Bài học

Kim loại tác dụng với nước và acid

Em sẽ làm được gì?

Học xong bài này, em dựa vào mức độ hoạt động của kim loại để dự đoán được kim loại nào phản ứng với nước ở nhiệt độ thường, kim loại nào phản ứng với dung dịch acid loãng, viết đúng phương trình và mô tả đúng hiện tượng quan sát được.

Cần nhớ trước

Em cần nhớ phản ứng kim loại với phi kim ở bài trước, cùng khái niệm acid, muối, khí hydrogen đã học ở Course 1.

Thả một mẩu sodium (Na) nhỏ bằng hạt gạo vào chậu nước, mẩu kim loại chạy lung tung trên mặt nước, tan dần kèm theo tiếng xèo xèo — phản ứng xảy ra rất nhanh dù không cần đun nóng. Nhưng nếu thả một chiếc đinh sắt vào cùng chậu nước, chẳng có gì xảy ra cả. Vì sao cùng là kim loại mà phản ứng với nước lại khác nhau đến vậy?

Ba nhóm kim loại theo mức độ phản ứng

Thực nghiệm cho thấy có thể chia các kim loại thường gặp thành ba nhóm theo khả năng phản ứng với nước và acid loãng:

Nhóm rất mạnh (K, Na, Ca, Ba…): phản ứng mãnh liệt với nước ngay ở nhiệt độ thường, tạo dung dịch kiềm và khí hydrogen. Nhóm này phản ứng nhanh và mạnh tới mức nếu thí nghiệm không cẩn thận (dùng mẩu kim loại quá lớn), phản ứng tỏa nhiệt có thể làm khí hydrogen bốc cháy.
Nhóm trung bình (Mg, Al, Zn, Fe, Pb…): không phản ứng với nước lạnh ở nhiệt độ thường (một số như Mg phản ứng rất chậm với nước nóng, nhưng ở mức Foundation ta coi như không đáng kể), nhưng phản ứng được với dung dịch acid loãng (HCl, H₂SO₄ loãng), tạo muối và giải phóng khí hydrogen.
Nhóm yếu (Cu, Ag, Au…): không phản ứng với cả nước lẫn acid loãng, dù để lâu trong hai môi trường này cũng không có hiện tượng gì — đây cũng là lí do các đồ trang sức, tượng bằng kim loại quý bền theo thời gian.

Đây là bản rút gọn (same-grade bridge) của một công cụ đầy đủ và mạnh hơn nhiều — dãy hoạt động hóa học — mà em sẽ học chi tiết ngay ở chương sau, nơi ba nhóm thô này được chia nhỏ chính xác đến từng kim loại một.

Thực nghiệm cho thấy có thể chia các kim loại thường gặp thành ba nhóm theo khả năng phản ứng với nước và acid loãng: - **Nhóm rất mạnh** (K, Na, Ca, Ba…): phản ứng mãnh liệt với nước ngay ở nhiệt độ thường, tạo dung dịch kiềm và khí hydrogen. Nhóm này phản ứng nhanh và mạnh tới mức nếu thí nghiệm không cẩn thận (dùng mẩu kim loại quá lớn), phản ứng tỏa nhiệt có thể làm khí hydrogen bốc cháy. - **Nhóm trung bình** (Mg, Al, Zn, Fe, Pb…): không phản ứng với nước lạnh ở nhiệt độ thường (một số như Mg phản ứng rất chậm với nước nóng, nhưng ở mức Foundation ta coi như không đáng kể), nhưng phản ứng được với dung dịch acid loãng (HCl, H₂SO₄ loãng), tạo muối và giải phóng khí hydrogen. - **Nhóm yếu** (Cu, Ag, Au…): không phản ứng với cả nước lẫn acid loãng, dù để lâu trong hai môi trường này cũng không có hiện tượng gì — đây cũng là lí do các đồ trang sức, tượng bằng kim loại quý bền theo thời gian. Đây là bản rút gọn (same-grade bridge) của một công cụ đầy đủ và mạnh hơn nhiều — dãy hoạt động hóa học — mà em sẽ học chi tiết ngay ở chương sau, nơi ba nhóm thô này được chia nhỏ chính xác đến từng kim loại một.

Ba nhóm này là bản xem trước của dãy hoạt động hóa học đầy đủ, sẽ học ở chương sau.

Cách phân nhóm này cũng lí giải một hiện tượng quen thuộc trong đời sống: các vật dụng bằng vàng, bạc gần như không đổi màu hay hư hỏng dù tiếp xúc lâu với mồ hôi (có tính acid nhẹ) hoặc để ngoài trời mưa, trong khi đồ dùng bằng sắt lại nhanh gỉ, xuống cấp nếu không được bảo quản. Đó chính là hệ quả trực tiếp của việc vàng, bạc thuộc nhóm yếu (không phản ứng với các tác nhân thông thường), còn sắt thuộc nhóm trung bình, vẫn có thể phản ứng chậm với các chất có tính acid yếu trong môi trường.

