Szereg aktywności metali

1. Krok 1 – Identyfikacja odczynników i przyporządkowanie ich do doświadczeń

   Dostępne odczynniki: cynk ($\text{Zn}$), srebro ($\text{Ag}$), kwas solny ($\text{HCl}$), kwas azotowy(V) ($\text{HNO}_3$). Każdy odczynnik użyty tylko raz.

   • Doświadczenie 1 – obserwuje się brązowy osad (charakterystyczny dla srebra metalicznego lub tlenku azotu(IV) – ale tu kluczowe jest pojawienie się brązowego osadu i białego osadu na dnie). Brązowy kolor wskazuje na wydzielający się $\text{NO}_2$ lub – w tym kontekście – na ceglastobrązowy $\text{NO}_2$. Jednak białym osadem na dnie probówki jest $\text{AgCl}$ (chlorek srebra – biały, serowaty osad). Oznacza to, że w doświadczeniu 1 uczestniczą: srebro + kwas azotowy(V), a wydzielony $\text{NO}_2$ jest brązowym gazem (lub produktem jest osad $\text{Ag}^+$ reagujący z jonami $\text{Cl}^-$).

   Bardziej precyzyjna analiza: skoro użyto każdego odczynnika tylko raz, to przyporządkowanie musi być rozłączne:

   • Cynk reaguje z kwasem solnym → bezbarwny gaz ($\text{H}_2$) i bezbarwny roztwór → Doświadczenie 2
   • Srebro reaguje z kwasem azotowym(V) → brązowy gaz ($\text{NO}_2$, widoczny w probówce jako brązowe zabarwienie) i biały osad $\text{AgNO}_3$…

   Uwaga: w roztworze $\text{HNO}_3$ stężonego srebro reaguje z wydzieleniem $\text{NO}_2$ (gaz brunatny). Biały osad na dnie to prawdopodobnie nierozpuszczony nadmiar substratu lub – przy kwasie rozcieńczonym – $\text{Ag}$ nie reaguje z $\text{HCl}$ (AgCl byłby nierozpuszczalny). Najbardziej spójny scenariusz: Doświadczenie 1 = Ag + stężony $\text{HNO}_3$ (brązowy $\text{NO}_2$, biały osad $\text{AgNO}_3$ lub nierozpuszczony metal – tu biały osad to nadmiar srebra bądź sól); Doświadczenie 2 = Zn + $\text{HCl}$ (bezbarwny roztwór, bąbelki $\text{H}_2$).

2. Krok 2 – Równanie reakcji dla Doświadczenia 1: Ag + stężony HNO₃

   Srebro reaguje ze stężonym kwasem azotowym(V). Produktami są: azotan(V) srebra, dwutlenek azotu i woda:

   Równanie cząsteczkowe:

   $$\text{Ag} + 2\text{HNO}_3(\text{stęż.}) \rightarrow \text{AgNO}_3 + \text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

   Sprawdzenie bilansu:

   • $\text{Ag}$: 1 = 1 ✓
   • $\text{N}$: 2 = 1 + 1 = 2 ✓
   • $\text{H}$: 2 = 2 ✓
   • $\text{O}$: 6 = 3 + 2 + 1 = 6 ✓

   Bilans elektronowy (utlenianie-redukcja):

   • $\text{Ag}^0 \rightarrow \text{Ag}^{+1}$ – oddaje 1 elektron (utlenianie)
   • $\text{N}^{+5} \rightarrow \text{N}^{+4}$ – przyjmuje 1 elektron (redukcja)

   Zapis jonowy skrócony ($\text{AgNO}_3$ to sól dobrze rozpuszczalna → dysocjuje; $\text{HNO}_3$ stęż. → dysocjuje; $\text{NO}_2$ – gaz; $\text{H}_2\text{O}$ – cząsteczkowa):

   $$\boxed{\text{Ag} + 2\text{H}^+ + \text{NO}_3^- \rightarrow \text{Ag}^+ + \text{NO}_2\uparrow + \text{H}_2\text{O}}$$

3. Krok 3 – Równanie reakcji dla Doświadczenia 2: Zn + HCl

   Cynk reaguje z kwasem solnym. Produktami są: chlorek cynku i wodór:

   Równanie cząsteczkowe:

   $$\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$$

   Bilans elektronowy:

   • $\text{Zn}^0 \rightarrow \text{Zn}^{+2}$ – oddaje 2 elektrony (utlenianie)
   • $2\text{H}^{+1} \rightarrow \text{H}_2^0$ – przyjmuje 2 elektrony (redukcja)

