úvod
Do troch skúmaviek so zriedenou kyselinou chlorovodíkovou vhoď kúsok zinku, horčíkovej pásky a železa, do štvrtej kúsok medi. Horčík búrlivo šumí a skúmavka sa zohreje, zinok šumí ochotne, železo pomalšie a meď zostane bez zmeny. Plyn, ktorý uniká, je vodík. Kovy sa zjavne líšia tým, ako ochotne odovzdávajú elektróny. V tejto lekcii ich zoradíš a naučíš sa z poradia predpovedať, či reakcia prebehne.
Bezpečnosť pri laboratórnej práci. Kyselina chlorovodíková je žieravá, pracuj v ochranných okuliaroch a rukaviciach a kyselinu nalievaj opatrne. Vodík je horľavý, nepribližuj skúmavky k plameňu. Ako sa vodík dokazuje a zbiera, ukazuje lekcia Vodík.
teória
Kovy a kyseliny
Zinok so zriedenou kyselinou chlorovodíkovou reaguje podľa rovnice Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂. Je to redoxná reakcia: zinok odovzdá dva elektróny a oxiduje sa na Zn²⁺, vodíkové katióny ich prijmú a redukujú sa na plynný vodík. Ako sa redoxná reakcia spozná, ukazuje lekcia Oxidácia a redukcia. Meď elektróny vodíkovým katiónom neodovzdá, je to ušľachtilý kov.
teória
Rad napätia kovov
Kovy sa dajú zoradiť podľa toho, ako ochotne odovzdávajú elektróny. Tomuto poradiu sa hovorí rad napätia kovov alebo podľa ruského chemika Nikolaja Beketova Beketovov rad. Niekde sa volá aj rad reaktivity kovov. Medzi kovy sa do neho zaraďuje aj vodík:
K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, H, Cu, Ag, Au
Čím viac vľavo kov stojí, tým ochotnejšie odovzdáva elektróny a tým je reaktívnejší. Kovy pred vodíkom sú neušľachtilé, kovy za vodíkom sú ušľachtilé. Z radu plynú dve pravidlá, ktoré poznáš už z lekcie Oxidy a reaktivita kovov:
- Neušľachtilé kovy uvoľňujú vodík zo zriedených kyselín, ušľachtilé nie.
- Kov vytesní z roztoku soli každý kov, ktorý stojí v rade za ním. Železný klinec v modrej skalici sa pokryje meďou: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Medený drôt v roztoku síranu železnatého zostane bez zmeny.
vyskúšaj si
Vytesní kov iný kov?
Ponor kov do roztoku: zreaguje? Klikni na políčko a tipni si.
0 / 0| CuSO₄ | AgNO₃ | ZnSO₄ | FeSO₄ | HCl | |
|---|---|---|---|---|---|
| Mg horčík | |||||
| Zn zinok | |||||
| Fe železo | |||||
| Cu meď | |||||
| Ag striebro |
Pravidlo: kov vytesní z roztoku soli každý kov, ktorý je v rade vpravo od neho. Kovy vľavo od vodíka vytesňujú vodík z kyselín.
Vytesňovanie kovov uvidíš aj v pokusoch. Na medenom drôte v roztoku dusičnanu strieborného rastú trblietavé kryštáliky striebra v pokuse Strieborný strom. Kvapka tekutého kovu sa sama rozbehne po miske s meďnatými iónmi v pokuse Galistan a jeho pohyb. Najreaktívnejšie kovy zo začiatku radu reagujú už s vodou, ako ukazujú pokusy Sodík s vodou a Draslík s vodou.
