде: $Fe^0 + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu^0\downarrow$

3. Свинец (Pb). В последнюю очередь, когда ионы серебра и меди в растворе практически закончатся, железо начнет вытеснять самый активный из этой тройки металл — свинец.

Уравнение реакции: $Fe + Pb(NO_3)_2 \rightarrow Fe(NO_3)_2 + Pb\downarrow$

В ионном виде: $Fe^0 + Pb^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Pb^0\downarrow$

Таким образом, порядок выделения металлов будет: серебро, затем медь, затем свинец.

Ответ: Металлы будут выделяться в следующем порядке: сначала серебро (Ag), затем медь (Cu), и в последнюю очередь — свинец (Pb).

8. Как можно доказать, что ионы $Ag^+$ являются более сильными окислителями, чем ионы $Na^+$?

Решение

Сила окислителя характеризуется его способностью принимать электроны в ходе окислительно-восстановительной реакции. Чем выше эта способность, тем более сильным окислителем является частица. Доказать, что ионы серебра $Ag^+$ являются более сильными окислителями, чем ионы натрия $Na^+$, можно несколькими способами.

1. Сравнение стандартных электродных потенциалов

Наиболее точным и научным способом сравнения силы окислителей является сравнение их стандартных электродных потенциалов ($E^0$). Этот потенциал показывает склонность вещества к восстановлению (принятию электронов). Чем больше (положительнее) значение $E^0$, тем выше окислительная способность иона металла.

Рассмотрим полуреакции восстановления для ионов серебра и натрия и их потенциалы:

$Ag^+ + e^- \rightleftharpoons Ag(s)$; $E^0(Ag^+/Ag) = +0.80 \, В$

$Na^+ + e^- \rightleftharpoons Na(s)$; $E^0(Na^+/Na) = -2.71 \, В$

Поскольку стандартный электродный потенциал для пары $Ag^+/Ag$ ($+0.80 \, В$) значительно больше, чем для пары $Na^+/Na$ ($-2.71 \, В$), это означает, что ионы $Ag^+$ имеют гораздо большую тенденцию принимать электроны, чем ионы $Na^+$. Следовательно, ионы $Ag^+$ являются более сильными окислителями.

2. Положение металлов в электрохимическом ряду активности

Электрохимический ряд активности металлов (ряд напряжений) является прямым следствием их стандартных электродных потенциалов. В этом ряду металлы расположены в порядке возрастания их $E^0$.

Натрий ($Na$) — очень активный щелочной металл, расположенный в самом начале ряда активности. Серебро ($Ag$) — малоактивный, благородный металл, стоящий в ряду значительно правее, после водорода.

Ряд активности (фрагмент): $... K, Ca, \textbf{Na}, Mg, Al, ..., H_2, ..., Cu, \textbf{Ag}, Au$

Общее правило гласит: чем правее расположен металл в ряду активности, тем более сильным окислителем являются его катионы. Так как серебро стоит значительно правее натрия, ионы $Ag^+$ являются более сильными окислителями, чем ионы $Na^+$.

3. Химический эксперимент (реакции замещения)

Разницу в окислительной силе можно наглядно продемонстрировать с помощью реакций замещения. Более активный металл (более сильный восстановитель) способен вытеснять менее активный металл (ионы которого — более сильный окислитель) из раствора его соли.

• Если в раствор соли серебра, например, нитрата серебра ($AgNO_3$), поместить кусочек металлического натрия ($Na$), то будет протекать бурная реакция. Натрий, как более сильный восстановитель, будет отдавать электроны ионам серебра, которые являются более сильным окислителем. В результате натрий перейдет в раствор в виде ионов $Na^+$, а серебро восстановится до металла и выпадет в осадок:

  $Na(s) + Ag^+(aq) \rightarrow Na^+(aq) + Ag(s)$

  Эта реакция доказывает, что $Ag^+$ принимает электроны от $Na$, то есть является более сильным окислителем.

• Если же провести обратный опыт и опустить серебряную пластинку ($Ag$) в раствор соли натрия, например, хлорида натрия ($NaCl$), то никакой реакции не произойдет:

  $Ag(s) + Na^+(aq) \rightarrow \text{реакция не идет}$

  Это происходит потому, что серебро ($Ag$) — слишком слабый восстановитель, чтобы отдать электрон иону $Na^+$, который является очень слабым окислителем. Этот факт также подтверждает, что окислительная способность $Ag^+$ выше, чем у $Na^+$.

Ответ:

Доказать, что ионы $Ag^+$ являются более сильными окислителями, чем ионы $Na^+$, можно на основании теоретических данных и экспериментальных наблюдений.

1. Теоретическое доказательство: стандартный электродный потенциал пары $Ag^+/Ag$ ($E^0 = +0.80 \, В$) значительно выше, чем у пары $Na^+/Na$ ($E^0 = -2.71 \, В$). Чем выше значение $E^0$, тем сильнее окислительные свойства иона. Также, в электрохимическом ряду активности серебро ($Ag$) стоит значительно правее натрия ($Na$), что указывает на большую окислительную силу ионов $Ag^+$.

2. Экспериментальное доказательство: более активный металл натрий вытесняет менее активное серебро из раствора его соли ($Na + Ag^+ \rightarrow Na^+ + Ag$), в то время как обратный процесс невозможен. Это показывает, что ионы $Ag^+$ имеют большую склонность к принятию электронов (восстановлению), чем ионы $Na^+$, и, следовательно, являются более сильными окислителями.