واکنش پذیری فلزات با چه ترتیبی انجام می شود؟ – به زبان ساده + جدول

سری واکنش پذیری فلزات، فهرستی است که فلزات در آن با توجه به مقدار واکنش‌پذیری و رفتاری که در برابر مواد شیمیایی دیگر از خود نشان می‌دهد، مورد دسته‌بندی قرار گرفته‌اند. از این سری می‌توان اطلاعات بسیاری در مورد نحوه انجام واکنش‌های شیمیایی فلزات به دست آورد، بنابراین برای تشخیص محصول یک واکنش نیاز داریم تا با سری واکنش پذیری فلزات آشنایی خوبی داشته باشیم.

در این مطلب مجله فرادرس ابتدا با مفهوم واکنش‌پذیری فلزات آشنا می‌شویم و به معرفی سری می‌پردازیم که برای بیان این واکنش‌پذیری به کار می‌رود. سپس مروری بر جدول واکنش‌پذیری فلزات داریم که در آن ویژگی‌های فلزات را بررسی می‌کنیم و مقایسه بین آن‌ها انجام می‌دهیم. مورد دیگری که به آن می‌پردازیم کاربرد این واکنش‌پذیری در زمینه‌های گوناگون به‌خصوص در پیش‌بینی انجام واکنش‌های شیمیایی است. در نهایت نیز تعدادی مثال و تمرین را به همراه پاسخ تشریحی حل می‌کنیم.

واکنش‌ پذیری فلزات چیست؟

واکنش‌پذیری فلزات که به‌طور معمول با عنوان «سری واکنش پذیری فلزات» (Reactivity Series of Metals) از آن یاد می‌شود، چیدمان و آرایشی از فلزها است که با توجه به واکنش‌پذیری آن‌ها صورت می‌گیرد. در این جدول به ترتیب از فلزاتی با واکنش‌پذیری بالا به فلزاتی با واکنش‌پذیری پایین می‌رسیم. بنابراین سری واکنش‌‌پذیری به سری از فلزها گفته می‌شود که به ترتیب کاهش واکنش‌پذیری ردیف شده باشند.

دلیل واکنش پذیری فلزات چیست؟

واکنش‌پذیری فلزات به دلیل ناقص بودن «آرایش الکترونی» (Electronic Configuration) یا اوربیتال‌های خارجی آن‌‌ها است که می‌توانند آن‌ها را با از دست دادن الکترون لایه ظرفیت تکمیل کنند. فلزها با از دست دادن الکترون، یون‌هایی با بار مثبت به وجود می‌آورند.

فلزهایی که عدد اتمی بزرگ‌تری دارند دارای واکنش‌پذیری بیشتری نیز هستند زیرا الکترون لایه ظرفیت خود را به سادگی از دست می‌دهند. دلیل این امر این است که در آن‌ها، لایه ظرفیت بسیار دور از هسته اتم با بار مثبت وجود دارد و میزان کشش توسط آن کاهش و آزادی عمل افزایش پیدا می‌کند.

سری واکنش پذیری فلزات چیست؟

مشاهده شده است که برخی فلزها به شدت و با سرعت زیادی با واکنش‌دهنده وارد واکنش می‌شوند در حالی که برخی دیگر این واکنش‌ها را به آهستگی انجام می‌دهند و برخی به هیچ وجه وارد واکنش نمی‌شوند. دلیل این تفاوت، واکنش‌پذیری متفاوت فلزات نسبت به یکدیگر است.

در اینجا منظور از واکنش‌پذیری توانایی ماده شیمیایی برای تولید محصولاتی مشخص است.

جدول واکنش پذیری فلزات

در این سری فلز پلاتین با نماد عنصر $$Pt$$ در انتهای جدول وجود دارد و به این معناست که واکنش‌پذیری آن از تمام فلزات کمتر است. همچنین جایگاه اول جدول به فلز پتاسیم با نماد $$K$$ تعلق دارد که واکنش پذیرترین فلز موجود در جدول تناوبی عناصر است.

در صورتی که فلزی بتواند در «واکنش جانشینی» (Displacement Reaction) جایگزین فلزی دیگر شود، از آن واکنش‌پذیری بیشتری دارد. برای تشخیص این مورد می‌توان به جدول واکنش پذیری فلزات مراجعه کرد. توجه داشته باشید که می‌توان از این جدول برای پی بردن به واکنش فلزها در مواجه با اسید و آب نیز استفاده کرد.

در جدول بالا به تعداد محدودی از فلزها اشاره شده است. توجه داشته باشید که قرارگیری هیدروژن در این جدول برای انجام مقایسه است. برای مشاهده جدول کامل واکنش پذیری فلزات به انتهای این مطلب مراجعه کنید.

ویژگی‌های جدول واکنش پذیری فلزات

در این بخش می‌خواهیم به برخی از ویژگی‌های جدول واکنش پذیری فلزات اشاره کنیم.

• تمایل «کاهشی» (Reduction) در فلزهایی که در بالای جدول قرار دارند بالا است، به همین دلیل می‌توان به راحتی آن‌‌ها را اکسید کرد. این فلزها به سادگی دچار خوردگی می‌شوند. برای مثال سدیم به محض قرارگیری در مجاورت هوا یا آب، منفجر می‌شود، بنابراین باید همیشه دور از هوا و رطوبت قرار داده شود. این فلز را باید داخل ظرفی پر از پارافین یا نفت سفید نگه‌داری کرد.
• ویژگی «الکتروپوزیتیوی» (Electropositivity) این فلزها در جدول از بالا به پایین کاهش پیدا می‌کند. الکتروپوزیتیوی به تمایل عنصر برای از دست دادن الکترون گفته می‌شود. بنابراین هر چه به سمت پایین پیش می‌رویم، از دست دادن الکترون برای فلزها دشوارتر است و این باعث کاهش واکنش پذیری آن‌ها می‌شود.
• با حرکت به سمت پایین جدول از تمایل آن‌ها به کاهش فلزات کاسته می‌شود.
• تمامی فلزهایی که در جدول واکنش پذیری فلزات بالای عنصر هیدروژن قرار دارند، در واکنش با $$HCl$$ رقیق یا اسید سولفوریک رقیق از خود گاز هیدروژن آزاد می‌کنند. در این واکنش محصول نمکی نیز به دست می‌آید.
• برای جداسازی فلزهایی که در بالای جدول واکنش پذیری فلزات قرار دارند از سنگ معدن و ترکیبات دیگر، به انرژی بیشتری نیاز است.

