Bài học

Dãy hoạt động hoá học kim loại và ứng dụng dự đoán phản ứng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em trình bày được dãy hoạt động hoá học của một số kim loại thường gặp, liên hệ được dãy này với dãy thế điện cực chuẩn đã học, và dùng dãy hoạt động để dự đoán, giải thích chiều của phản ứng thế kim loại – kim loại và kim loại – acid, kể cả trong bài toán hỗn hợp nhiều kim loại, nhiều muối.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 6, em đã học pin điện hoá Zn–Cu và biết $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V lớn hơn $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V, nên Zn đóng vai trò cực âm bị oxi hoá, còn $Cu^{2+}$ bị khử ở cực dương. Bài trước vừa cho em thấy ba nhóm phản ứng hoá học của kim loại đều phụ thuộc "mức độ hoạt động" của từng kim loại. Bài này chính thức định nghĩa và hệ thống hoá khái niệm đó.

Khởi động

Nhắc lại pin Zn–Cu: khi nối hai điện cực bằng dây dẫn, Zn tan dần, còn Cu bám lên điện cực đồng. Nếu bỏ luôn cầu muối, dây dẫn, vôn kế — chỉ đơn giản thả một thanh Zn trực tiếp vào dung dịch $CuSO_4$ — điều gì sẽ xảy ra, và phương trình hoá học viết ra có khác gì phương trình của pin điện hoá không?

Kiến thức trọng tâm

Dãy hoạt động hoá học kim loại là một danh sách các kim loại được sắp xếp theo chiều giảm dần tính khử — nói cách khác, theo chiều tăng dần thế điện cực chuẩn $E^\circ$ mà em đã học ở Course 6. Dãy quen thuộc và đủ dùng ở cấp độ phổ thông là: K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au. Đây không phải một danh sách cần học thuộc một cách máy móc — nó chính là hệ quả trực tiếp của dãy $E^\circ$ : kim loại càng đứng trước trong dãy thì $E^\circ$ của cặp $M^{n+}/M$ càng âm (hoặc càng nhỏ), tức là càng dễ nhường electron, càng có tính khử mạnh.

Dãy hoạt động hoá học kim loại là một danh sách các kim loại được sắp xếp theo chiều giảm dần tính khử — nói cách khác, theo chiều tăng dần thế điện cực chuẩn $E^\circ$ mà em đã học ở Course 6. Dãy quen thuộc và đủ dùng ở cấp độ phổ thông là: K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au. Đây không phải một danh sách cần học thuộc một cách máy móc — nó chính là hệ quả trực tiếp của dãy $E^\circ$: kim loại càng đứng trước trong dãy thì $E^\circ$ của cặp $M^{n+}/M$ càng âm (hoặc càng nhỏ), tức là càng dễ nhường electron, càng có tính khử mạnh.

Từ dãy hoạt động, ta rút ra ba quy tắc dự đoán phản ứng. Thứ nhất, kim loại đứng trước đẩy được kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối của nó — đây chính là điều kiện của phản ứng thế mà bài trước đã dùng. Thứ hai, các kim loại đứng trước hydrogen trong dãy đẩy được $H$ ra khỏi dung dịch acid loãng, giải phóng khí $H_2$ ; các kim loại đứng sau H (Cu, Hg, Ag, Pt, Au) thì không. Thứ ba, riêng nhóm kim loại đứng trước Mg trong dãy — K, Ba, Ca, Na — phản ứng rất mạnh với nước ngay ở nhiệt độ thường, tạo dung dịch base và khí $H_2$ ; vì vậy khi các kim loại này được cho vào dung dịch muối, chúng ưu tiên phản ứng với nước có trong dung dịch trước, chứ không trực tiếp đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi muối như quy tắc thứ nhất.

