Номер 1323, страница 204 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1323. Почему оксиды активных металлов практически невозможно восстановить водородом до металла?

Решение

Возможность восстановления оксида металла водородом определяется положением металла в электрохимическом ряду активности (ряду напряжений) по отношению к водороду, а также термодинамической устойчивостью оксида.

1.Положение в ряду активности. Ряд активности металлов — это последовательность, в которой металлы расположены в порядке убывания их химической активности (способности окисляться). Общий принцип гласит, что более активный элемент может вытеснить менее активный из его соединений. Водород также занимает свое место в этом ряду. Активные металлы, такие как щелочные (Li, K, Na) и щелочноземельные (Ca, Mg), а также алюминий (Al), находятся в ряду активности значительно левее водорода. Это означает, что они являются гораздо более сильными восстановителями, чем водород. Следовательно, водород, будучи более слабым восстановителем, не в состоянии отнять кислород у более активного металла. Реакция восстановления, например $Na_2O + H_2 \rightarrow 2Na + H_2O$, практически не идет, так как равновесие смещено влево.

2.Термодинамическая устойчивость оксидов. Активные металлы образуют очень прочные, термодинамически устойчивые оксиды. Это означает, что при образовании оксида активного металла выделяется большое количество энергии (высокая отрицательная энтальпия образования, $\Delta H_f^{\circ}$). Чтобы разрушить эту прочную связь металл–кислород, требуется затратить значительное количество энергии. В реакции восстановления оксида водородом $Me_xO_y + yH_2 \rightarrow xMe + yH_2O$ конкурируют два процесса: разрыв связи $Me-O$ и образование связи $H-O$ в молекуле воды. Энергии, выделяющейся при образовании связи $H-O$ в воде, недостаточно, чтобы компенсировать энергию, необходимую для разрыва чрезвычайно прочной связи в оксидах активных металлов (например, $Al_2O_3$, $MgO$, $CaO$). Поэтому суммарное изменение энергии Гиббса ($\Delta G$) для такой реакции оказывается положительным, что указывает на ее невозможность в стандартных условиях. Напротив, для металлов, стоящих в ряду активности правее водорода (например, Cu, Hg, Ag), оксиды менее устойчивы, и водород легко восстанавливает их до свободного металла.

Таким образом, сочетание высокой химической активности металлов и исключительной прочности их оксидов делает процесс восстановления водородом практически невозможным. Для получения таких металлов из их оксидов применяют более мощные методы, например, электролиз расплавов их солей или оксидов.

Ответ: Оксиды активных металлов невозможно восстановить водородом, потому что эти металлы (например, Na, Ca, Al) стоят в ряду активности значительно левее водорода и являются более сильными восстановителями. Их оксиды термодинамически очень устойчивы, и энергии, выделяющейся при образовании воды, недостаточно для разрыва прочной связи между активным металлом и кислородом. Равновесие реакции смещено в сторону исходных веществ (оксида металла и водорода).