ВойтиЗарегистрироваться
Регистрация

Металлы побочных подгрупп: железо, медь, цинк, хром

ХимияМеталлы

Текст урока
Металлы · Тема 26 / 35

Металлы побочных подгрупп: железо, медь, цинк, хром

Этот урок проведём вместе с семьёй в поездке на запад Азербайджана: утром Дашкесанский карьер железной руды, днём старый медный рудник в Гедабеке, вечером кастрюля из нержавеющей стали в гостевом доме. Увидим в анимациях свойства железа, меди, цинка и хрома, изучим доменный процесс, определение ионов Fe²⁺ и Fe³⁺, амфотерность и решим задания ГЭЦ.

≈ 55 минутГлав: 5Заданий ГЭЦ: 8материал 9–11 классов

После урока ты сможешь

  • объяснять электронное строение и степени окисления d-элементов (Fe, Cu, Zn, Cr);
  • записывать уравнения реакций железа, меди, цинка и хрома;
  • распознавать ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ качественными реакциями;
  • объяснять доменный процесс и производство стали, проводить расчёты по руде;
  • решать задачи на металлическую пластинку в растворе соли и на амфотерные гидроксиды.

Перед началом вспомни

  • Электрохимический ряд напряжений металлов.
  • Степень окисления и электронный баланс.
  • Реакции ионного обмена, количество вещества (n = m/M, V = n · 22,4).

Содержание

  1. ВведениеСитуация: чёрный камень Дашкесанаистория и предположение
  2. Глава 1Железо: строение атома и химические свойстваFe²⁺ и Fe³⁺, кислоты, металлическая пластинка
  3. Глава 2Оксиды и гидроксиды железа, определение его ионовFeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄; кровяные соли
  4. Глава 3Производство чугуна и стали: доменный процессруды, домна, конвертер
  5. Глава 4Медь и её соединенияCu⁺¹, Cu⁺², цементация, Δm
  6. Глава 5Цинк и хром. Амфотерные соединенияамфотерность, хром, нержавеющая сталь
  7. ПрактикумТренировка на экзаменационных заданияхзаданий ГЭЦ: 1, с ответом и официальным пояснением
  8. ИтогиЗапомникраткий итог и типичные ошибки
  9. ИтогиСамостоятельная работазаданий: 6, от простых к сложным
Введение

Ситуация: чёрный камень Дашкесана

История

Субботнее утро. Ученик 9 класса с семьёй едет на запад Азербайджана. Первая остановка — Дашкесанский карьер железной руды. Между уступами огромные самосвалы везут чёрно-бурую породу. Экскурсовод кладёт на камень несколько тяжёлых чёрных кусков и подносит магнит — куски «прыгают» к нему.

«Это магнетит — Fe₃O₄, одна из самых богатых железных руд, — говорит экскурсовод. — Из него в доменной печи получают чугун, а из чугуна — сталь». У ученика возникает вопрос: сколько железа можно получить из 1 тонны чистого магнетита? И как чёрный камень превращается в блестящий металл?

Самосвал приближается; магнит притягивает кусок магнетита — соединения железа обладают магнитными свойствами.Сначала предположи

Как ты думаешь, сколько железа получится из 1 тонны чистого магнетита (Fe₃O₄)? Ответ рассчитаем в 3-й главе.

Железо, медь, цинк и хром — элементы побочных подгрупп периодической системы. Без них современная жизнь невозможна: мосты и машины делают из стали, провода — из меди, «оцинкованные» вёдра и кровлю — из железа, защищённого цинком, нержавеющую посуду — из хромистой стали. В этом уроке изучим их свойства, соединения и производство и найдём ответы на три вопроса семейной поездки.

Глава 1

Железо: строение атома и химические свойства

Железо (Fe, Z = 26) находится в побочной подгруппе VIII группы 4-го периода. В его атоме после заполнения внешнего 4s-подуровня электроны размещаются на 3d-подуровне предвнешнего слоя: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². В реакциях железо сначала отдаёт два 4s-электрона, а с сильными окислителями — ещё один 3d-электрон.

d-элементы

Элементы побочных подгрупп (d-элементы) — элементы, в атомах которых электроны заполняют d-подуровень предвнешнего слоя. На внешнем слое у них всего 1–2 электрона, поэтому все они металлы и обычно проявляют переменные степени окисления: Fe +2, +3; Cu +1, +2; Cr +2, +3, +6; Zn — только +2.

Анимация · Fe, Fe²⁺ и Fe³⁺В ионе Fe³⁺ на каждой из пяти 3d-орбиталей по одному электрону — наполовину заполненный подуровень устойчив, поэтому на воздухе соединения Fe²⁺ легко окисляются до Fe³⁺.

Железо — серебристо-серый пластичный металл (ρ = 7,87 г/см³, tпл = 1539 °C). Оно сильно притягивается магнитом — поэтому в Дашкесане магнит и поднимал куски магнетита. Железо — металл средней активности: в ряду напряжений стоит до водорода.

