Этот урок проведём за один день в дедушкином посёлке на берегу Каспия: утром ржавый якорь, днём сварка рельсов термитом, вечером цинковые протекторы лодки. За всем этим стоит главное свойство металлов — отдавать электроны. Мы увидим в анимациях металлическую связь, ряд напряжений, получение металлов, сплавы и коррозию, научимся расчётам и решим задания ГЭЦ.
≈ 50 минутГлав: 5Заданий ГЭЦ: 3материал 9–11 классовЛетние каникулы. Ученик 9 класса гостит у дедушки в посёлке на берегу Каспия. Рано утром они идут посмотреть дедушкину рыбацкую лодку. Железный якорь и цепь за зиму покрылись красно-бурой ржавчиной, местами она отслаивается пластами. Дедушка говорит: «Морская вода съедает железо во много раз быстрее, чем сухой воздух».
Ученик думает: откуда берётся ржавчина и почему именно в солёной воде? Дедушка взвешивает якорь: он потерял 11,2 г железа. Будем считать ржавчину гидроксидом железа(III) Fe(OH)₃. Сколько граммов ржавчины образовалось — больше или меньше, чем потеряно железа?
На якоре растут пятна ржавчины; в круге под каплей атом железа теряет два электрона и становится ионом Fe²⁺.Сначала предположиКак ты думаешь, сколько граммов ржавчины (Fe(OH)₃) образуется из 11,2 г железа? Ответ рассчитаем в 5-й главе.
Металлы — это более 80 % элементов. Без них не было бы ни лодки, ни железной дороги, ни электричества. В этом уроке изучим строение и свойства металлов, их получение из руд, сплавы и разберём механизм коррозии — ржавления: почему морская вода быстро «ест» железо и как его защитить.
Глава 1В периодической системе металлы расположены левее и ниже диагонали бор–астат: элементы главных подгрупп I–III групп (кроме водорода и бора), нижние элементы IV–VI групп (Sn, Pb, Bi, Po), все элементы побочных подгрупп, лантаноиды и актиноиды. На внешнем слое атомов металлов обычно мало (1–3) электронов, радиусы большие, электроотрицательность мала — они легко отдают валентные электроны.
Металлическая связьМеталлическая связь — связь между положительными ионами (катионами) в кристалле металла и свободно движущимися между ними общими электронами («электронным газом»). Электроны принадлежат всему кристаллу и «склеивают» ионы между собой.
Анимация · электронный газ и токСвободные электроны сначала движутся хаотично. При подаче напряжения они направленно движутся от минуса к плюсу — это электрический ток. Те же электроны переносят тепло, отражают свет (блеск); при сдвиге слоёв ионов связь не рвётся — металл куётся и тянется.Общие физические свойства: металлический блеск, высокая электро- и теплопроводность (лучше всех Ag, затем Cu, Au, Al), пластичность (самый пластичный — золото). Металлы различаются по плотности — лёгкие (ρ < 5 г/см³: Li, Na, Mg, Al) и тяжёлые (Fe, Cu, Pb, Au), по температуре плавления — легкоплавкие (Hg −39 °C, Na 98 °C, Sn 232 °C) и тугоплавкие (Fe 1539 °C, W 3410 °C), по твёрдости (мягче всех щелочные металлы, твёрже всех Cr). Железо и его сплавы называют чёрными металлами, остальные — цветными.
Пример 1Медная проволока объёмом 1 см³ (ρ = 8,9 г/см³). Сколько в ней моль атомов меди и сколько моль свободных электронов? (Каждый атом Cu отдаёт в электронный газ 1 электрон.)
По одному электрону от атома — электронов столько же, сколько атомов. Это огромное число объясняет хорошую проводимость меди.
Сколько электронов на внешнем слое атома алюминия (₁₃Al)?
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹.
