Szereg aktywności metali — jedna tabela, z której wynika bardzo dużo

Dlaczego sód wrzucony do wody wybucha, a złoto leży w ziemi tysiąc lat i wygląda jak nowe? Dlaczego gwóźdź włożony do roztworu siarczanu miedzi pokrywa się miedzią, ale miedziany drucik w roztworze siarczanu żelaza nie zmienia się wcale?

Na wszystkie te pytania odpowiada jedna tabela: szereg aktywności metali.

Co to właściwie jest

Szereg aktywności metali to lista metali uporządkowana według tego, jak chętnie oddają elektrony. Metal, który oddaje je łatwo, jest aktywny i stoi wysoko. Metal, który trzyma swoje elektrony mocno, jest mało aktywny i stoi nisko.

Oddawanie elektronów to utlenianie — a więc metal aktywny to silny reduktor.

Szereg

K · Ba · Ca · Na · Mg · Al · Mn · Zn · Cr · Fe · Co · Ni · Sn · Pb · (H) · Cu · Hg · Ag · Pt · Au

Wodór nie jest metalem, ale umieszcza się go w szeregu jako punkt odniesienia — i to jeden z najważniejszych punktów w całej tabeli.

Część szeregu Metale Charakterystyka
najaktywniejsze K, Ba, Ca, Na reagują z zimną wodą, wypierając z niej wodór
aktywne Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe reagują z kwasami, z wodą dopiero w podwyższonej temperaturze lub wcale
średnio aktywne Co, Ni, Sn, Pb reagują z kwasami, ale wolno
wodór (H) granica — co powyżej, wypiera wodór z kwasów
szlachetne Cu, Hg, Ag, Pt, Au nie reagują z kwasami nieutleniającymi

Trzy reguły, które z szeregu wynikają

Reguła 1 — metal wypiera z soli metal mniej aktywny

Metal stojący wyżej w szeregu wypiera z roztworu soli metal stojący niżej.

Blaszka cynkowa w roztworze siarczanu(VI) miedzi(II): cynk stoi wyżej niż miedź, więc reakcja zajdzie.

Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Niebieski roztwór blednie, a na cynku osadza się czerwona warstewka miedzi. W zapisie jonowym widać to jeszcze wyraźniej:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

A w drugą stronę — miedziany drucik w roztworze siarczanu(VI) cynku — nie zajdzie nic, bo miedź stoi niżej.

Cu + ZnSO₄ → reakcja nie zachodzi

Reguła 2 — metal powyżej wodoru wypiera wodór z kwasów

To jest ta najważniejsza granica w szeregu. Metale stojące przed wodorem reagują z kwasami nieutleniającymi (HCl, rozcieńczony H₂SO₄), wydzielając wodór.

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑

Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑

A metale za wodorem — miedź, srebro, złoto — z tymi kwasami nie reagują wcale.

Cu + HCl → reakcja nie zachodzi

Ag + H₂SO₄ (rozc.) → reakcja nie zachodzi

Uwaga na kwasy utleniające — stężony H₂SO₄ i HNO₃ w każdym stężeniu. One działają inaczej: utleniaczem nie jest w nich jon wodorowy, tylko siarka albo azot na wysokim stopniu utlenienia. Dlatego miedź rozpuszcza się w kwasie azotowym(V), choć stoi za wodorem — tylko nie wydziela się przy tym wodór, lecz tlenek azotu: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

Reguła 3 — cztery najaktywniejsze reagują z zimną wodą

Potas, bar, wapń i sód reagują już z samą wodą, wypierając z niej wodór i tworząc wodorotlenek.

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

Reakcja sodu z wodą jest gwałtowna: kuleczka sodu pływa po powierzchni, topi się od wydzielanego ciepła i syczy. Potas reaguje jeszcze gwałtowniej — wydzielany wodór zapala się od ciepła reakcji.

Dlatego sód i potas przechowuje się pod naftą — nafta nie zawiera wody ani tlenu.

Magnez i glin z zimną wodą praktycznie nie reagują, ale z parą wodną już tak.