Từ dãy hoạt động, ta rút ra ba quy tắc dự đoán phản ứng. Thứ nhất, kim loại đứng trước đẩy được kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối của nó — đây chính là điều kiện của phản ứng thế mà bài trước đã dùng. Thứ hai, các kim loại đứng trước hydrogen trong dãy đẩy được $H$ ra khỏi dung dịch acid loãng, giải phóng khí $H_2$; các kim loại đứng sau H (Cu, Hg, Ag, Pt, Au) thì không. Thứ ba, riêng nhóm kim loại đứng trước Mg trong dãy — K, Ba, Ca, Na — phản ứng rất mạnh với nước ngay ở nhiệt độ thường, tạo dung dịch base và khí $H_2$; vì vậy khi các kim loại này được cho vào dung dịch muối, chúng ưu tiên phản ứng với nước có trong dung dịch trước, chứ không trực tiếp đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi muối như quy tắc thứ nhất.

Nhìn theo góc độ $E^\circ$ , ba quy tắc trên thực chất chỉ là một quy tắc duy nhất: chất khử mạnh hơn (kim loại có $E^\circ$ nhỏ hơn) sẽ khử được chất oxi hoá của cặp có $E^\circ$ lớn hơn. Việc vừa học dãy hoạt động vừa nhớ lại dãy $E^\circ$ giúp em không cần học thuộc máy móc thứ tự các kim loại — chỉ cần hiểu bản chất, thứ tự đó tự nhiên mà ra.

Nhìn theo góc độ $E^\circ$, ba quy tắc trên thực chất chỉ là một quy tắc duy nhất: chất khử mạnh hơn (kim loại có $E^\circ$ nhỏ hơn) sẽ khử được chất oxi hoá của cặp có $E^\circ$ lớn hơn. Việc vừa học dãy hoạt động vừa nhớ lại dãy $E^\circ$ giúp em không cần học thuộc máy móc thứ tự các kim loại — chỉ cần hiểu bản chất, thứ tự đó tự nhiên mà ra.

E^\circ

càng nhỏ (càng âm), tính khử của kim loại càng mạnh — đúng thứ tự K > Zn > Fe > Cu > Ag trong dãy hoạt động hoá học.$E^\circ$ càng nhỏ (càng âm), tính khử của kim loại càng mạnh — đúng thứ tự K > Zn > Fe > Cu > Ag trong dãy hoạt động hoá học.

Ví dụ

Sắp xếp bốn kim loại theo chiều tăng dần tính khử dựa vào

E^\circ

Sắp xếp bốn kim loại theo chiều tăng dần tính khử dựa vào $E^\circ$

1
Cho thế điện cực chuẩn: $E^\circ(Ag^+/Ag) = +0{,}80$ V; $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V; $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44$ V; $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V. Sắp xếp bốn kim loại Ag, Cu, Fe, Zn theo chiều tăng dần tính khử.
Cho thế điện cực chuẩn: $E^\circ(Ag^+/Ag) = +0{,}80$ V; $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V; $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44$ V; $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V. Sắp xếp bốn kim loại Ag, Cu, Fe, Zn theo chiều tăng dần tính khử.
2
$E^\circ$ càng nhỏ (càng âm) thì kim loại càng dễ nhường electron, tức tính khử càng mạnh — vậy tính khử tăng dần khi $E^\circ$ giảm dần.
$E^\circ$ càng nhỏ (càng âm) thì kim loại càng dễ nhường electron, tức tính khử càng mạnh — vậy tính khử tăng dần khi $E^\circ$ giảm dần.
3
$E^\circ$ giảm dần: Ag ( $+0{,}80$ ) > Cu ( $+0{,}34$ ) > Fe ( $-0{,}44$ ) > Zn ( $-0{,}76$ ).
$E^\circ$ giảm dần: Ag ($+0{,}80$) > Cu ($+0{,}34$) > Fe ($-0{,}44$) > Zn ($-0{,}76$).
4
Vậy chiều tăng dần tính khử là: Ag < Cu < Fe < Zn — đúng như thứ tự các kim loại này xuất hiện trong dãy hoạt động hoá học đã học (Zn đứng trước Fe, Fe đứng trước Cu, Cu đứng trước Ag).