Химические свойства железа
  • со слабыми окислителями Fe²⁺: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑, Fe + S t→ FeS, Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu;
  • с сильными окислителями Fe³⁺: 2Fe + 3Cl₂ t→ 2FeCl₃, Fe + 4HNO₃(разб.) → Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O;
  • при горении в кислороде — смешанный оксид: 3Fe + 2O₂ t→ Fe₃O₄; раскалённое железо с паром: 3Fe + 4H₂O t→ Fe₃O₄ + 4H₂;
  • во влажном воздухе ржавеет: 4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃;
  • концентрированные H₂SO₄ и HNO₃ на холоде пассивируют железо (плотная оксидная плёнка), поэтому их перевозят в железных цистернах; при нагревании: 2Fe + 6H₂SO₄(конц.) t→ Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O.
Пример 1

11,2 г железа полностью реагирует а) с хлором, б) с соляной кислотой. Сколько граммов соли получится в каждом случае?

  1. n(Fe) = 11,2 / 56 = 0,2 моль.
  2. а) 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃: n(FeCl₃) = 0,2 моль, M = 56 + 3 · 35,5 = 162,5 г/моль, m = 32,5 г.Почему так?

    Хлор — сильный окислитель, окисляет железо до +3.

  3. б) Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑: n(FeCl₂) = 0,2 моль, M = 127 г/моль, m = 25,4 г.Почему так?

    H⁺ кислоты — слабый окислитель: образуется только Fe²⁺.

  4. Ответ: а) 32,5 г FeCl₃; б) 25,4 г FeCl₂.

В заданиях ГЭЦ часто встречается «металлическая пластинка в растворе соли». Активный металл вытесняет менее активный из его соли: с пластинки растворяется один металл, на его место оседает другой. Поэтому изменение массы пластинки на моль равно Δm = M(осевшего) − M(растворившегося). Например, Mg + FeSO₄ → MgSO₄ + Fe: уходит 24 г Mg, приходит 56 г Fe, пластинка тяжелеет на 32 г. Проследим такую ситуацию по шагам.

Анимация · ситуация ГЭЦ: пластинка Fe, затем Mg0–t₁: железо с кислотой образует FeSO₄ — количество соли растёт. t₁–t₂: магний вытесняет железо из соли — FeSO₄ убывает, пластинка тяжелеет. В конце NaOH даёт осадки двух гидроксидов.Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026

Записав соответствующие расчёты, постройте в листе ответов график зависимости изменения количества вещества соли Fe в растворе от времени (1), вычислите массу (г) образовавшейся соли Mg (2). (Возможность гидролиза солей не учитывается.) Aᵣ(Mg)=24, Aᵣ(Fe)=56, Aᵣ(S)=32, Aᵣ(O)=16

Ситуация (ГЭЦ, перевод): В 490 г разбавленного водного раствора серной кислоты опускают пластинку Fe. После того как кислота полностью вступила в реакцию (момент t₁), пластинку вынимают из раствора и в раствор опускают пластинку Mg. Когда пластинку Mg вынимают из раствора (момент t₂), установлено, что её масса увеличилась на 3,2 г, а количество вещества соли Fe в растворе уменьшилось на 20%. При добавлении NaOH к конечному раствору наблюдается образование смеси белого и зеленоватого осадков.

Рисунок меняется вместе с шагами.
  1. Mg + FeSO₄ → MgSO₄ + Fe: при реакции 1 моль FeSO₄ с пластинки уходит 24 г Mg, на неё оседает 56 г Fe: Δm = 56 − 24 = 32 г.Почему так?

    Масса пластинки уменьшается за счёт растворившегося металла и растёт за счёт осевшего; разность пропорциональна числу моль.

  2. По условию Δm = 3,2 г: израсходовано n(FeSO₄) = 3,2 / 32 = 0,1 моль (к моменту t₂).
  3. Эти 0,1 моль — 20 % соли: в момент t₁ n(FeSO₄) = 0,1 / 0,2 = 0,5 моль. График: от 0 поднимается до 0,5 моль в момент t₁.Почему так?

    В промежутке 0–t₁ FeSO₄ образуется из железа и кислоты, Mg ещё нет. Прямая линия — схематично: кинетика не задана.

  4. В момент t₂ остаётся 0,5 − 0,1 = 0,4 моль — график опускается до 0,4 моль.
  5. n(MgSO₄) = 0,1 моль, M(MgSO₄) = 120 г/моль: m = 0,1 · 120 = 12 г.
  6. Ответ: 1) график 0 → 0,5 моль (t₁) → 0,4 моль (t₂); 2) 12 г MgSO₄.
Официальное пояснение ГЭЦ (07.06.2026)
24 г 56 г Mg + FeSO₄ → MgSO₄ +Fe При вступлении в реакцию 1 моль FeSO₄ масса пластинки должна увеличиться на 56 – 24 = 32 г. По условию эта разница не 32 г, а 3,2 г. при разнице 3,2 г--------x моль FeSO₄ при разнице 32 г -------1 моль FeSO₄ x = 0,1 моль FeSO₄ израсходовано (момент t₂) x моль FeSO₄ --------100% 0,1 моль FeSO₄ ------20% x = 0,5 моль FeSO₄ образовалось (момент t₁) при разнице 3,2 г---------x г MgSO₄ при разнице 32 г -------120 г MgSO₄ x = 12 г MgSO₄Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, IV группа специальностей (PDF)
Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026