Vytesňovanie sa kedysi využívalo aj v baníctve. Banské vody na východnom Slovensku, napríklad v Smolníku, obsahovali rozpustené meďnaté ióny. Baníci do nich ukladali železný šrot a na ňom sa vylučovala takzvaná cementačná meď, presne ako na klinci v modrej skalici.
teória
Rýdze kovy v prírode
Rad napätia vysvetľuje aj to, v akej podobe kovy nájdeme v prírode. Ušľachtilé kovy na konci radu, zlato a platina, niekedy aj striebro a meď, sa vyskytujú ako rýdze kovy. Takmer nereagujú s kyslíkom ani so sírou, a tak zostali kovmi milióny rokov. Kovy zo začiatku radu, ako sodík, hliník či železo, nájdeme len v zlúčeninách, v rudách a mineráloch. Aby sme z nich získali kov, treba ich zredukovať, a to tým ťažšie, čím viac vľavo kov stojí. O tom je lekcia Výroba kovov na konci kapitoly.
teória
Prečo „rad napätia“
Keď ponoríš kov do roztoku jeho iónov, na rozhraní kovu a roztoku vznikne elektrické napätie. Pri každom kove je iné. Keď spojíš dva rôzne kovy v roztokoch drôtom, začne medzi nimi tiecť prúd. Tak funguje galvanický článok, napríklad batéria z citróna, zinku a medi. Čím ďalej sú od seba kovy v rade, tým vyššie napätie článok dá. Odtiaľ pochádza názov rad napätia.
Rad si ľahko zapamätáš po skupinách: najprv veľmi reaktívne kovy, ktoré reagujú s vodou (K, Ca, Na), potom ľahké kovy (Mg, Al), potom bežné úžitkové kovy (Zn, Fe, Pb), za nimi vodík a nakoniec ušľachtilé kovy, z ktorých sa robia drôty, šperky a mince (Cu, Ag, Au). Pri každej úlohe sa pýtaj: je kov, ktorý elektróny odovzdáva, v rade pred tým, ktorý ich má prijať?
Štandardný elektródový potenciál
Napätie jednej elektródy sa samo osebe zmerať nedá, vždy meriame rozdiel medzi dvoma elektródami. Chemici sa preto dohodli na porovnávacej elektróde. Štandardná vodíková elektróda je platinový plech pokrytý jemnou platinou, ponorený do roztoku kyseliny s c(H⁺) = 1 mol/dm³ a obtekaný vodíkom pri tlaku 101,325 kPa a teplote 25 °C. Jej potenciál je dohodou 0 V. Napätie, ktoré voči nej ukáže iná dvojica za štandardných podmienok, je jej štandardný elektródový potenciál E°.
| dvojica | E° (V) | dvojica | E° (V) |
|---|---|---|---|
| Li⁺/Li | −3,04 | Pb²⁺/Pb | −0,13 |
| K⁺/K | −2,93 | 2 H⁺/H₂ | 0,00 |
| Ca²⁺/Ca | −2,87 | Cu²⁺/Cu | +0,34 |
| Na⁺/Na | −2,71 | I₂/2 I⁻ | +0,54 |
| Mg²⁺/Mg | −2,37 | Ag⁺/Ag | +0,80 |
| Al³⁺/Al | −1,66 | Br₂/2 Br⁻ | +1,07 |
| Zn²⁺/Zn | −0,76 | Cl₂/2 Cl⁻ | +1,36 |
| Fe²⁺/Fe | −0,44 | Au³⁺/Au | +1,50 |
| Ni²⁺/Ni | −0,26 | F₂/2 F⁻ | +2,87 |
Pravidlo je jednoduché: oxidovaná forma dvojice s kladnejším potenciálom oxiduje redukovanú formu dvojice so zápornejším potenciálom. Ióny Cu²⁺ (+0,34 V) oxidujú zinok (−0,76 V), ióny Zn²⁺ meď neoxidujú. Ióny Ag⁺ (+0,80 V) oxidujú meď, a preto rastie strieborný strom. Rovnako to platí pre halogény: chlór (+1,36 V) oxiduje bromidy aj jodidy, bróm len jodidy. Ako sa halogény navzájom vytesňujú, ukazuje lekcia Prvky v skupinách. Na SŠ ukazuje hra hore potenciály pod každou značkou a v každom vysvetlení ich porovná.
Oxidačné kyseliny a pasivácia
Ušľachtilé kovy z kyselín vodík neuvoľnia, no niektoré kyseliny ich predsa rozpustia. V oxidačných kyselinách nie sú oxidovadlom ióny H⁺, ale atóm s vysokým oxidačným číslom:
- Cu + 4 HNO₃ (konc.) → Cu(NO₃)₂ + 2 NO₂ + 2 H₂O, uniká hnedý oxid dusičitý, ako ukazuje pokus Meď s kyselinou dusičnou,
- Cu + 2 H₂SO₄ (konc., horúca) → CuSO₄ + SO₂ + 2 H₂O, uniká oxid siričitý.