Глава 2Металлы в химических реакциях — только восстановители: Me⁰ − ne⁻ → Meⁿ⁺. Они соединяются с неметаллами: 2Mg + O₂ → 2MgO, 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃, 3Fe + 2O₂ t→ Fe₃O₄, 2Fe + 3Cl₂ t→ 2FeCl₃, Fe + S t→ FeS. Для сравнения активности металлы располагают в электрохимический ряд напряжений — слева направо восстановительная способность ослабевает.
Анимация · металлы в соляной кислотеМеталлы до водорода вытесняют его из кислот, и чем левее металл в ряду, тем бурнее реакция. Медь, стоящая после водорода, с HCl не реагирует.Правила ряда напряженийНа сколько граммов железа нужно подействовать соляной кислотой, чтобы получить столько водорода, сколько выделяется при взаимодействии 4,6 г натрия с избытком воды? Aᵣ(Fe)=56, Aᵣ(Na)=23
Рисунок меняется вместе с шагами.Натрий отдаёт 1 электрон, железо с HCl — 2: на 0,2 моль e⁻ нужно 0,2 моль Na или 0,1 моль Fe.
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ x=0,1 моль Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ y = 5,6Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, IV группа специальностей (PDF)Проверь себя
5,4 г алюминия прореагировали с избытком соляной кислоты. Сколько литров (н. у.) водорода выделится?
2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂: 0,2 моль Al → 0,3 моль H₂.
Глава 3Днём дедушка с внуком идут на станцию. По пути рабочие соединяют рельсы железной дороги: между концами рельсов ставят форму, сверху в тигле поджигают порошок — ослепительный свет, фонтан искр, из тигля течёт раскалённое жидкое железо и сваривает концы рельсов. Рабочий говорит: «Это термит — смесь оксида железа с порошком алюминия».
Ученик спрашивает: как алюминий «вытаскивает» железо из оксида? Если на один шов нужно 1,12 кг железа, сколько граммов алюминия должно быть в термитной смеси?
В тигле горит термит, разлетаются искры; в круге атомы алюминия забирают кислород у оксида железа(III).В природе в свободном виде встречаются только малоактивные металлы (Au, Pt, иногда Ag, Cu). Остальные — в виде соединений, в рудах: оксиды (Fe₂O₃ — красный железняк, Fe₃O₄ — магнитный железняк, Al₂O₃ — боксит), сульфиды (ZnS, Cu₂S, PbS), карбонаты (FeCO₃, CaCO₃), хлориды (NaCl, KCl). В Азербайджане есть Дашкесанская железная руда, в Гедабеке — золото-медные месторождения. Получение металла — это восстановление его ионов: Meⁿ⁺ + ne⁻ → Me⁰.
Способы получения металловВопрос про рельсы. Fe₂O₃ + 2Al t→ Al₂O₃ + 2Fe: каждый моль алюминия «освобождает» один моль железа. n(Fe) = 1120 / 56 = 20 моль, значит, n(Al) = 20 моль, m(Al) = 20 · 27 = 540 г; а Fe₂O₃ нужно 10 · 160 = 1600 г. Реакция выделяет столько теплоты, что железо получается жидким (≈ 2500 °C) — идеально для сварки. Алюминий активнее железа (левее в ряду), поэтому отнимает у него кислород.
Восстановление водородом даёт чистый металл — побочный продукт только вода. Проследим восстановление оксида меди(II) водородом.
Анимация · CuO восстанавливается водородомНагретый чёрный порошок CuO в токе водорода превращается в красную медь, на холодном конце трубки собираются капли воды. Вольфрам — нить ламп накаливания — получают тем же способом из WO₃.Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026В какой реакции получается медь?
Рисунок меняется вместе с шагами.В этих реакциях степень окисления меди остаётся +2.
… записав продукты, определяем, в какой реакции получается медь. CuO + H₂ t→ Cu + H₂O Cu(OH)₂ t→ CuO + H₂O CuCO₃ t→ CuO + CO₂ CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O Cu(NO₃)₂ t→ CuO + …Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, I группа специальностей (PDF)Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025
Вычислите отношение y : x.