Ví dụ

Xác định thứ tự phản ứng và tính lượng chất khi hỗn hợp kim loại tác dụng hỗn hợp muối

1
Cho hỗn hợp bột gồm 0,1 mol Zn và 0,1 mol Fe vào dung dịch chứa đồng thời 0,15 mol $AgNO_3$ và 0,1 mol $Cu(NO_3)_2$ . Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, xác định thành phần (số mol) chất rắn thu được, biết Zn hoạt động mạnh hơn Fe, Fe hoạt động mạnh hơn Cu, Cu hoạt động mạnh hơn Ag.
Cho hỗn hợp bột gồm 0,1 mol Zn và 0,1 mol Fe vào dung dịch chứa đồng thời 0,15 mol $AgNO_3$ và 0,1 mol $Cu(NO_3)_2$. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, xác định thành phần (số mol) chất rắn thu được, biết Zn hoạt động mạnh hơn Fe, Fe hoạt động mạnh hơn Cu, Cu hoạt động mạnh hơn Ag.
2
Chất khử mạnh nhất trong hỗn hợp kim loại (Zn) phản ứng trước với chất oxi hoá mạnh nhất trong dung dịch ( $Ag^+$ ); theo dãy hoạt động, thứ tự các kim loại phản ứng là Zn rồi đến Fe, còn thứ tự các ion bị khử là $Ag^+$ rồi đến $Cu^{2+}$ .
Chất khử mạnh nhất trong hỗn hợp kim loại (Zn) phản ứng trước với chất oxi hoá mạnh nhất trong dung dịch ($Ag^+$); theo dãy hoạt động, thứ tự các kim loại phản ứng là Zn rồi đến Fe, còn thứ tự các ion bị khử là $Ag^+$ rồi đến $Cu^{2+}$.
3
$Zn + 2Ag^+ \to Zn^{2+} + 2Ag\downarrow$ . Với 0,1 mol Zn cần $0{,}2$ mol $Ag^+$ , nhưng chỉ có $0{,}15$ mol $Ag^+$ nên $Ag^+$ hết trước, Zn chỉ phản ứng $0{,}075$ mol (dùng hết $0{,}15$ mol $Ag^+$ ), còn dư $0{,}025$ mol Zn chưa phản ứng.
$Zn + 2Ag^+ \to Zn^{2+} + 2Ag\downarrow$. Với 0,1 mol Zn cần $0{,}2$ mol $Ag^+$, nhưng chỉ có $0{,}15$ mol $Ag^+$ nên $Ag^+$ hết trước, Zn chỉ phản ứng $0{,}075$ mol (dùng hết $0{,}15$ mol $Ag^+$), còn dư $0{,}025$ mol Zn chưa phản ứng.
4
$Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu\downarrow$ . Với $0{,}025$ mol Zn dư, phản ứng được với $0{,}025$ mol $Cu^{2+}$ , sinh ra $0{,}025$ mol Cu; khi đó Zn đã phản ứng hết, còn dư $0{,}1 - 0{,}025 = 0{,}075$ mol $Cu^{2+}$ trong dung dịch. Fe chưa hề phản ứng ở hai bước trên, vì Zn (kim loại mạnh hơn) luôn được ưu tiên dùng hết lượng $Ag^+$ và một phần $Cu^{2+}$ trước — xét tiếp Fe với $Cu^{2+}$ còn dư.
$Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu\downarrow$. Với $0{,}025$ mol Zn dư, phản ứng được với $0{,}025$ mol $Cu^{2+}$, sinh ra $0{,}025$ mol Cu; khi đó Zn đã phản ứng hết, còn dư $0{,}1 - 0{,}025 = 0{,}075$ mol $Cu^{2+}$ trong dung dịch. Fe chưa hề phản ứng ở hai bước trên, vì Zn (kim loại mạnh hơn) luôn được ưu tiên dùng hết lượng $Ag^+$ và một phần $Cu^{2+}$ trước — xét tiếp Fe với $Cu^{2+}$ còn dư.
5
$Fe + Cu^{2+} \to Fe^{2+} + Cu\downarrow$ . Còn $0{,}075$ mol $Cu^{2+}$ , Fe có $0{,}1$ mol nên $Cu^{2+}$ phản ứng hết, sinh thêm $0{,}075$ mol Cu; Fe dư lại $0{,}1 - 0{,}075 = 0{,}025$ mol.
$Fe + Cu^{2+} \to Fe^{2+} + Cu\downarrow$. Còn $0{,}075$ mol $Cu^{2+}$, Fe có $0{,}1$ mol nên $Cu^{2+}$ phản ứng hết, sinh thêm $0{,}075$ mol Cu; Fe dư lại $0{,}1 - 0{,}075 = 0{,}025$ mol.
6
Vậy chất rắn sau phản ứng gồm: Ag $0{,}15$ mol, Cu $0{,}025 + 0{,}075 = 0{,}1$ mol, và Fe dư $0{,}025$ mol; toàn bộ Zn và toàn bộ $Ag^+$ , $Cu^{2+}$ trong dung dịch đã phản ứng hết. Bài toán kiểu này luôn giải theo đúng thứ tự ưu tiên của dãy hoạt động, xét lần lượt từng cặp cho đến khi một trong hai chất hết.
Vậy chất rắn sau phản ứng gồm: Ag $0{,}15$ mol, Cu $0{,}025 + 0{,}075 = 0{,}1$ mol, và Fe dư $0{,}025$ mol; toàn bộ Zn và toàn bộ $Ag^+$, $Cu^{2+}$ trong dung dịch đã phản ứng hết. Bài toán kiểu này luôn giải theo đúng thứ tự ưu tiên của dãy hoạt động, xét lần lượt từng cặp cho đến khi một trong hai chất hết.