Tabela decyzyjna — czy ta reakcja zajdzie

Pytanie Sprawdź Przykład tak Przykład nie
Metal + sól innego metalu czy metal stoi wyżej niż ten w soli Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu Cu + FeSO₄ → nie zachodzi
Metal + kwas (HCl, rozc. H₂SO₄) czy metal stoi przed wodorem Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂ Ag + HCl → nie zachodzi
Metal + zimna woda czy to K, Ba, Ca albo Na 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂ Fe + H₂O → nie zachodzi

Zadania rozwiązane

Zadanie 1. Czy zajdzie reakcja między blaszką miedzianą a roztworem azotanu(V) srebra?

Rozwiązanie: miedź stoi w szeregu wyżej niż srebro (Cu przed Ag), więc tak. Miedź wypiera srebro z roztworu:

Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Doświadczenie wygląda efektownie: na miedzianym drucie wyrastają srebrne igiełki, a bezbarwny roztwór robi się niebieski od jonów miedzi.

Zadanie 2. Do trzech probówek z kwasem solnym włożono: cynk, miedź i magnez. W których zajdzie reakcja i gdzie najszybciej?

Rozwiązanie: reakcja zajdzie tam, gdzie metal stoi przed wodorem — czyli w probówce z cynkiem i z magnezem. Z miedzią nic się nie stanie. Szybciej zareaguje magnez, bo w szeregu stoi wyżej niż cynk, czyli jest aktywniejszy.

Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

Zadanie 3. Dlaczego nie wolno przechowywać roztworu siarczanu(VI) miedzi(II) w naczyniu z blachy ocynkowanej?

Rozwiązanie: cynk stoi wyżej niż miedź, więc wypiera ją z roztworu. Roztwór straci miedź, a naczynie zacznie się rozpuszczać:

Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Zadanie 4. Uszereguj według rosnącej aktywności: Ag, Fe, Na, Cu.

Rozwiązanie: w szeregu, czytając od prawej (najmniej aktywne) do lewej: Ag < Cu < Fe < Na.

Gdzie to działa w praktyce

  • Ochrona protektorowa. Do stalowego kadłuba statku przyspawuje się bloki cynku. Cynk stoi wyżej niż żelazo, więc to on oddaje elektrony i koroduje — a stal pozostaje nietknięta. Blok nazywa się anodą protektorową i wymienia się go co kilka lat. Ten sam patent jest w bojlerach i podgrzewaczach wody, tyle że tam protektor zwykle wykonany jest z magnezu.
  • Ocynkowana blacha. Warstwa cynku na rynnie chroni stal nawet wtedy, gdy zostanie zarysowana — bo cynk, jako aktywniejszy, i tak odda elektrony pierwszy.
  • Dlaczego złoto przetrwa w ziemi. Au stoi na samym końcu szeregu: praktycznie nic nie jest w stanie zabrać mu elektronów. Dlatego biżuteria z wykopalisk wygląda jak nowa, a żelazne narzędzia z tego samego grobu są bryłą rdzy.
  • Dlaczego nie myjemy aluminiowych garnków w zmywarce. Glin jest aktywny i w środowisku zasadowym detergentu matowieje — reaguje, choć na co dzień chroni go warstewka tlenku.
  • Wymiana rur. Łączenie rury miedzianej ze stalową bez przekładki izolacyjnej kończy się szybkim przerdzewieniem stali w miejscu styku — powstaje tam dokładnie takie ogniwo, jak w baterii, tylko niechciane.

Do zapamiętania

  • Szereg aktywności porządkuje metale według chęci oddawania elektronów; metal aktywny to silny reduktor.
  • K, Ba, Ca, Na reagują już z zimną wodą.
  • Metal przed wodorem wypiera wodór z kwasów nieutleniających; metal za wodorem — nie.
  • Metal wyższy wypiera z soli metal niższy.
  • HNO₃ i stężony H₂SO₄ to wyjątek: rozpuszczają także miedź i srebro, ale nie wydziela się przy tym wodór.