Zlato nerozpustí ani jedna z nich. Rozpustí ho až lúčavka kráľovská, zmes koncentrovanej kyseliny chlorovodíkovej a dusičnej v pomere 3 : 1. Kyselina dusičná zlato oxiduje a chloridové anióny ho hneď viažu do pevného komplexu.
Niektoré neušľachtilé kovy sa naopak v koncentrovanej kyseline dusičnej pasivujú. Železo, hliník a chróm sa pokryjú tenkou súvislou vrstvou oxidu, ktorá ich chráni pred ďalšou reakciou. Tomuto javu sa hovorí pasivácia. Preto sa koncentrovaná kyselina dusičná môže prevážať v hliníkových cisternách. Aj na vzduchu chráni hliník vrstva oxidu: s roztokom CuSO₄ reaguje hliník len veľmi pomaly, kým chloridové anióny vrstvu narušia a s CuCl₂ alebo HCl reaguje rýchlo, ako ukazuje pokus Tancujúce plamene.
Čo potenciál nepovie
Potenciál hovorí, či reakcia môže prebehnúť, nie ako rýchlo. Lítium má najzápornejší potenciál zo všetkých kovov, a predsa reaguje s vodou pokojnejšie ako draslík. Draslík sa pri reakcii roztopí a zapáli sa, lítium s vyššou teplotou topenia zostane tuhé. Pozor aj na alkalické kovy vo vodných roztokoch solí: sodík vhodený do modrej skalice meď nevytesní, lebo najprv zreaguje s vodou na hydroxid sodný a vodík. Vznikne modrá zrazenina hydroxidu meďnatého.
rozšírenie Nobelove medaily v lúčavke kráľovskej
V apríli 1940 obsadilo Dánsko nemecké vojsko. V kodanskom ústave fyzika Nielsa Bohra boli v úschove zlaté Nobelove medaily dvoch nemeckých fyzikov, Maxa von Laue a Jamesa Francka, ktorí ich tam poslali, aby ich nacistický režim nezhabal. Vyvážať zlato z Nemecka bolo zakázané a mená na medailách by oboch prezradili.
Maďarský chemik George de Hevesy, ktorý v ústave pracoval, obe medaily rozpustil v lúčavke kráľovskej. Fľaša s oranžovým roztokom potom celú vojnu stála na polici medzi ostatnými chemikáliami a nikto si ju nevšimol. Po vojne de Hevesy zlato z roztoku znova vyzrážal a Nobelova nadácia z neho medaily vyrazila nanovo. Zlato, ktoré odolá všetkým bežným kyselinám, tak zachránila práve kyselina.
teória
Časté chyby
- „Ušľachtilý kov nereaguje s ničím.“ Meď sa rozpustí v kyseline dusičnej a striebro na vzduchu so sulfánom černie. Ušľachtilé kovy len neuvoľňujú vodík zo zriedených kyselín.
- „Hliník je ušľachtilý, lebo nehrdzavie.“ Hliník je neušľachtilý a veľmi reaktívny. Pred koróziou ho chráni tenká vrstva oxidu na povrchu.
- „Každý kov pred vodíkom reaguje aj s vodou.“ S vodou za studena reagujú len najreaktívnejšie kovy zo začiatku radu. Horčík reaguje až s horúcou vodou a železo hrdzavie len s vodou a kyslíkom spolu.
- „Sodík vytesní meď z roztoku modrej skalice.“ Sodík zreaguje najprv s vodou. Vytesňovanie z roztokov solí funguje pre kovy, ktoré s vodou nereagujú, napríklad zinok a železo.
- „Z potenciálu vidno, ako rýchlo reakcia prebehne.“ Potenciál hovorí len o tom, či je reakcia možná. Rýchlosť závisí od iných vecí.
Ako z dvoch kovov s rôznym potenciálom vyrobiť zdroj elektrického prúdu, ukazuje lekcia Galvanický článok.