Номер 5, страница 153 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

5. Охарактеризуйте химические свойства следующих металлов:

а) калий;

б) цинк;

в) медь.

Запишите уравнения соответствующих химических реакций. Рассмотрите их с точки зрения теории электролитической диссоциации и процессов окисления — восстановления. В чём сходство и различия свойств перечисленных металлов?

Решение

а) калий

Калий (K) – это щелочной металл, расположенный в I группе главной подгруппы периодической системы. Он является одним из самых химически активных металлов. В электрохимическом ряду напряжений металлов калий стоит в самом начале, что свидетельствует о его очень сильных восстановительных свойствах. Атом калия легко отдает один электрон с внешней электронной оболочки, превращаясь в катион $K^+$.

1. Взаимодействие с водой:

Калий очень бурно, со взрывом, реагирует с водой с образованием гидроксида калия и выделением водорода. Реакция экзотермическая, выделяющийся водород воспламеняется.

Молекулярное уравнение: $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2 \uparrow$

С точки зрения теории электролитической диссоциации (ТЭД): вода является очень слабым электролитом ($H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$). Атомы калия ($K^0$), соприкасаясь с водой, отдают свои валентные электроны катионам водорода ($H^+$), которые восстанавливаются до молекулярного водорода ($H_2$). В растворе остаются катионы калия ($K^+$) и гидроксид-ионы ($OH^-$), образующие сильное основание (электролит) – гидроксид калия.

С точки зрения окисления-восстановления (ОВР):

$K^0 - 1e^- \rightarrow K^+$ | 2 (процесс окисления, K – восстановитель)

$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0$ | 1 (процесс восстановления, $H^+$ в составе воды – окислитель)

Ионное уравнение (учитывая воду как слабый электролит): $2K^0 + 2H_2O \rightarrow 2K^+ + 2OH^- + H_2^0 \uparrow$

2. Взаимодействие с кислотами:

Реакция с кислотами протекает чрезвычайно бурно.

Молекулярное уравнение: $2K + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + H_2 \uparrow$

Полное ионное уравнение: $2K^0 + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow 2K^+ + SO_4^{2-} + H_2^0 \uparrow$

Сокращенное ионное уравнение: $2K^0 + 2H^+ \rightarrow 2K^+ + H_2^0 \uparrow$

Ответ: Калий – очень активный щелочной металл, являющийся сильным восстановителем. Он бурно реагирует с водой, кислотами и большинством неметаллов. В ходе реакций атом калия окисляется, отдавая один электрон и превращаясь в ион $K^+$.

б) цинк

Цинк (Zn) – металл, расположенный во II группе побочной подгруппы. Это металл средней активности, в ряду напряжений он стоит до водорода. Цинк проявляет амфотерные свойства, т.е. реагирует как с кислотами, так и со щелочами. В соединениях обычно проявляет степень окисления +2.

1. Взаимодействие с кислотами (неокислителями):

Цинк вытесняет водород из растворов кислот, таких как соляная или разбавленная серная.

Молекулярное уравнение: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

С точки зрения ТЭД: Соляная кислота в растворе диссоциирует на ионы $H^+$ и $Cl^-$. Атомы цинка ($Zn^0$) реагируют с ионами водорода, отдавая им два электрона и переходя в раствор в виде ионов $Zn^{2+}$. Ионы хлора $Cl^-$ в реакции не участвуют (являются "ионами-наблюдателями").

Полное ионное уравнение: $Zn^0 + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Zn^{2+} + 2Cl^- + H_2^0 \uparrow$

Сокращенное ионное уравнение: $Zn^0 + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2^0 \uparrow$

С точки зрения ОВР:

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$ (окисление, Zn – восстановитель)

$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0$ (восстановление, $H^+$ – окислитель)

2. Взаимодействие со щелочами:

Благодаря амфотерности, цинк реагирует с растворами щелочей при нагревании с образованием комплексных солей (гидроксоцинкатов).

$Zn + 2NaOH + 2H_2O \xrightarrow{t} Na_2[Zn(OH)_4] + H_2 \uparrow$

Ответ: Цинк – металл средней активности, восстановитель. Характерной чертой является амфотерность. Он способен вытеснять водород из кислот, а также реагировать со щелочами. В реакциях атом цинка окисляется, отдавая два электрона и образуя ион $Zn^{2+}$.

в) медь

Медь (Cu) – металл, расположенный в I группе побочной подгруппы. Это малоактивный металл, в ряду напряжений стоит после водорода. Медь является слабым восстановителем по сравнению с калием и цинком. В соединениях проявляет степени окисления +1 и +2 (более характерна +2).

1. Взаимодействие с кислотами:

Медь не реагирует с кислотами-неокислителями (например, $HCl$, разб. $H_2SO_4$), так как не способна вытеснять из них водород. Однако она реагирует с кислотами-окислителями, такими как азотная ($HNO_3$) и концентрированная серная ($H_2SO_4$).

Молекулярное уравнение (с концентрированной азотной кислотой): $Cu + 4HNO_3(конц.) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$

С точки зрения ТЭД: В этом случае окислителем выступают не ионы водорода $H^+$, а нитрат-ионы $NO_3^-$ в кислой среде. Атомы меди ($Cu^0$) окисляются до ионов $Cu^{2+}$, а азот в нитрат-ионах восстанавливается.

Сокращенное ионное уравнение: $Cu^0 + 4H^+ + 2NO_3^- \rightarrow Cu^{2+} + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$

С точки зрения ОВР:

$Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$ (окисление, Cu – восстановитель)

$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$ (в $NO_2$) (восстановление, $N^{+5}$ в составе $NO_3^-$ – окислитель)

2. Взаимодействие с неметаллами:

Медь реагирует со многими неметаллами (кислород, сера, галогены) при нагревании.

$2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$

Ответ: Медь – малоактивный металл, слабый восстановитель. Не реагирует с водой и кислотами-неокислителями. Окисляется только сильными окислителями (например, азотной кислотой) или неметаллами при нагревании. В реакциях чаще всего отдает два электрона, образуя ион $Cu^{2+}$.

Сходство и различия свойств перечисленных металлов

Сходство:

• Все три элемента являются металлами, для них характерны общие физические свойства: металлический блеск, ковкость, электро- и теплопроводность.
• В химических реакциях все они проявляют восстановительные свойства, то есть отдают электроны, а их степень окисления повышается от 0 до положительных значений.

Различия:

Главное различие между калием, цинком и медью заключается в их химической активности, которая определяется положением в электрохимическом ряду напряжений металлов. Активность уменьшается в ряду: $K \gg Zn > Cu$.

• Калий: Очень активный щелочной металл, сильнейший восстановитель. Бурно реагирует с водой при обычных условиях, вытесняя водород.
• Цинк: Металл средней активности, восстановитель средней силы. С водой реагирует только при сильном нагревании. Вытесняет водород из кислот-неокислителей. Обладает амфотерными свойствами (реагирует и с кислотами, и со щелочами).
• Медь: Малоактивный металл, слабый восстановитель. Стоит в ряду напряжений после водорода. Не реагирует ни с водой, ни с кислотами-неокислителями. Реагирует только с кислотами-окислителями.

Таким образом, от калия к меди восстановительная способность металлов и их химическая активность резко падают, что определяет коренные различия в их химическом поведении.

Ответ: Сходство металлов заключается в проявлении восстановительных свойств и наличии общих физических свойств, характерных для металлов. Различия обусловлены их разной химической активностью (убывает в ряду $K > Zn > Cu$), что выражается в их способности реагировать с водой, кислотами и другими веществами.