Aktywność chemiczna

Szereg aktywności chemicznej metali

Tym mianem określa się zestawienie pierwiastków chemicznych, które posiadają charakter metaliczny, w konkretnej kolejności – od najmniej do najbardziej aktywnego pod względem chemicznym. Służy to do porównywania aktywności różnych metali. Oprócz metali, w szeregu aktywności chemicznej, znajduje się również jeden niemetal – wodór, który stanowi pierwiastek odniesienia.

Im wyżej w szeregu aktywności znajduje się metal, tym bardziej jest reaktywny. Wiąże się to również z tym, że łatwiej ulega utlenieniu, a więc jest silniejszym reduktorem i pierwiastkiem bardziej aktywnym chemicznie. W przeciwieństwie do tego im niżej w szeregu aktywności znajduje się metal, tym mniej reaktywny jest. Oznacza to, że łatwiej ulega reakcji redukcji, a więc jest silniejszym utleniaczem, pierwiastkiem mniej aktywnym.

Posługując się wartościami widocznymi w Tabeli 1., możemy zauważyć, że im niższa wartość potencjału standardowego pierwiastka, tym silniejszym jest on reduktorem i tym bardziej reaktywnym chemicznie metalem. Miarą zdolności do oddawania elektronów w szeregu aktywności metali jest ich wartość potencjału standardowego. Dla wodoru, a właściwie elektrody wodorowej, potencjał standardowy przyjmuje się jako zero. Potencjał standardowy to siła elektromotoryczna ogniwa zbudowanego ze standardowego półogniwa wodorowego oraz interesującego nas półogniwa, w którym stężenia substratów i produktów wynoszą 1 mol/dm³.

Tabela 1. Szereg elektrochemiczny metali

Najaktywniejsze są metale widoczne na samej górze szeregu. Te, które znajdują się powyżej wodoru, wykazują tendencję do łatwego utleniania się, a więc są silniejszymi od niego reduktorami. Pierwiastki znajdujące się poniżej wodoru w szeregu, łatwiej ulegają redukcji i są silniejszym utleniaczami. Jeżeli metal charakteryzuje się bardziej ujemnym potencjałem od innego, oznacza to, że wyprze go z jego soli. Przykładowo, żelazo wyprze miedź w solach miedzi, ale miedź nie wyprze żelaza z jego soli. Może natomiast wyprzeć srebro z soli srebra. Litowce oraz berylowce z roztworów soli innych metali nie wypierają ich, reagują one natomiast bezpośrednio z wodą. Wypierają z niej wodór i wytwarzają swoje związki – wodorotlenki. Takie metale nazywamy metalami aktywnymi.

Aktywność metali a układ okresowy pierwiastków

Jak wiele innych właściwości, aktywność chemiczna pierwiastka może być sugerowana przez jego położenie w układzie okresowym. Najbardziej aktywne są metale, które znajdują się w I. i II. grupie, gdyż w łatwy sposób wypierają wodór z wody, tworząc wodorotlenki. W grupie aktywność chemiczna metali wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej. W okresie maleje wraz ze wzrostem liczby atomowej.

Metale szlachetne i nieszlachetne

Wodór nie tylko stanowi punkt odniesienia aktywności, ale również oddziela w szeregu metale szlachetne od nieszlachetnych. Metalami nieszlachetnymi nazywamy te znajdujące się powyżej wodoru. Każdy z nich reaguje z kwasami, wypierając z nich wodór. Od potasu do wapnia reagują one z wodą już w temperaturze pokojowej, a od magnezu do żelaza reagują z nią w podwyższonej temperaturze.

Wszystkie metale będące poniżej wodoru w szeregu aktywności, nie wypierają wodoru z kwasów. Mogą jednak reagować z kwasami utleniającymi, w wyniku czego tworzą odpowiednie sole i tlenki, które powstają poprzez redukcję reszty kwasowej.

Pierwiastki znajdujące się najniżej w szeregu, od srebra do złota, są tak bardzo odporne na reakcje chemiczne, że reagują wyłącznie z wodą królewską. Taki roztwór to mieszanina stężonego roztworu kwasu solnego i stężonego roztworu kwasu azotowego (V), zmieszanych w stosunku objętościowym 3:1. Znając te fakty, możemy wywnioskować, że w celu rozróżnienia aktywności interesującego nas pierwiastka można przeprowadzić kilka jego reakcji: z wodą w temperaturze pokojowej, z wodą na gorąco, z kwasem nieutleniającym, z kwasem utleniającym oraz wodą królewską.

Doświadczenie na wykrycie metali wypierających wodór z kwasów

Najłatwiejszym sposobem na potwierdzenie aktywności metalu jest przeprowadzenie doświadczenia. W tym celu należy przygotować dziesięć probówek, w których umieści się kolejno: w 1-5: wstążkę magnezową, drucik cynkowy, drucik żelazny, drucik niklowy oraz drucik miedziany. Tę samą kolejność należy powtórzyć w probówkach 6-10. Następnie do probówek 1-5 należy dodać kilka mililitrów kwasu chlorowodorowego, a do probówek 6-10 kilka mililitrów rozcieńczonego kwasu siarkowego (VI). Do każdej probówki należy przyłożyć zapalone łuczywo. W probówkach, które zawierają wstążki magnezowe oraz druciki żelaza, cynku i niklu, zalane kwasami, wydzielają się pęcherzyki gazu. Najbardziej intensywne wydzielanie można zaobserwować w probówkach zawierających magnez. Reakcje, które zachodzą to:

Ilość wydzielającego się gazu maleje w szeregu: cynk, żelazo, nikiel. Zachodzą tam odpowiednio reakcje:

W probówkach, które zawierały druciki miedziane nie widać wydzielającego się gazu, brak zmian. Oznacza to, że takie reakcje nie zachodzą:

Po przyłożeniu palącego się łuczywka, w probówkach, z których wydziela się gaz, słychać charakterystyczny dźwięk.

Podsumowanie obserwacji i wnioski:

Magnez, cynk, żelazo oraz nikiel reagują zarówno z kwasem chlorowodorowym, jak i z kwasem siarkowym (VI). Każdy z nich wypiera wodór z kwasu, co oznacza, że znajdują się w szeregu aktywności metali wyżej od niego. W reakcjach powstają produkty w postaci soli i uwalniającego się gazu – wodoru.

Charakterystyczny dźwięk, który towarzyszył przykładaniu żarzącego się łuczywka do probówki z ulatniającym się gazem, jest spowodowany reakcją wodoru z tlenem.

Spośród wszystkich badanych metali najbardziej reaktywny jest magnez, a następnie kolejno cynk, żelazo, nikiel, miedź. Możemy to stwierdzić, ponieważ intensywność wydzielania się pęcherzyków gazu świadczy o aktywności metalu.

W probówkach, które zawierały miedź, nie zaobserwowano żadnych zmian. Świadczy to o tym, że miedź nie jest w stanie wyprzeć wodoru ani z kwasu chlorowodorowego, ani z rozcieńczonego kwasu siarkowego (VI).