Вычислите массовую долю (%) H₂SO₄ в растворе кислоты (1) и объём водорода (н. у., л), выделившегося при её реакции с Fe (2). Mᵣ(H₂SO₄)=98

Ситуация (ГЭЦ, перевод): В 490 г разбавленного водного раствора серной кислоты опускают пластинку Fe. После того как кислота полностью вступила в реакцию (момент t₁), пластинку вынимают из раствора и в раствор опускают пластинку Mg. Когда пластинку Mg вынимают из раствора (момент t₂), установлено, что её масса увеличилась на 3,2 г, а количество вещества соли Fe в растворе уменьшилось на 20%. При добавлении NaOH к конечному раствору наблюдается образование смеси белого и зеленоватого осадков.

x г   0,5 моль   y лFe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂49 г → ω = 10 %11,2 л H₂
  1. Из предыдущего задания: в момент t₁ n(FeSO₄) = 0,5 моль. Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑ — все отношения 1 : 1 : 1 : 1.
  2. n(H₂SO₄) = 0,5 моль, m = 0,5 · 98 = 49 г; ω = 49 / 490 · 100 % = 10 %.Почему так?

    Кислота израсходована полностью, значит вся она перешла в FeSO₄.

  3. n(H₂) = 0,5 моль, V = 0,5 · 22,4 = 11,2 л.
  4. Внимание: в пояснении ГЭЦ строки пропорции переставлены («1 моль FeSO₄ — y л H₂; 0,5 моль FeSO₄ — 22,4 л H₂»). Верно: 0,5 моль FeSO₄ — y л H₂; 1 моль FeSO₄ — 22,4 л H₂. Результат (11,2 л) верный.
  5. Ответ: 1) 10 %; 2) 11,2 л.
Официальное пояснение ГЭЦ (07.06.2026)
x г 0,5 моль y л Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂ 98 г 1 моль 22,4 л x г H₂SO₄---------0,5 моль FeSO₄ 98 г H₂SO₄------- 1 моль FeSO₄ x=49 г H₂SO₄ Массовая доля в растворе: 49:490·100 = 10% … y = 11,2 л H₂Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, IV группа специальностей (PDF)
Проверь себя

5,6 г железа реагирует с избытком соляной кислоты. Сколько литров (н. у.) водорода выделится?

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂: n(H₂) = n(Fe) = 0,1 моль.

Глава 2

Оксиды и гидроксиды железа, определение его ионов

Железо образует два ряда соединений — Fe(II) и Fe(III). С ростом степени окисления основные свойства ослабевают и появляются амфотерные.

Fe(II)Fe(III)
оксидFeO — чёрный, основныйFe₂O₃ — красно-бурый, слабо амфотерный
гидроксидFe(OH)₂ — бело-зеленоватый, основаниеFe(OH)₃ — бурый, слабо амфотерный
смешанныйFe₃O₄ (FeO·Fe₂O₃) — чёрный, магнитный (магнетит)

Гидроксиды получают действием щёлочи на соли: FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl, FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl. Fe(OH)₂ на воздухе быстро буреет: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃. Соединения Fe(II) — восстановители (2FeCl₂ + Cl₂ → 2FeCl₃), соединения Fe(III) — окислители: 2FeCl₃ + Cu → 2FeCl₂ + CuCl₂ — так раствором FeCl₃ «травят» медные дорожки печатных плат.

Пример 2

Вычислите массовую долю железа в FeO, Fe₂O₃ и Fe₃O₄. Какая руда богаче железом?

  1. ω(Fe) = n · Ar(Fe) / Mr: FeO — 56 / 72 = 77,8 %.
  2. Fe₂O₃ — 112 / 160 = 70,0 %; Fe₃O₄ — 168 / 232 = 72,4 %.
  3. Из природных руд богаче всего железом магнетит (Fe₃O₄); FeO в природе как руда почти не встречается.Почему так?

    Чем меньше атомов кислорода на атом железа, тем больше доля железа: O : Fe = 1; 1,33; 1,5.

  4. Ответ: 77,8 %; 70,0 %; 72,4 %. Из руд самая богатая — магнетит.

Ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ в растворе распознают по цветным реакциям. Кровяные соли — K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль) и K₄[Fe(CN)₆] (жёлтая кровяная соль) — комплексные соединения.

Анимация · определение ионов Fe²⁺ и Fe³⁺Fe²⁺: со щёлочью зеленоватый Fe(OH)₂ (буреет на воздухе), с красной кровяной солью тёмно-синий осадок (турнбулева синь). Fe³⁺: со щёлочью бурый Fe(OH)₃, с KSCN кроваво-красная окраска, с жёлтой кровяной солью тёмно-синий осадок (берлинская лазурь).Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025

X +Fe→ Y +KOH→ Z +X→ Y Определите вещества X, Y и Z.

В вариантах вещества даны в порядке X | Y | Z.

Рисунок меняется вместе с шагами.A) HCl | FeCl₃ | Fe(OH)₃B) HCl | FeCl₂ | Fe(OH)₂C) Cl₂ | FeCl₃ | Fe(OH)₂D) Cl₂ | FeCl₂ | Fe(OH)₂E) HCl | FeCl₂ | Fe(OH)₃
  1. Железо с HCl даёт только Fe²⁺: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑; а с Cl₂ — Fe³⁺: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃.Почему так?