   Zapis jonowy skrócony ($\text{ZnCl}_2$ – sól rozpuszczalna → dysocjuje; $\text{HCl}$ – mocny kwas → dysocjuje; $\text{H}_2$ – gaz; $\text{Zn}$ – metal):

   $$\boxed{\text{Zn} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{H}_2\uparrow}$$

4. Krok 4 – Weryfikacja zgodności z obserwacjami

   • Doświadczenie 1: wydziela się brązowy gaz $\text{NO}_2$ (obserwowany jako brązowe zabarwienie w probówce) ✓; biały osad na dnie to nierozpuszczony metal $\text{Ag}$ (srebro ma barwę jasną/białawą) użyty w nadmiarze ✓
   • Doświadczenie 2: bezbarwny roztwór $\text{ZnCl}_2$ ✓; bezbarwne bąbelki gazu $\text{H}_2$ ✓

Wynik końcowy:

Doświadczenie 1 (Ag z HNO₃ stężonym) – równanie jonowe skrócone:

Doświadczenie 2 (Zn z HCl) – równanie jonowe skrócone:

Jak to rozwiązać — szereg napięciowy metali

Z kwasami nieutleniającymi (jak HCl) reagują tylko metale o niższym standardowym potencjale niż wodór (leżące przed wodorem, o ujemnym E°).

Spośród Ag (E° ≈ +0,80 V), Cu (+0,34 V), Zn (−0,76 V) tylko cynk ma potencjał niższy od wodoru (ujemny), więc tylko on wypiera wodór z kwasu. Miedź i srebro mają potencjały wyższe niż wodór — nie reagują.

Rozstrzygnięcie: probówka III (Zn).

✔ Zgodne z kluczem: III; tylko cynk ma niższy potencjał standardowy niż wodór.

Jak to rozwiązać — nowe półogniwo musi pozostać anodą

Aby wodorowe półogniwo dalej było katodą, zastępujące półogniwo metaliczne musi mieć potencjał niższy niż wodór (E° < 0), czyli metal aktywniejszy od wodoru.

E°: Ag (+0,80) i Cu (+0,34) są wyższe od wodoru — odpadają. Niższe od wodoru mają: Fe (−0,44), Ni (−0,25), Zn (−0,76).

Odpowiedź: Fe|Fe²⁺, Ni|Ni²⁺, Zn|Zn²⁺.

✔ Zgodne z kluczem: Fe, Ni, Zn.

Rozwiązanie

Nie. Miedź leży w szeregu aktywności za wodorem, więc nie roztwarza się w kwasie solnym (kwasie nieutleniającym) — reakcja Cu → CuCl₂ z HCl nie zachodzi, więc A nie może być kwasem solnym.

Rozwiązanie

Metal Sn (cyna) w roztworze CuSO₄: niebieski roztwór się odbarwia (Cu²⁺ ubywa), a masa płytki maleje (rozpuszcza się Sn o $M=119$, osadza Cu o $M=64$).

Rozwiązanie

Sn $+$ Cu²⁺ $\to$ Sn²⁺ $+$ Cu.

Rozwiązanie

Odparowanie pod wyciągiem — roztwory chlorków są klarowne (brak osadu), więc sączenie ani odwirowanie nie wydzielą soli; trzeba odparować wodę, aby otrzymać stały chlorek.

Rozwiązanie

Z reakcji: Hf > Mo, Tl > Mo, Hf > Tc, Hf > Tl, Mo > Tc. Szereg malejącej aktywności: Hf, Tl, Mo, Tc.

Rozwiązanie

Aktywność: A < Z < X. 1) P — najaktywniejszy X jest najsilniejszym reduktorem. 2) P — najmniej aktywny A, więc jon A²⁺ jest najsilniejszym utleniaczem. 3) F — reakcja zachodzi tylko w probówce II (X w ACl₂); w probówkach I (A w ZCl₂) i III (Z w XCl₂) reakcja nie zachodzi, więc nie „tylko w III”.

Rozwiązanie

W szeregu aktywności: Zn > Fe > Ni. Z FeCl₂ reaguje tylko metal aktywniejszy od żelaza — cynk (X); nikiel (Z) nie reaguje.

Zn $+$ Fe²⁺ $\to$ Zn²⁺ $+$ Fe. Rozpuszcza się cynk ($M=65$), a osadza żelazo ($M=56$) — masa płytki X zmniejszyła się. Metalem Z był nikiel.