Μέταλλα — Απλή Αντικατάσταση
Μέταλλα και αμέταλλα, κοινές ιδιότητες των μετάλλων, ο σίδηρος σε διάλυμα θειικού χαλκού, δραστικότητα
Μπορεί ένα καρφί να «ντυθεί» χαλκό;
Βύθισε ένα σιδερένιο καρφί σε μπλε διάλυμα θειικού χαλκού. Σε λίγα λεπτά το βυθισμένο κομμάτι γίνεται καστανοκόκκινο — επιχαλκώθηκε — και το διάλυμα αρχίζει να πρασινίζει. Δεν είναι μαγεία: ο σίδηρος «έδιωξε» τον χαλκό από το διάλυμα, γιατί είναι πιο δραστικός. Από την Εποχή του Χαλκού ως σήμερα, τα μέταλλα έχουν σημαδέψει την ιστορία μας.
Μέταλλα και αμέταλλα
Τα μέταλλα βρίσκονται στο αριστερό (και μεγαλύτερο) τμήμα του περιοδικού πίνακα. Είναι μη ανανεώσιμοι φυσικοί πόροι και στον φλοιό της Γης βρίσκονται συνήθως ως ενώσεις με οξυγόνο ή θείο. Τα μη δραστικά μέταλλα, όπως ο άργυρος και ο χρυσός, βρίσκονται και ελεύθερα (αυτοφυή).
Κοινές ιδιότητες των μετάλλων
Είναι στερεά (εκτός από τον υδράργυρο, που είναι υγρός), γενικά αργυρόλευκα (ο χρυσός κιτρινωπός, ο χαλκός κοκκινωπός) με μεταλλική λάμψη, και:
- έχουν μεγάλες πυκνότητες,
- έχουν υψηλά σημεία τήξης και βρασμού,
- είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού,
- είναι ελατά (δίνουν ελάσματα) και όλκιμα (δίνουν σύρματα).
Εξαιρέσεις: λίθιο, νάτριο, κάλιο έχουν πολύ μικρή πυκνότητα· ο υδράργυρος έχει χαμηλό σημείο τήξης.
Τι σημαίνει ότι ένα μέταλλο είναι όλκιμο;
Η απλή αντικατάσταση: σίδηρος σε θειικό χαλκό
Πείραμα: σε ποτήρι με μπλε διάλυμα θειικού χαλκού () βάζουμε ένα σιδερένιο καρφί, ώστε ένα μέρος του να εξέχει.
Παρατηρήσεις: μετά από λίγα λεπτά
- το βυθισμένο μέρος του καρφιού γίνεται καστανοκόκκινο — επιχαλκώνεται,
- το διάλυμα χάνει σιγά σιγά το μπλε του και αποκτά πρασινωπή απόχρωση.
Εξήγηση: το μπλε χρώμα οφείλεται στα ιόντα χαλκού. Ο σίδηρος αντικαθιστά τον χαλκό στο διάλυμα: σχηματίζεται θειικός σίδηρος (πρασινωπά ιόντα σιδήρου) και χαλκός, που επικάθεται στο καρφί.
Η αντίδραση γίνεται επειδή ο σίδηρος είναι δραστικότερο μέταλλο από τον χαλκό. Τέτοιες αντιδράσεις, όπου ένα μέταλλο αντικαθιστά σε διάλυμα τα ιόντα ενός λιγότερο δραστικού μετάλλου, λέγονται αντιδράσεις απλής αντικατάστασης.
Αν ένα μέταλλο είναι λιγότερο δραστικό από εκείνο του διαλύματος, δεν γίνεται τίποτα: ένα ασημένιο κουτάλι σε διάλυμα θειικού χαλκού μένει όπως ήταν, γιατί ο άργυρος είναι λιγότερο δραστικός από τον χαλκό.
Μέθοδος: γίνεται η αντικατάσταση;
- Βρες το ελεύθερο μέταλλο (π.χ. το καρφί) και το μέταλλο του διαλύματος (π.χ. ο χαλκός στο ).
- Σύγκρινε τη δραστικότητα (από δεδομένα ή από πείραμα).
- Ελεύθερο πιο δραστικό → γίνεται αντικατάσταση: το ελεύθερο μέταλλο «μπαίνει» στο διάλυμα, το άλλο βγαίνει ως στερεό.
- Ελεύθερο λιγότερο δραστικό → δεν γίνεται τίποτα.
Παράδειγμα — σιδερένιο ή ασημένιο κουτάλι; Τι θα συμβεί αν βάλεις σε διάλυμα θειικού χαλκού (α) σιδερένιο κουτάλι, (β) ασημένιο κουτάλι; Δίνεται ότι ο σίδηρος είναι δραστικότερος από τον χαλκό και ο χαλκός δραστικότερος από τον άργυρο.
Λύση:
(α) Ο σίδηρος είναι πιο δραστικός: το κουτάλι επιχαλκώνεται, το διάλυμα πρασινίζει: .