    Поэтому варианты A (HCl → FeCl₃) и D (Cl₂ → FeCl₂) сразу отпадают.

  2. Если X = HCl: FeCl₂ + 2KOH → Fe(OH)₂↓ + 2KCl (Z = Fe(OH)₂, а не Fe(OH)₃ из варианта E), затем Fe(OH)₂ + 2HCl → FeCl₂ + 2H₂O — снова получается Y.
  3. Если X = Cl₂ (C): Y = FeCl₃, Z должен быть Fe(OH)₃, а не Fe(OH)₂; а Z + Cl₂ не даёт FeCl₃. Цикл замыкается только в варианте B.Почему так?

    В циклической схеме последняя стадия должна вернуть исходное вещество — это лучшая проверка.

  4. Ответ: X — HCl, Y — FeCl₂, Z — Fe(OH)₂ (вариант B).
Официальное пояснение ГЭЦ (01.06.2025)
HCl +Fe→ FeCl₂ +KOH→ Fe(OH)₂ HCl→ FeCl₂Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, IV группа специальностей (PDF)
Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026

Заполните таблицу, данную в листе ответов.

Ситуация (ГЭЦ, перевод): В 490 г разбавленного водного раствора серной кислоты опускают пластинку Fe. После того как кислота полностью вступила в реакцию (момент t₁), пластинку вынимают из раствора и в раствор опускают пластинку Mg. Когда пластинку Mg вынимают из раствора (момент t₂), установлено, что её масса увеличилась на 3,2 г, а количество вещества соли Fe в растворе уменьшилось на 20%. При добавлении NaOH к конечному раствору наблюдается образование смеси белого и зеленоватого осадков.

Рисунок меняется вместе с шагами.
  1. В конечном растворе MgSO₄ и 0,4 моль FeSO₄. С NaOH: белый осадок — Mg(OH)₂, зеленоватый — Fe(OH)₂.
  2. Молекулярное уравнение: FeSO₄ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + Na₂SO₄.
  3. Полное ионное уравнение: сильные электролиты записываем ионами, осадок — молекулой: Fe²⁺ + SO₄²⁻ + 2Na⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓ + 2Na⁺ + SO₄²⁻. Внимание: в пояснении ГЭЦ пропущен коэффициент 2 перед OH⁻.Почему так?

    В полном ионном уравнении заряды и атомы с обеих сторон должны совпадать: 2NaOH → 2Na⁺ + 2OH⁻.

  4. Сократив одинаковые ионы, получаем сокращённое ионное уравнение: Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓.
  5. Ответ: FeSO₄ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + Na₂SO₄; Fe²⁺ + SO₄²⁻ + 2Na⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓ + 2Na⁺ + SO₄²⁻.
Официальное пояснение ГЭЦ (07.06.2026)
Молекулярное уравнение | FeSO₄ + 2NaOH→Fe(OH)₂↓+ Na₂SO₄ Полное ионное уравнение | Fe²⁺+SO₄²⁻+2Na⁺ … →Fe(OH)₂↓+2Na⁺+ SO₄²⁻Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, IV группа специальностей (PDF)
Проверь себя

9 г Fe(OH)₂ полностью окислились на воздухе до Fe(OH)₃. Какова масса полученного Fe(OH)₃ (г)?

n(Fe(OH)₂) = 9/90 = 0,1 моль = n(Fe(OH)₃); M(Fe(OH)₃) = 107 г/моль.

Глава 3

Производство чугуна и стали: доменный процесс

Железо в природе почти не встречается в свободном виде — в рудах оно находится в виде оксидов и солей: магнетит Fe₃O₄ (магнитный железняк; Дашкесанское месторождение), гематит Fe₂O₃ (красный железняк), лимонит 2Fe₂O₃·3H₂O (бурый железняк), сидерит FeCO₃. Получить железо из руды — значит восстановить его из оксида. В промышленности восстановитель — угарный газ (CO), образующийся из кокса.

Чугун и сталь

Чугун — сплав железа с углеродом, содержащий 2–4,5 % углерода (а также Si, Mn, S, P); твёрдый, хрупкий, не куётся, идёт на литьё. Сталь — сплав, содержащий менее 2 % (обычно 0,1–1,5 %) углерода; прочная и упругая, куётся и прокатывается. Доменный процесс — получение чугуна в доменной печи восстановлением железной руды коксом и CO.

Доменная печь — башня высотой более 30 м. Сверху послойно загружают руду, кокс и флюс (известняк CaCO₃ — чтобы перевести пустую породу, в основном SiO₂, в шлак), а снизу вдувают нагретый воздух (обогащённый кислородом). Шихта опускается сверху вниз, газы поднимаются снизу вверх — принцип противотока.

Анимация · доменная печьВнизу горит кокс и образуется CO; поднимаясь, CO ступенчато восстанавливает оксиды железа: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe. Железо насыщается углеродом и плавится — чугун стекает на дно, шлак остаётся над ним; оба выпускают через отдельные лётки.Суммарные реакции доменного процесса

Суммарное уравнение (для гематита): Fe₂O₃ + 3CO t→ 2Fe + 3CO₂; для магнетита: Fe₃O₄ + 4CO t→ 3Fe + 4CO₂. В расчётах считают, что всё железо руды переходит в чугун (если выход не задан).