Sai lầm thường gặp

Khi gặp bài toán hỗn hợp nhiều kim loại và nhiều ion kim loại, nhiều học sinh cho cả hai kim loại phản ứng đồng thời với cả hai ion theo tỉ lệ tuỳ ý, bỏ qua thứ tự ưu tiên của dãy hoạt động. Cách làm đúng luôn là: kim loại mạnh nhất phản ứng hết với ion oxi hoá mạnh nhất trước, rồi mới đến các cặp yếu hơn, theo đúng trình tự như ví dụ trên.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Dãy hoạt động hoá học K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au sắp xếp theo chiều giảm dần tính khử (tăng dần $E^\circ$ ). Kim loại đứng trước đẩy được kim loại đứng sau khỏi dung dịch muối và đẩy được H khỏi acid loãng; riêng K, Ba, Ca, Na phản ứng với nước trước khi gặp dung dịch muối. Với bài toán hỗn hợp, luôn xét thứ tự ưu tiên phản ứng theo đúng dãy.

Dãy hoạt động hoá học K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au sắp xếp theo chiều giảm dần tính khử (tăng dần $E^\circ$). Kim loại đứng trước đẩy được kim loại đứng sau khỏi dung dịch muối và đẩy được H khỏi acid loãng; riêng K, Ba, Ca, Na phản ứng với nước trước khi gặp dung dịch muối. Với bài toán hỗn hợp, luôn xét thứ tự ưu tiên phản ứng theo đúng dãy.

Dãy hoạt động hoá học vừa học không chỉ dự đoán phản ứng — nó còn giải thích vì sao một số kim loại gỉ rất nhanh còn số khác gần như không gỉ, và quyết định phương pháp bảo vệ kim loại phù hợp. Chương tiếp theo dùng chính dãy này để phân tích hiện tượng ăn mòn kim loại.