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.