Условие задачи
С растворами каких из перечисленных солей будет реагировать алюминий: хлорид свинца (II), сульфат железа (II), нитрат калия, нитрат железа (III), иодид бария? Запишите уравнения возможных реакций.
Решение
Нам дана задача по неорганической химии, а именно по теме окислительно-восстановительных (редокс) процессов и реакциях замещения металлов в растворах. Требуется определить, с растворами каких солей (PbCl₂, FeSO₄, KNO₃, Fe(NO₃)₃, BaI₂) сможет протечь реакция замещения с участием алюминия и записать уравнения реакций.
Ниже приводится подробное обоснование и решение с использованием правил данной дисциплины.
─────────────────────────────
1. Общие соображения
Металлы, обладая определённой электроотрицательностью (реакционной способностью) в ряду активности, могут вытеснять из раствора ионы менее активных металлов. Стандартный потенциал для пары Al³⁺/Al равен примерно –1,66 В. Это означает, что алюминий является достаточно активно-восстанавливающим веществом и может восстановить ионы металлов, которые имеют более положительный стандартный потенциал (то есть находятся ниже алюминия в ряду активности).
Из классического ряда активности металлов (K, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, H, Cu, …) видно, что:
• Алюминий активнее железа (Fe) и свинца (Pb).
• Катионы таких металлов, как K⁺ и Ba²⁺, не воспринимаются как типичные объекты замещения металлов, поскольку данные ионы – «не металлы» в смысле реакционной способности (в них металл уже находится в самой высокой степени окисления, и они стабилизированы).
При этом нитрат калия (KNO₃) не даёт ионов, способных быть восстановленными (ионы K⁺ – щёлочные, а NO₃⁻ в нейтральном растворе не окисляют алюминий). Аналогично, иодид бария (BaI₂) диссоциирует на Ba²⁺ и I⁻. Ионы Ba²⁺ получают металл, более активный чем алюминий (Ba находится выше Al в ряду активности), поэтому алюминий не сможет восстановить их до металлического barium; а иодид (I⁻) не является реакционноспособным в данном контексте.
Таким образом, алюминий способен восстановить только те ионы, с которыми его реакционная способность позволяет протекать самопроизвольное изменение окислительного состояния. К таким относятся:
• Pb²⁺ из хлорида свинца(II);
• Fe²⁺ из сульфата железа(II);
• Fe³⁺ из нитрата железа(III).
─────────────────────────────
2. Реакции
Ниже приводятся уравнения реакций с использованием символов Unicode для нижних индексов:
а) Реакция алюминия с раствором хлорида свинца(II)
Диссоциация PbCl₂ → Pb²⁺ + 2Cl⁻
Замещение происходит по схеме:
2Al + 3PbCl₂ → 3Pb + 2AlCl₃
Проверка баланса:
Алюминий: 2 слева, 2 в AlCl₃ (после умножения на 2)
Свинец: 3 слева, 3 на правой стороне
Хлор: 3 × 2 = 6 Cl⁻ слева, в 2AlCl₃ – 2 × 3 = 6 Cl⁻
б) Реакция алюминия с раствором сульфата железа(II)
Диссоциация FeSO₄ → Fe²⁺ + SO₄²⁻
Реакция:
2Al + 3FeSO₄ → 3Fe + Al₂(SO₄)₃
Проверка баланса:
Алюминий: 2 атома
Железо: 3 атома
Сульфат: 3 групп по SO₄ – справа и слева соответствуют
Заряды сбалансированы.
в) Реакция алюминия с раствором нитрата железа(III)
Диссоциация Fe(NO₃)₃ → Fe³⁺ + 3NO₃⁻
Окислительно-восстановительная реакция:
2Al + 2Fe(NO₃)₃ → 2Fe + 2Al(NO₃)₃
Проверка баланса:
Алюминий: 2 атома слева и входит в формулу алюминия нитрата
Железо: 2 атома
Нитратные группы: 2 × 3 = 6 NO₃⁻ с каждой стороны
Заряды уравновешены.
─────────────────────────────
3. Итоговый ответ
Алюминий будет реагировать с растворами следующих солей:
• хлорид свинца(II),
• сульфат железа(II),
• нитрат железа(III).
Реакционные уравнения записываются так:
2Al + 3PbCl₂ → 3Pb + 2AlCl₃
2Al + 3FeSO₄ → 3Fe + Al₂(SO₄)₃
2Al + 2Fe(NO₃)₃ → 2Fe + 2Al(NO₃)₃
─────────────────────────────
Заключение
Данное задание относится к неорганической химии с акцентом на редокс-реакции и использование ряда активности металлов. При рассмотрении реакций замещения важно сравнивать потенциалы восстановления участвующих металлов. Алюминий, обладая достаточно отрицательным потенциалом, способен восстановить ионы свинца(II) и железа (в обоих степенях окисления), тогда как ионы калия и бария остаются неактивными в данных условиях.
Это и есть подробное решение задачи.