История

Вопрос из Дашкесана. M(Fe₃O₄) = 3 · 56 + 4 · 16 = 232 г/моль, в нём 3 · 56 = 168 г железа: ω(Fe) = 168 / 232 = 72,4 %. Значит, из 1 т чистого магнетита получится 1000 · 0,724 ≈ 724 кг железа (Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂: 4,31 кмоль Fe₃O₄ → 12,9 кмоль Fe). В реальной руде вместе с магнетитом есть пустая порода, поэтому дашкесанскую руду сначала обогащают — магнитные сепараторы отделяют магнетит от породы. Игра экскурсовода с магнитом — на самом деле промышленный метод!

Пример 3

Сколько тонн гематитовой руды, содержащей 80 % Fe₂O₃, нужно для получения 1 т чугуна с массовой долей железа 95 %?

  1. Железо в чугуне: m(Fe) = 1000 · 0,95 = 950 кг.
  2. Fe₂O₃ → 2Fe: из 160 кг Fe₂O₃ — 112 кг Fe; m(Fe₂O₃) = 950 · 160 / 112 ≈ 1357 кг.Почему так?

    Чтобы перейти от мольного отношения к массовому, удобно брать молярные массы в кг/кмоль.

  3. Руда: 1357 / 0,8 ≈ 1696 кг ≈ 1,7 т.
  4. Ответ: ≈ 1,7 т руды.

Большую часть чугуна перерабатывают в сталь. Для этого избыточный углерод, кремний, марганец, серу и фосфор нужно окислить и удалить в виде газов и шлака. На современных заводах это делают в кислородном конвертере (через жидкий чугун продувают чистый кислород), а также в электродуговых печах (переплавляют железный лом). Добавляя хром, никель, марганец, вольфрам, получают легированные стали с особыми свойствами.

Анимация · из чугуна — стальКислород сначала окисляет часть железа до FeO, а FeO окисляет углерод до CO. Когда доля углерода падает ниже 2 %, сплав становится сталью.Проверь себя

320 кг Fe₂O₃ полностью восстановили CO. Сколько килограммов железа получено?

n(Fe₂O₃) = 320/160 = 2 кмоль; n(Fe) = 4 кмоль.

Глава 4

Медь и её соединения

История

Днём семья приезжает в Гедабек. Здесь в XIX веке работал один из крупнейших на Кавказе медеплавильных заводов, теперь от него остались каменные руины. Вода, вытекающая из устья старого рудника, сине-зелёная — соединения меди из породы растворились в ней. Экскурсовод показывает ржавые железные пластины, лежащие в деревянном жёлобе: они покрылись красно-бурой медью.

«В старину медь собирали прямо из воды — железо её “ловит”», — говорит экскурсовод. Одну пластину взвешивают: за неделю она потяжелела на 4 г. Сколько граммов меди осело и почему пластина не стала легче, ведь железо растворялось?

Вода течёт по жёлобу, железные пластины постепенно покрываются медью; в круге ион меди занимает место атома железа.

Медь (Cu, Z = 29) находится в побочной подгруппе I группы 4-го периода. Вместо ожидаемой 3d⁹ 4s² в её атоме один электрон «проскакивает» с 4s на 3d: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ — полностью заполненный d-подуровень устойчивее. В соединениях медь проявляет степени окисления +1 и (чаще) +2. Медь — красноватый мягкий металл (tпл = 1083 °C), по электропроводности уступает только серебру. Сплавы: бронза (Cu + Sn), латунь (Cu + Zn), мельхиор (Cu + Ni).

Химические свойства меди
  • в ряду напряжений стоит после водорода: с HCl и разбавленной H₂SO₄ не реагирует;
  • с кислотами-окислителями: Cu + 2H₂SO₄(конц.) t→ CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O, Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O;
  • при нагревании чернеет: 2Cu + O₂ t→ 2CuO; во влажном воздухе покрывается зелёной патиной: 2Cu + O₂ + H₂O + CO₂ → (CuOH)₂CO₃;
  • вытесняет менее активные металлы: Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag; восстанавливает соли Fe³⁺: Cu + 2FeCl₃ → CuCl₂ + 2FeCl₂.

Оксид меди(II) CuO — чёрный основный оксид; с кислотами даёт соли и восстанавливается водородом: CuO + H₂ t→ Cu + H₂O. Cu(OH)₂ — нерастворимое в воде голубое основание; его получают только из растворимой соли действием щёлочи, CuO с водой не соединяется. Медный купорос CuSO₄·5H₂O — синий, безводный CuSO₄ — белый, с водой снова синеет (обнаружение воды).

Анимация · Cu(OH)₂ и CuOПри добавлении щёлочи к соли меди выпадает голубой Cu(OH)₂; при нагревании он разлагается: Cu(OH)₂ t→ CuO + H₂O — осадок чернеет.История

Вопрос из Гедабека. Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu: на 1 моль с пластинки уходит 56 г Fe, приходит 64 г Cu — пластинка тяжелеет на 64 − 56 = 8 г. Атом меди тяжелее атома железа, поэтому пластинка не легчает! При Δm = 4 гn = 4 / 8 = 0,5 моль: осело m(Cu) = 0,5 · 64 = 32 г меди, растворилось 0,5 · 56 = 28 г железа. Этот способ называют цементацией; его и сегодня применяют для извлечения меди из рудничных вод.