Phương trình và hiện tượng

Với nước (nhóm rất mạnh): kim loại tan ra, sủi bọt khí không màu (H₂), dung dịch làm quỳ tím hóa xanh (do tạo kiềm):

$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$

Với acid loãng (nhóm trung bình): kim loại tan dần, sủi bọt khí không màu (H₂), thu được dung dịch muối:

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$

Kim loại yếu (Cu…) cho vào cả nước lẫn acid loãng đều không có hiện tượng gì.

Với nước (nhóm rất mạnh): kim loại tan ra, sủi bọt khí không màu (H₂), dung dịch làm quỳ tím hóa xanh (do tạo kiềm): $$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$$ Với acid loãng (nhóm trung bình): kim loại tan dần, sủi bọt khí không màu (H₂), thu được dung dịch muối: $$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$$ Kim loại yếu (Cu…) cho vào cả nước lẫn acid loãng đều không có hiện tượng gì.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Sodium tác dụng với nước

1
Cho một mẩu sodium nhỏ bằng hạt gạo vào cốc nước có vài giọt quỳ tím. Nêu hiện tượng quan sát được, giải thích và viết phương trình hóa học.
2
Na thuộc nhóm rất mạnh (đứng trước cả Ca, Mg trong mức độ hoạt động) nên phản ứng ngay với nước ở nhiệt độ thường mà không cần đun nóng hay xúc tác.
3
Mẩu Na nóng chảy thành giọt tròn nhỏ do phản ứng tỏa nhiệt mạnh, chạy nhanh trên mặt nước theo mọi hướng, tan dần và biến mất hoàn toàn, đồng thời có bọt khí không màu thoát ra liên tục; quỳ tím trong cốc chuyển từ tím sang màu xanh.
4
Quỳ tím hóa xanh vì sản phẩm sinh ra là NaOH — một dung dịch kiềm (base) mạnh, mà kiềm luôn làm quỳ tím chuyển xanh.
5
$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$
$$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$$

Ví dụ

Ví dụ 2 — So sánh Zn và Cu với dung dịch HCl

1
Cho miếng kẽm và miếng đồng có cùng kích thước vào hai ống nghiệm chứa dung dịch HCl loãng như nhau. Nêu hiện tượng khác nhau ở hai ống nghiệm và giải thích vì sao.
2
Zn thuộc nhóm trung bình (đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động) nên phản ứng được với HCl loãng: quan sát thấy sủi bọt khí không màu liên tục trên bề mặt miếng kẽm, miếng kẽm nhỏ dần rồi tan hết theo thời gian, ống nghiệm hơi ấm lên do phản ứng tỏa nhiệt. $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$ .
Zn thuộc nhóm trung bình (đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động) nên phản ứng được với HCl loãng: quan sát thấy sủi bọt khí không màu liên tục trên bề mặt miếng kẽm, miếng kẽm nhỏ dần rồi tan hết theo thời gian, ống nghiệm hơi ấm lên do phản ứng tỏa nhiệt. $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$.
3
Cu thuộc nhóm yếu (đứng sau hydrogen) nên không phản ứng với HCl loãng dù để bao lâu: không có bọt khí, không có hiện tượng tan hay đổi màu, miếng đồng vẫn nguyên vẹn như ban đầu.
4
Cùng một loại acid, cùng nồng độ, cùng thời gian, nhưng hai kim loại cho kết quả hoàn toàn khác nhau — điều này do vị trí của chúng so với hydrogen trong nhóm mức độ hoạt động, chứ không do yếu tố nào khác của thí nghiệm.

Ba nhóm kim loại vừa học sẽ theo em xuyên suốt cả khóa: mỗi khi gặp một kim loại mới trong đề bài, thói quen đầu tiên nên hình thành là tự hỏi “kim loại này thuộc nhóm rất mạnh, trung bình, hay yếu?” trước khi quyết định viết phương trình hay tính toán bất cứ điều gì — thói quen này sẽ được rèn luyện chính xác hơn nữa khi em học đầy đủ dãy hoạt động hóa học ở chương tiếp theo.

Luyện tập

Lỗi thường gặp

Đừng nhầm không phản ứng với nước lạnh thành không phản ứng gì cả. Mg, Al, Zn, Fe không phản ứng với nước ở nhiệt độ thường, nhưng vẫn phản ứng tốt với dung dịch acid loãng — hai phép thử này là khác nhau.

Ghi nhớ

Ba nhóm kim loại cần nhớ: rất mạnh (K, Na, Ca…) phản ứng với nước; trung bình (Mg, Al, Zn, Fe…) chỉ phản ứng với acid loãng; yếu (Cu, Ag, Au) không phản ứng với cả hai. Đây mới là bản rút gọn — dãy hoạt động hóa học đầy đủ sẽ chi tiết hơn nhiều.

Ba nhóm này thực ra chỉ là một góc nhìn thu nhỏ của một công cụ đầy đủ và chính xác hơn nhiều: dãy hoạt động hóa học của kim loại — chủ đề trọng tâm của chương tiếp theo.