Рисунок меняется вместе с шагами.A) 1B) 3C) 5D) 1,5E) 2W⁺⁶ принимает 6 электронов, каждая молекула H₂ отдаёт 2 — нужно 3 молекулы.
x моль n моль CuO + H₂ → Cu + H₂O x = n моль 1 моль 1 моль y моль 3n моль WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O y = n моль 1 моль 3 моль y : x = n : n = 1Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, I группа специальностей (PDF)Проверь себя
Сколько литров (н. у.) водорода расходуется на восстановление WO₃ для получения 3,68 г вольфрама? (Ar(W) = 184)
n(W) = 3,68 / 184 = 0,02 моль; n(H₂) = 3 · 0,02 = 0,06 моль.
Глава 4Чистые металлы в технике применяют мало: они слишком мягкие или быстро корродируют. Вместо них используют сплавы — вещества, полученные при охлаждении расплава металла с другими металлами или неметаллами. Свойства сплава могут сильно отличаться от свойств его компонентов: обычно он твёрже, плавится при более низкой температуре, хуже проводит ток.
Анимация · почему сплав твёрже?В чистом металле слои атомов легко скользят друг по другу. В сплаве чужие атомы другого размера «зацепляют» слои — скольжение затруднено, сплав твёрже.| Сплав | Состав | Применение |
|---|---|---|
| чугун | Fe + 2–4,5 % C | литые детали, радиаторы |
| сталь | Fe + менее 2 % C | рельсы, конструкции, инструменты |
| нержавеющая сталь | Fe + Cr (≈ 18 %) + Ni | посуда, медицинские инструменты |
| бронза | Cu + Sn | скульптуры, подшипники |
| латунь | Cu + Zn | краны, музыкальные инструменты |
| дюралюминий | Al + Cu + Mg + Mn | самолёты, корпуса лодок |
| припой | Sn + Pb | пайка |
Образец латуни содержит 60 % Cu и 40 % Zn. 100 г латуни обработали избытком соляной кислоты. Сколько литров (н. у.) водорода выделится?
В сплаве каждый металл сохраняет свои химические свойства.
20 г медно-цинкового сплава с HCl выделили 2,24 л (н. у.) водорода. Какова массовая доля цинка в сплаве (%)?
n(Zn) = n(H₂) = 0,1 моль, m(Zn) = 6,5 г; 6,5 / 20.
Глава 5Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов под действием окружающей среды, по сути — окисление металла. Химическая коррозия идёт в среде, не проводящей ток, — в сухих газах (окисление при высокой температуре, «окалина»), в нефтепродуктах. Электрохимическая коррозия идёт в растворах электролитов — во влажном воздухе, морской воде, почве — и опаснее: на поверхности металла возникают микрогальванические элементы.
Анимация · ржавление под каплейВ центре капли кислорода мало — там железо окисляется (анод). Электроны по металлу текут к краю капли, где их принимает кислород вместе с водой (катод). Где встречаются ионы Fe²⁺ и OH⁻, образуется Fe(OH)₂, а на воздухе — Fe(OH)₃, ржавчина. Соль повышает электропроводность воды — поэтому в море коррозия идёт быстро.ИсторияВопрос про якорь. Суммарное уравнение ржавления: 4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃. n(Fe) = 11,2 / 56 = 0,2 моль = n(Fe(OH)₃), m = 0,2 · 107 = 21,4 г. Ржавчина почти вдвое тяжелее железа и рыхлая, не держится на поверхности, отслаивается — поэтому коррозия уходит вглубь. Соль (NaCl) в морской воде — электролит: она замыкает цепь микроэлементов и многократно ускоряет коррозию.
ИсторияВечером дедушка вытаскивает лодку на берег на деревянные опоры. К подводной части стального корпуса привинчены серые пластины. Одна «съедена» наполовину, поверхность изъедена. Дедушка снимает её и ставит новую, блестящую: «Это цинковый протектор — растворяется сам вместо корпуса».