(β) Ο άργυρος είναι λιγότερο δραστικός από τον χαλκό: καμία αντίδραση.
Παράδειγμα — γιατί κοσμήματα από χρυσό και όχι από σίδηρο;
Λύση: Ο χρυσός και ο άργυρος είναι μη δραστικά μέταλλα: δεν αντιδρούν με τον αέρα και την υγρασία, κρατούν τη λάμψη τους για αιώνες και βρίσκονταν αυτοφυή. Ο σίδηρος σκουριάζει. Έτσι οι αρχαίοι πολιτισμοί έφτιαχναν κοσμήματα από χρυσό και άργυρο.
Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):
Δεδομένα: Σιδερένιο καρφί σε μπλε διάλυμα θειικού χαλκού.
Ζητούμενα: (α) Τι παρατηρούμε στο καρφί και στο διάλυμα; (β) Η χημική εξίσωση. (γ) Ποιο μέταλλο είναι δραστικότερο; (δ) Πώς λέγεται η αντίδραση;
Λύση:
(α) Το βυθισμένο μέρος γίνεται καστανοκόκκινο (επιχάλκωση)· το διάλυμα από μπλε γίνεται πρασινωπό.
(β) (Fe 1 = 1, Cu 1 = 1, S 1 = 1, O 4 = 4 ✓).
(γ) Ο σίδηρος, αφού αντικατέστησε τον χαλκό.
(δ) Απλή αντικατάσταση.
Απάντηση: όπως παραπάνω.
Γιατί το διάλυμα θειικού χαλκού πρασινίζει όταν βυθίσουμε σιδερένιο καρφί;
Βάζεις ασημένιο κουτάλι σε διάλυμα θειικού χαλκού. Τι συμβαίνει; (Ο άργυρος είναι λιγότερο δραστικός από τον χαλκό.)
Η απλή αντικατάσταση είναι σαν θέση στο λεωφορείο: ο πιο δυνατός (δραστικότερος) μπορεί να «σηκώσει» τον πιο αδύναμο από τη θέση του στο διάλυμα· ο πιο αδύναμος απλώς κοιτάζει.
Ο χρυσός είναι τόσο ελατός που ένα μόνο γραμμάριο μπορεί να σφυρηλατηθεί σε φύλλο περίπου ενός τετραγωνικού μέτρου, τόσο λεπτό που το φως περνά μέσα του. Τέτοια φύλλα χρυσού χρησιμοποιούνται στις επιχρυσώσεις εικόνων και τρούλων.
Δίνεται η σειρά δραστικότητας: αργίλιο > ψευδάργυρος > σίδηρος > χαλκός > άργυρος. Θέλεις να αποθηκεύσεις διάλυμα θειικού ψευδαργύρου (). Έχεις δοχεία από αργίλιο, σίδηρο και χαλκό. (α) Ποιο δοχείο δεν πρέπει να χρησιμοποιήσεις; (β) Ποια είναι ασφαλή; (γ) Σε διάλυμα θειικού χαλκού ποια δοχεία θα κατέστρεφε;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Το αργίλιο είναι δραστικότερο από τον ψευδάργυρο: θα τον αντικαθιστούσε και το δοχείο θα διαβρωνόταν.
(β) Σίδηρος και χαλκός είναι λιγότερο δραστικοί από τον ψευδάργυρο → καμία αντίδραση.
(γ) Στο θα αντιδρούσαν όσα είναι δραστικότερα από τον χαλκό: αργίλιο και σίδηρος. Ασφαλές μόνο το χάλκινο.
Απάντηση: όχι αλουμινένιο για · για μόνο χάλκινο.
- Όλκιμο ↔ ελατό ανάποδα. Όλκιμο → σύρματα, ελατό → ελάσματα.
- «Κάθε μέταλλο αντικαθιστά κάθε άλλο». Μόνο το δραστικότερο αντικαθιστά το λιγότερο δραστικό.
- Ποιος βγαίνει στερεός; Στερεό γίνεται το μέταλλο του διαλύματος (ο χαλκός), όχι το καρφί.
- «Όλα τα μέταλλα είναι στερεά». Ο υδράργυρος είναι υγρός.
- Τα μέταλλα βρίσκονται αριστερά στον περιοδικό πίνακα· μη δραστικά (Ag, Au) και αυτοφυή.
- Κοινές ιδιότητες: μεγάλες πυκνότητες, υψηλά σ.τ./σ.β., καλοί αγωγοί θερμότητας και ηλεκτρισμού, ελατά και όλκιμα, μεταλλική λάμψη (εξαιρέσεις: Li, Na, K, Hg).
- : επιχάλκωση του καρφιού, το μπλε διάλυμα πρασινίζει → ο σίδηρος είναι δραστικότερος από τον χαλκό.
- Απλή αντικατάσταση: ένα μέταλλο αντικαθιστά σε διάλυμα τα ιόντα λιγότερο δραστικού μετάλλου· αλλιώς δεν γίνεται τίποτα.