В лаборатории выбери металлическую пластинку и соль, меняй количество соли. Когда идёт реакция и насколько пластинка тяжелеет (или легчает)?

Лаборатория · металлическая пластинка в растворе солиАнимация · пластинка в раствореколичество соли0.2 мольМеталл вытесняет только металл, стоящий правее него в ряду напряжений: Mg > Zn > Fe > (H) > Cu > Ag. Если пластинка тяжелеет, осевший металл тяжелее растворившегося.Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 12.07.2026

Учитывая, что во всех 3 сосудах находится по 200 г 16%-ного раствора CuSO₄, вычислите в граммах сумму масс меди, полученной при полной реакции металлических пластинок с раствором CuSO₄. Mᵣ(CuSO₄)=160, Aᵣ(Cu)=64

Рисунок меняется вместе с шагами.A) 12,8B) 25,6C) 128D) 64E) 33,6
  1. В каждом сосуде m(CuSO₄) = 200 · 0,16 = 32 г, n = 32 / 160 = 0,2 моль.
  2. Fe и Zn активнее меди, а Ag стоит после меди — в сосуде с серебром реакции нет.Почему так?

    Ряд напряжений: Zn, Fe, (H), Cu, Ag — металл вытесняет только стоящие после него.

  3. Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu и Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu: в каждом 0,2 моль, т. е. 0,2 · 64 = 12,8 г Cu.
  4. Всего: 12,8 + 12,8 = 25,6 г.
  5. Ответ: 25,6 г (вариант B).
Официальное пояснение ГЭЦ (12.07.2026)
Масса CuSO₄ во всех 3 сосудах: m(CuSO₄) = 200 · 0,16 = 32 г Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu x = 12,8 г … Ag + CuSO₄ → реакция не идёт Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu y = 12,8 г … Масса Cu, полученной в реакциях = 12,8 + 12,8 = 25,6 гИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, IV группа специальностей (PDF)
Проверь себя

12,8 г меди нагрели с концентрированной серной кислотой. Сколько литров (н. у.) SO₂ выделится?

Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O: n(SO₂) = n(Cu) = 0,2 моль.

Глава 5

Цинк и хром. Амфотерные соединения

История

Вечером семья останавливается в гостевом доме в горном селе. Бабушка варит еду в блестящей стальной кастрюле. Ученик видит на дне надпись «18/10». Отец объясняет: это нержавеющая сталь — в ней 18 % хрома и 10 % никеля. Кастрюля годами работает с водой и солью, но не ржавеет, даже если её поцарапать ножом.

Масса кастрюли 1,3 кг. Сколько в ней граммов хрома? И как хром защищает железо от ржавчины?

Из кастрюли идёт пар; в круге нож царапает плёнку Cr₂O₃, кислород воздуха сразу её восстанавливает.

Цинк (Zn, Z = 30) — [Ar] 3d¹⁰ 4s²; d-подуровень заполнен, поэтому цинк проявляет только степень окисления +2. Голубовато-белый хрупкий металл, на воздухе покрывается тонкой оксидной плёнкой. Чтобы защитить железо от ржавчины, его покрывают цинком (оцинковка): даже если слой поцарапан, более активный цинк окисляется сам и защищает железо.

Амфотерность

Амфотерные оксиды и гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щелочами. Гидроксид цинка: Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O и Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄] (тетрагидроксоцинкат натрия; при сплавлении — Na₂ZnO₂, цинкат). Сам металлический цинк тоже растворяется в растворе щёлочи: Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑.

Анимация · Zn(OH)₂ — осадок появляется и растворяетсяПри добавлении 2 моль NaOH к 1 моль ZnSO₄ осадка больше всего; ещё 2 моль NaOH растворяют его в виде комплексной соли. Поэтому Zn(OH)₂ получают, добавляя щёлочь по каплям.Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 12.07.2026

Если при полной реакции смеси Zn и Cu, содержащей по массе 25% цинка, с соляной кислотой выделилось 0,4 моль H₂, сколько граммов меди было в смеси? Aᵣ(Zn)=65

A) 72B) 56C) 86D) 78E) 44
  1. Медь стоит после водорода: Cu + HCl — реакция не идёт. Водород выделяет только цинк: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.Почему так?

    В смесях сначала определи, какой компонент реагирует.

  2. n(Zn) = n(H₂) = 0,4 моль, m(Zn) = 0,4 · 65 = 26 г.
  3. Цинк — 25 % смеси, медь — 75 %: m(Cu) = 26 · 75 / 25 = 78 г (смесь 104 г).
  4. Ответ: 78 г (вариант D).
Официальное пояснение ГЭЦ (12.07.2026)
Cu + HCl → реакция не идёт x г ------------------------ 0,4 моль Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ 65 г ----------------------- 1 моль x = 26 г Zn Учитывая, что массовая доля цинка в смеси 25% 26 г Zn --------- 25% y г Cu ----------- 75% y = 78 гИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, I группа специальностей (PDF)

Хром (Cr, Z = 24) — побочная подгруппа VI группы; один электрон переходит с 4s на 3d: [Ar] 3d⁵ 4s¹ (наполовину заполненный 3d⁵). Один из самых твёрдых металлов, серебристо-белый, блестящий. Его поверхность покрыта плотной оксидной плёнкой, поэтому на воздухе и в воде он не корродирует, а концентрированные HNO₃ и H₂SO₄ на холоде его пассивируют. На этом основаны хромирование и нержавеющая сталь. Без доступа воздуха хром с разбавленной HCl даёт Cr²⁺: Cr + 2HCl → CrCl₂ + H₂↑.