Ученик считает: старая пластина за сезон потеряла 130 г цинка. Если бы эти электроны отдало железо, сколько граммов железа разрушилось бы в корпусе?
Дедушка меняет цинковый протектор; в круге атом цинка уходит в воду ионом Zn²⁺, его электроны перетекают в железо.Способы защиты от коррозииЧто будет, если покрытие повреждено? Это зависит от металла покрытия: на оцинкованном железе в месте царапины по-прежнему разрушается цинк (он активнее), а на лужёном железе анодом становится железо, и оно ржавеет даже быстрее, чем без покрытия. Испытай пары металлов в лаборатории.
Лаборатория · коррозионная параАнимация · железо и второй металл в солёной водемассовая доля NaCl3 %Относительная скорость коррозии: 0В паре анодом становится металл, стоящий левее в ряду напряжений (более активный), — он и разрушается. Чем больше разность потенциалов и концентрация соли, тем быстрее коррозия.ИсторияВопрос про протектор. Zn − 2e⁻ → Zn²⁺: n(Zn) = 130 / 65 = 2 моль, цинк отдал 4 моль электронов. Если бы их отдало железо (Fe − 2e⁻ → Fe²⁺), разрушилось бы 2 моль, т. е. 2 · 56 = 112 г железа. 130 г дешёвого цинка «спасли» 112 г стали корпуса — поэтому протекторы периодически меняют.
Пример 3На лужёном (Sn) и оцинкованном (Zn) железных вёдрах поцарапано покрытие. Какой металл корродирует в каждом случае? Запишите анодные процессы.
Электроны текут от активного металла к менее активному; менее активный становится катодом, на нём восстанавливается кислород.
Магниевый протектор, защищающий стальной корпус, потерял 48 г. Сколько моль электронов перешло к железу?
Mg − 2e⁻ → Mg²⁺; n(Mg) = 48 / 24 = 2 моль.
ИтогиH⁺ — слабый окислитель: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. FeCl₃ получают с хлором: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃.
«Натрий вытесняет медь из раствора сульфата меди(II)».Натрий сначала реагирует с водой: образуются NaOH и H₂, затем выпадает Cu(OH)₂ — меди не получается.
«Любое металлическое покрытие защищает железо».При повреждении покрытия защищает только более активный металл (Zn); олово и медь ускоряют коррозию железа.
«При ржавлении масса уменьшается, ржавчина легче железа».К железу присоединяются кислород и вода: 56 г Fe → 107 г Fe(OH)₃.
ИтогиЗадания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.
1 · Уровень 1Какой металл не вытесняет водород из соляной кислоты?
Медь стоит в ряду напряжений после водорода.
2 · Уровень 1Каким способом получают алюминий?
Алюминий очень активен — его получают только электролизом (Al₂O₃ в расплаве криолита).
3 · Уровень 2Контакт с каким металлом защищает железо от коррозии?
Цинк активнее железа, становится анодом и разрушается сам.
4 · Уровень 216 г Fe₂O₃ полностью восстановили алюминотермией. Сколько граммов железа получится?
0,1 моль Fe₂O₃ → 0,2 моль Fe → 11,2 г.
5 · Уровень ГЭЦЖелезную пластинку опустили в раствор CuSO₄, её масса увеличилась на 1,6 г. Сколько граммов меди осело?
Каждый моль замены Fe → Cu увеличивает массу на 64 − 56 = 8 г: 1,6 / 8 = 0,2 моль, 0,2 · 64 = 12,8 г.
6 · Уровень ГЭЦКакой процесс идёт на катоде при электрохимической коррозии (нейтральная среда)?
На катоде идёт восстановление — кислород принимает электроны.
Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):
История, сцены, примеры, задания «Проверь себя» и «Самостоятельная работа» — наши, не из материалов ГЭЦ. Задания и пояснения ГЭЦ даны в переводе с азербайджанского; знак «…» обозначает пропущенную часть.