English
The reactivity series 金属活动性顺序 lists metals in order of how reactive they are. Carbon and hydrogen are included for comparison:
potassium 钾, sodium 钠, calcium 钙, magnesium 镁, aluminium, carbon, zinc, iron, hydrogen, copper, silver, gold
(most reactive at the top, least reactive at the bottom)
The higher a metal is, the more easily it forms positive ions 离子. This explains its reactions:
- potassium, sodium and calcium react with cold water.
- magnesium reacts with steam (but only very slowly with cold water).
- magnesium, zinc and iron react with dilute hydrochloric acid; copper, silver and gold do not.
Displacement reactions
A more reactive metal will displace a less reactive metal from a solution of its ions (a displacement reaction 置换反应). For example, zinc displaces copper from copper(II) sulfate solution, because zinc is more reactive than copper:
$$\text{Zn} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{Cu}$$
Be ready to say what you would see, because those are separate marks:
- the blue colour of the solution fades - the blue $\text{Cu}^{2+}$ ions are being used up (zinc sulfate is colourless).
- a pink-brown solid coats the zinc - that is the displaced copper.
- the grey zinc dissolves and gets smaller.
- the mixture warms up - displacement is exothermic.
Metal-and-acid reactions have their own list: effervescence 泡腾 (the hydrogen escaping) and the solid dissolves. With copper(II) oxide or carbonate and acid, add that the solution turns blue. Never write "hydrogen is given off" as an observation - you cannot see the gas, only the bubbles, so write effervescence.
Worked example. Zinc and aluminium are both found as oxides. Which can be extracted by heating with carbon, and why? Find each metal's place relative to carbon in the reactivity series. Zinc sits below carbon, so carbon is the more reactive of the two and can take the oxygen away from it: zinc oxide is reduced by heating with carbon. Aluminium sits above carbon, so carbon is not reactive enough to displace it, and aluminium must be extracted by electrolysis instead - which is why aluminium costs far more to extract. The line in the series that decides the method is carbon's, not the top of the list.
The special case of aluminium
Aluminium seems less reactive than its position suggests. This is because it is covered by a thin, strong oxide layer 氧化层 that stops other substances reaching the metal underneath.
עברית
אשלגן, נתרן, סידן, מגנזיום, אלומיניום, פחמן, אבץ, ברזל, הידרוגן, נחושת, כסף, זהב
(הכי תגובתי בחלק העליון, הכי פחות תגובתי בחלק התחתון)
(הכי מגיבה למעלה, הפחות מגיבה למטה)
ככל שמתכה נמצאת גבוה יותר, כך קל יותר ליצירת יונים חיוביים. הדבר מסביר את תגובותיה:
ככל שהמתכת נמצאת גבוה יותר בסדרה, כך קל יותר להיאבד אלקטרונים וליוצר יונים חיוביים. הסבר זה מתאים לתגובותיהן:
- מגנזיום מגיב עם אדים (אבל רק לאט מאוד עם מים קרים).
- מגנזיום מגיב עם קיטור (אבל רק לאט מאוד עם מים קרים).
- מגנזיום, אבץ וברזל מגיבים עם חומצת הידרוכלורית דלולה; נחושת, כסף וזהב אינם מגיבים.
תגובות החלפה
מתכת רגישה יותר תחליף מתכת פחות רגישה מתמיסת יוניה (תגורת החלפה). לדוגמה, אבץ מחליף נחושת מתמיסת נחושת(II) סולפט, מכיוון שאבץ רגיש יותר מנחושת:
$$\text{Zn} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{Cu}$$
התכונן לומר מה תראו, שכן אלו נקודות בדידיות נפרדות:
- הצבע הכחול של התמיסה נובה - יוני הכחול $\text{Cu}^{2+}$ נצרכים (סולפת האבץ צבעונית).
- מוצק ורוד-חום מצטופף על פני האבץ - זו הנחושת שהוחלפה.
- האבץ האפור ממס והוא הופך לקטן.
- התערובת מתחממת - החלפה היא תגורה אקסותרמית.
תגורות מתכת וחומצה יש להן רשימה משלה: עפיפוף (היציאת מימן) והמוצק נמס. עם חמצן נחושת(II) או קרבונט וחומצה, הוספו שהתמיסה מתכהבת לכחול. לעולם אל תכתבו "שחרור מימן" כצפייה – לא ניתן לראות את הגז, רק בועות, לכן כתבו עפיפוף.
דוגמה פתורה. אבץ ואלומיניום נמצאים שניהם בצורת חמצנים. איזה מהם ניתן לחלץ בחימום עם פחמן, ולמה? מצאו את מקום כל מתכת ביחס לפחמן בסדרת הרגישות. אבץ נמצא מתחת לפחמן, ולכן הפחמן הוא הרגיש ביותר מבין השניים ויכול לשלוף את החמצן ממנו: חמצן האבץ מופחת בחימום עם פחמן. אלומיניום נמצא מעל הפחמן, ולכן הפחמן אינו רגיש מספיק כדי להחליפו, והאלומיניום חייב להיות מחולץ באמצעות אלקטרוליזה במקום זאת – ומכאן שמחיר החלצת האלומיניום גבוה בהרבה. הקו בסדרה שקובע את השיטה הוא של הפחמן, לא של ראש הרשימה.
המקרה המיוחד של אלומיניום
אלומיניום נראה פחות רגיש מהשורה שלו מעידה. הדבר נובע מכך שהוא מכוסה בשכבת חמצן דקה וחזקה שחוסמת חומרים אחרים מלהגיע למתכת התחתונה.