Substituție și seria metalelor

Într-o reacție de substituție, un element liber ia locul altui element dintr-un compus: $\mathrm{A}+\mathrm{BC}\to \mathrm{AC}+\mathrm{B}$. Metalele nu au aceeași reactivitate. Ordinea lor în seria reactivității este $\mathrm{K},\mathrm{Na},\mathrm{Ca},\mathrm{Mg},\mathrm{Al},\mathrm{Zn},\mathrm{Fe},\mathrm{Pb},(\mathrm{H}),\mathrm{Cu},\mathrm{Ag},\mathrm{Au}$: cu cât un metal este mai spre stânga, cu atât este mai reactiv. Hidrogenul din paranteză este reperul pentru reacțiile cu acizii.

• Metal și apă. Potasiul, sodiul și calciul reacționează cu apa la temperatura camerei și formează hidroxid și hidrogen: $2Na+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2NaOH+{\mathrm{H}}_2\uparrow$. Sodiul se păstrează sub petrol și nu se atinge cu mâna.
• Metal și acid. Metalele aflate înaintea hidrogenului scot hidrogenul din acidul clorhidric și din acidul sulfuric diluat: $\mathrm{Zn}+2HCl\to \mathrm{ZnC}{\mathrm{l}}_2+{\mathrm{H}}_2\uparrow$. Cuprul și argintul nu reacționează cu acești acizi.
• Metal și sare. Un metal mai reactiv scoate din soluția unei sări un metal mai puțin reactiv: $\mathrm{Fe}+\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4\to \mathrm{FeS}{\mathrm{O}}_4+\mathrm{Cu}$. Cuiul de fier se acoperă cu cupru roșcat, iar soluția albastră devine verzuie. Reacția $\mathrm{Cu}+2AgN{\mathrm{O}}_3\to \mathrm{Cu}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3{)}_2+2Ag$ are loc, dar reacția inversă nu.
• Aluminotermie. Aluminiul scoate din oxizi metalele mai puțin reactive, cu degajare mare de căldură: $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3+2Al\to \mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3+2Fe$. Fierul rezultă topit și servește la sudarea șinelor de cale ferată.

Hidrogenul degajat se recunoaște prin flacăra aprinsă apropiată de gura eprubetei: arde cu o mică pocnitură. Viteza reacției cu acidul arată reactivitatea: magneziul reacționează energic, zincul moderat, iar fierul lent. Soluția de sulfat de cupru este albastră, iar cea de sulfat de fier(II) este verzuie.

Primul exemplu rezolvat: ce volum de hidrogen, în condiții normale, se degajă din $5,4$ g aluminiu cu acid clorhidric în exces? Din $2Al+6HCl\to 2AlC{\mathrm{l}}_3+3{\mathrm{H}}_2$, $n(\mathrm{Al})=5,4/27=0,2$ mol dă $0,2\cdot 3/2=0,3$ mol ${\mathrm{H}}_2$, adică $0,3\cdot 22,4=6,72$ L.

Al doilea exemplu rezolvat: un cui de fier stă într-o soluție de sulfat de cupru până când se consumă $5,6$ g fier. Cum se schimbă masa cuiului?

1. Moli de fier consumat: $n=5,6/56=0,1$ mol.
2. Raportul din $\mathrm{Fe}+\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4\to \mathrm{FeS}{\mathrm{O}}_4+\mathrm{Cu}$ este $1:1$, deci se depun $0,1$ mol Cu, adică $0,1\cdot 64=6,4$ g.
3. Cuiul pierde $5,6$ g fier și câștigă $6,4$ g cupru: masa lui crește cu $6,4-5,6=0,8$ g.

Greșeli frecvente

• Greșit: Cuprul eliberează hidrogen din $\mathrm{HCl}$ diluat.
  Corect: cuprul este după hidrogen în seria reactivității și nu îl deplasează din acest acid.
• Greșit: Fierul nu poate deplasa cuprul din $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$, pentru că fierul este un metal cenușiu, iar cuprul unul roșcat.
  Corect: culoarea nu hotărăște reacția; contează poziția în serie, iar fierul este înaintea cuprului.
• Greșit: Sodiul introdus într-o soluție de $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$ depune cupru metalic.
  Corect: sodiul reacționează întâi cu apa din soluție, $2Na+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2NaOH+{\mathrm{H}}_2$, iar hidroxidul format precipită cuprul sub formă de $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2$ albastru.
• Greșit: Fierul scoate aluminiul din oxidul de aluminiu, deoarece fierul este mai ieftin.
  Corect: aluminiul este mai reactiv, deci scoate fierul din $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3$; reacția dintre $\mathrm{Fe}$ și $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$ nu are loc.

Înainte și după