Анимация · оксиды хрома; хромат ⇄ дихроматС ростом степени окисления свойства оксидов и гидроксидов меняются от основных к кислотным: CrO — основный, Cr₂O₃ — амфотерный, CrO₃ — кислотный оксид. В кислой среде жёлтый хромат переходит в оранжевый дихромат, в щелочной — наоборот.История

Вопрос из гостевого дома. m(Cr) = 1300 · 0,18 = 234 г, т. е. 234 / 52 = 4,5 моль хрома. Хром в стали образует на поверхности плотную прочную плёнку Cr₂O₃ толщиной в нанометры. Она не пускает воду и кислород к железу. Если плёнку поцарапать, кислород воздуха сразу снова окисляет открывшийся хром — плёнка «самозалечивается». А ржавчина обычного железа (Fe₂O₃·nH₂O) рыхлая и пористая, поэтому коррозия идёт вглубь.

Пример 4

10,4 г хрома растворяют без доступа воздуха в избытке соляной кислоты. Сколько литров (н. у.) водорода выделится?

  1. Cr + 2HCl → CrCl₂ + H₂↑: без воздуха образуется Cr²⁺.
  2. n(Cr) = 10,4 / 52 = 0,2 моль = n(H₂); V = 0,2 · 22,4 = 4,48 л.Почему так?

    Каждый атом Cr отдаёт 2 электрона, их принимают 2 H⁺, образуется 1 H₂.

  3. Ответ: 4,48 л.
Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025

Определите верные утверждения для реакции Cr + HNO₃(конц.) t→ Cr(NO₃)ₙ + X↑ + H₂O, протекающей в закрытом сосуде. Aᵣ(N)=14; Aᵣ(O)=16; Aᵣ(H)=1; Mср(воздуха)=29 г/моль1. Газ X можно получить разложением продукта окисления.2. 75% вступившей в реакцию кислоты расходуется на образование соли.3. Плотность газа X меньше плотности воздуха (н. у.).4. При образовании 6 моль воды восстановитель отдаёт 9N_A электронов.5. Продукт восстановления — несолеобразующий оксид.

0Cr + 4H+5NO₃ → +3Cr(NO₃)₃ + +2NO + 2H₂OCr⁰ − 3e⁻ → Cr⁺³N⁺⁵ + 3e⁻ → N⁺²4 HNO₃: 3 → соль, 1 → NO (75 %)3e⁻ ↔ 2H₂O: 6 моль H₂O ↔ 9NA e⁻A) 1, 2, 4B) 3, 4, 5C) 1, 3, 5D) 1, 2, 3E) 2, 4, 5
  1. Уравнение ГЭЦ: Cr + 4HNO₃ → Cr(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O; Cr0 − 3e⁻ → Cr+3, N+5 + 3e⁻ → N+2. X = NO. Проверка: N 4 = 3 + 1, O 12 = 9 + 1 + 2.
  2. 1 — неверно: при термическом разложении нитратов NO не образуется (Cr(NO₃)₃ при разложении даёт NO₂ и O₂).Почему так?

    Продукт окисления — Cr(NO₃)₃, продукт восстановления — NO.

  3. 2 — верно: из 4 HNO₃ три идут на соль (3 NO₃⁻), одна — в NO: 3/4 = 75 %. 3 — неверно: M(NO) = 30 > 29, NO немного тяжелее воздуха.
  4. 4 — верно: по уравнению, когда 1 Cr отдаёт 3e⁻, образуется 2 H₂O; 6 моль H₂O → 3 моль Cr → 9 моль e⁻ = 9N_A. 5 — верно: NO — несолеобразующий оксид.Почему так?

    Число электронов связываем с количеством продукта через коэффициенты уравнения: 3e⁻ ↔ 2H₂O.

  5. Внимание: в условии указано «HNO₃(конц.), t»; с горячей концентрированной азотной кислотой обычно образуется NO₂: Cr + 6HNO₃ → Cr(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O, а NO соответствует разбавленной кислоте. Ответ ГЭЦ основан на его уравнении с NO.
  6. Ответ: 2, 4, 5 (вариант E).
Официальное пояснение ГЭЦ (01.06.2025)
Cr + 4HNO₃(конц.) t→ Cr(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O1. неверно; газ NO из разложения соли Cr(NO₃)₃не получают.2. верно; из 4 моль вступившей в реакцию кислоты3 моль (75%) расходуется на образование соли3. неверно; так как 30/22,4 > 29/22,4 … 4. верно; 3N_A электронов ------- 2 моль воды 9N_A электронов ------- x моль воды x = 6 моль H₂O5. верно; продукт восстановления (NO) … несолеобразующий оксидИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, IV группа специальностей (PDF)
Проверь себя

Сколько моль NaOH нужно, чтобы полностью растворить 0,1 моль Zn(OH)₂ (образуется Na₂[Zn(OH)₄])?

Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄].

Практикум

Тренировка на экзаменационных заданиях

Эти задания взяты из экзаменов ГЭЦ. Сначала реши сам, затем открой «Ответ и пояснение ГЭЦ».

ГЭЦ · 13.07.2025

В результате какой реакции образуется Cu(OH)₂?

A) CuCl₂ + NaOH →B) Cu + H₂O t→C) CuCl₂ + Al(OH)₃ →D) CuO + H₂O →E) CuO + CH₃OH t→Ответ и пояснение ГЭЦ

Ответ: CuCl₂ + NaOH → (вариант A).

По условию только в реакции CuCl₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂ + 2NaCl образуется Cu(OH)₂.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, I группа специальностей (PDF)
Итоги

Запомни

  • d-элементы: Fe [Ar]3d⁶4s² (+2, +3), Cu [Ar]3d¹⁰4s¹ (+1, +2), Zn [Ar]3d¹⁰4s² (+2), Cr [Ar]3d⁵4s¹ (+2, +3, +6).
  • Fe со слабыми окислителями (HCl, S, CuSO₄) даёт Fe²⁺, с сильными (Cl₂, HNO₃) — Fe³⁺; конц. H₂SO₄ и HNO₃ на холоде его пассивируют.
  • Fe²⁺: K₃[Fe(CN)₆] — тёмно-синий, OH⁻ — зеленоватый Fe(OH)₂; Fe³⁺: KSCN — кроваво-красный, K₄[Fe(CN)₆] — тёмно-синий, OH⁻ — бурый Fe(OH)₃.
  • Доменный процесс: кокс → CO, Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; чугун 2–4,5 % C, сталь < 2 % C (кислородный конвертер).
  • Металлическая пластинка: Δm = n · (M(осевшего) − M(растворившегося)); Fe + CuSO₄ — +8 г/моль, Mg + FeSO₄ — +32 г/моль.
  • Cu стоит после водорода: из кислот реагирует только с кислотами-окислителями; Cu(OH)₂ — голубой, при нагревании чёрный CuO.
  • Zn(OH)₂, Cr₂O₃, Cr(OH)₃ амфотерны; оксиды хрома: CrO основный, Cr₂O₃ амфотерный, CrO₃ кислотный; 2CrO₄²⁻ + 2H⁺ ⇄ Cr₂O₇²⁻ + H₂O.

Типичные ошибки

«Fe + 2HCl → FeCl₃ + H₂».

С соляной кислотой образуется FeCl₂: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. FeCl₃ получают с хлором.

«Железная пластинка в растворе CuSO₄ легчает, раз железо растворяется».

В Fe + CuSO₄ пластинка тяжелеет: вместо 56 г Fe оседает 64 г Cu (+8 г/моль).

«Чугун и сталь — одно и то же».

Различие в содержании углерода: в чугуне 2–4,5 %, в стали менее 2 %; чугун хрупкий, сталь куётся.

«Медь вытесняет водород из разбавленных кислот».

Медь стоит после водорода; из кислот она реагирует только с кислотами-окислителями — конц. H₂SO₄, конц. и разб. HNO₃, водород при этом не выделяется.

Итоги

Самостоятельная работа

Задания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.

1 · Уровень 1

Раствор какого иона окрашивается в кроваво-красный цвет при добавлении KSCN?

Fe³⁺ с роданид-ионом SCN⁻ образует кроваво-красные соединения.

2 · Уровень 1

Чем чугун отличается от стали?

В чугуне 2–4,5 % C, в стали — менее 2 %.

3 · Уровень 2

Какова электронная формула атома хрома?

Один электрон переходит с 4s на 3d: наполовину заполненный 3d⁵ устойчивее.

4 · Уровень 2

Какой гидроксид реагирует и с HCl, и с раствором NaOH?

Zn(OH)₂ амфотерен: даёт ZnCl₂ и Na₂[Zn(OH)₄].

5 · Уровень ГЭЦ

Масса железной пластинки после выдерживания в растворе CuSO₄ увеличилась на 1,6 г. Сколько граммов меди осело?

Δm = 64 − 56 = 8 г/моль; n = 1,6/8 = 0,2 моль; m(Cu) = 0,2 · 64 = 12,8 г.

6 · Уровень ГЭЦ

464 кг Fe₃O₄ полностью восстанавливают CO. Сколько кг железа получится?

n(Fe₃O₄) = 464/232 = 2 кмоль; Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂; n(Fe) = 6 кмоль, 6 · 56 = 336 кг.

Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):

  1. 01.06.2025, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 50; B-33, C-39, D-33; вариант A, 40; B-41, C-40, D-46
  2. 13.07.2025, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 79; B-73, C-70, D-61
  3. 07.06.2026, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 58; B-58, C-58, D-58; вариант A, 59; B-59, C-59, D-59; вариант A, 60; B-60, C-60, D-60
  4. 12.07.2026, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 63; B-76, C-61, D-69
  5. 12.07.2026, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 51; B-49, C-51, D-46

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.

Похожие уроки

Все уроки