Условие задачи
Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: а) CuSO4; б) MgSO4; в) Pb(NO3)2? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.
Решение
Нам дана задача по неорганической химии, а именно по закономерностям реакций замещения металлов. В ней рассматривается поведение цинковой пластины при её погружении в растворы различных солей. Для каждого случая нужно определить, произойдёт ли реакция, и если да – как изменится масса пластины (так как часть цинка уходит в раствор, а на его месте оседают атомы другого металла). Кроме того, необходимо составить молекулярные (общие) и электронные (полуреакционные) уравнения для каждой реакции.
Ниже разберём каждый случай подробно.
─────────────────────────────
А) Раствор медного купоросa (CuSO₄)
1. Определяем возможность реакции.
Цинк (Zn) находится выше меди (Cu) в ряду активности металлов, то есть он более “активен”. Поэтому цинк способен восстановить ионы меди (Cu²⁺) из раствора, превращая их в металлическую медь.
2. Молекулярное (общие) уравнение реакции:
Zn(с) + CuSO₄(р) → ZnSO₄(р) + Cu(с)
При этой реакции цинковая пластины частично растворяется (Zn → Zn²⁺), а на её поверхности осаждается медь (Cu).
3. Электронные (полуреакционные) уравнения:
Окисление цинка (отдача 2 электронов):
Zn(с) → Zn²⁺ + 2e⁻
Восстановление меди (приём 2 электронов):
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu(с)
4. Изменение массы пластины:
При реакции с CuSO₄ цинковая пластина становится местом осаждения меди, однако часть цинка переходит в раствор в виде ионов Zn²⁺. Если учесть атомные массы (Zn ≈ 65,38, а Cu ≈ 63,55), то при замещении 1 моля цинка получается осадок меди массой 63,55 г вместо исходных 65,38 г цинка – то есть чистая масса материала, находящегося на электроде, уменьшается примерно на 1,83 г на моль протекшей реакции. Таким образом, масса цинковой пластины уменьшается.
─────────────────────────────
Б) Раствор сульфата магния (MgSO₄)
1. Определяем возможность реакции.
Металл, находящийся в растворе – Mg, обладает гораздо более отрицательным значением стандартного потенциала (Mg²⁺/Mg, E° ≈ –2,37 В), чем цинк (Zn²⁺/Zn, E° ≈ –0,76 В). В ряду активности Mg находится выше цинка, то есть Mg является более активным металлом, и поэтому цинк не способен восстановить ионы магния (Mg²⁺).
2. Следовательно, реальной химической реакции между цинком и ионами Mg²⁺ не происходит.
3. Молекулярное уравнение реакции отсутствует, реакция не протекает.
4. Изменение массы пластины:
Так как реакции не происходит, масса цинковой пластины остаётся без изменений.
─────────────────────────────
В) Раствор нитрата свинца (Pb(NO₃)₂)
1. Определяем возможность реакции.
В ряду активности металлов свинец (Pb) занимает более низкое место, чем цинк. Стандартный потенциал для пары Pb²⁺/Pb составляет примерно –0,13 В. Цинк, имеющий потенциал –0,76 В, способен восстановить ионы свинца (Pb²⁺). Следовательно, произойдёт реакция замещения.
2. Молекулярное уравнение реакции:
Zn(с) + Pb(NO₃)₂(р) → Zn(NO₃)₂(р) + Pb(с)
3. Электронные (полуреакционные) уравнения:
Окисление цинка:
Zn(с) → Zn²⁺ + 2e⁻
Восстановление свинца:
Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb(с)
4. Изменение массы пластины:
При этой реакции цинковая пластина отдает 2 электрона (и, соответственно, некоторые атомы цинка переходят в раствор в виде Zn²⁺), а на её месте осаждается свинец. При этом следует учесть, что атомная масса свинца ≈ 207,2, что существенно больше атомной массы цинка ≈ 65,38. Таким образом, на пластине масса после реакции складывается из оставшегося цинка плюс осажденный свинец, и в сумме масса пластины значительно возрастает.
─────────────────────────────
Итоговый ответ:
а) При взаимодействии с раствором CuSO₄ масса цинковой пластины уменьшается, поскольку на её поверхности осаждается медь (Cu), масса которой меньше, чем масса ушедшего в раствор цинка (Zn).
б) При взаимодействии с раствором MgSO₄ реакции не происходит – масса пластины остаётся без изменений.
в) При взаимодействии с раствором Pb(NO₃)₂ происходит замещение, при котором осаждается свинец (Pb) с большой атомной массой, поэтому масса пластины увеличивается.
─────────────────────────────
Таким образом, используя принципы реакций замещения и соответствующие полуреакционные уравнения, мы получили подробное решение задачи.