مقایسه واکنش پذیری فلزات

با توجه به سری واکنش پذیری فلزات می‌توان برای گروه‌های مختلف روندهایی را تعیین کرد که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.

واکنش پذیری فلزات قلیایی

«فلزات قلیایی» (Alkali Metals) مانند پتاسیم، سدیم و کلسیم، عنصرهایی به شدت واکنش‌پذیر هستند و به دلیل انرژی یونش پایینی که دارند، به‌ راحتی الکترون‌های لایه‌ بیرونی خود را از دست می‌دهند و یون‌هایی با بار مثبت به وجود می‌آورند. با حرکت به سمت پایین این گروه واکنش‌پذیری افزایش پیدا می‌کند زیرا قدرت فلزی که الکترون‌ها را در اتم نگه می‌دارد، رو به کاهش می‌نهد.

واکنش پذیری فلزات واسطه

«فلزات واسطه» (Transition Metals) با واکنش‌پذیری ملایم، شامل فلزهایی مانند آهن و روی می‌شوند. این فلزها می‌توانند با تعداد زیادی از عناصر، ترکیباتی را تشکیل دهند و حالت‌های اکسایشی متنوعی نیز دارند. این فلزها می‌توانند به انجام واکنش‌های شیمیایی کمک کنند به‌طوری که خود مصرف نشوند، به همین دلیل نیز از آن‌ها به عنوان کاتالیزور استفاده می‌شود.

واکنش پذیری فلزات نجیب

«فلزات نجیب» (Noble Metals) مانند طلا و پلاتین با واکنش‌پذیری بسیار کم خود شناخته می‌شوند. این فلزها، آرایش الکترونی پایداری دارند که در آن اوربیتال‌های لایه بیرونی پر یا نیمه‌پر و در نتیجه پایدار است که توجیه‌کننده واکنش‌پذیری پایین آن‌هاست. این پایداری بالا باعث می‌شود فلزات نجیب در طبیعت در برابر خوردگی از خود مقاومت خوبی نشان دهند.

کاربرد سری واکنش پذیری فلزات

از سری واکنش‌پذیری فلزات می‌توان به اطلاعات بسیاری در مورد رفتار آن‌ها در واکنش‌ها و همچنین ویژگی‌های آن‌ها دست پیدا کرد. در فهرست زیر به تعدادی از این کاربردها اشاره کرده‌ایم.

پیش‌بینی واکنش‌های شیمیایی

از ترتیب واکنش‌ پذیری فلزات می‌توان در مورد واکنش‌های شیمیایی آن‌ها اظهار نظر کرد. ترکیباتی که واکنش‌پذیری بالایی دارند تمایل بیشتری به واکنش با ترکیبات دیگر دارند و این قضیه در مورد ترکیبات با واکنش‌پذیری کمتر برعکس است.

متالورژی و استخراج فلزات

دانستن روند واکنش پذیری فلزات در علم متالورژی از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا از آن فلزات را از سنگ‌های معدنی اسخراج می‌کنند. برای به دست آوردن فلزهای بسیار واکنش‌پذیر مانند سدیم و پتاسیم از روش‌های الکترولیز استفاده می‌شود. از طرف دیگر برای استخراج فلزهایی با واکنش‌پذیری کمتر مانند نقره و مس از فرآيند ذوب شدن و کاهش استفاده می‌شود.

جلوگیری از خوردگی

اطلاعات به دست آمده از سری واکنش پذیری فلزات در پیش‌گیری از خوردگی‌ آن‌ها کمک به‌سزایی می‌کند به‌صورتی که می‌توان اقدامات مورد نیاز را برای آن‌ها انجام داد. برای مثال «آندهای فداشونده» (Sacrificial Anodes) از فلزهای با واکنش‌پذیری بالا مانند روی تولید می‌شوند و از قطعات استیل یا آهنی مراقبت می‌کنند تا دچار زنگ‌زدگی نشوند.

واکنش فلزات

از این جدول می‌توان برای کاربردهای دیگری نیز استفاده کرد. برای مثال می‌توان در مورد واکنش هر کدام از فلزها با اسید، با آب و در واکنش جانشینی یگانه پیش‌بینی‌هایی انجام داد. در ادامه به برخی از این واکنش‌ها اشاره می‌کنیم.

واکنش پذیری فلزات با آب

کلسیم و تمامی فلزهایی که در جدول واکنش‌پذیری بالای آن قرار دارند و در نتیجه واکنش‌پذیری بیشتری دارند، با آب سرد وارد واکنش می‌شوند و علاوه بر هیدروکسید فلز مربوطه، از خود گاز هیدروژن نیز آزاد می‌کنند. برای مثال واکنش بین پتاسیم و آب به تولید پتاسیم هیدروکسید با فرمول شیمیایی $$KOH$$ و گاز $$H_2$$ می‌انجامد. در زیر می‌توانید این واکنش را مشاهده کنید.

$$2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2$$

واکنش جانشینی یگانه بین فلزات

فلزاتی که واکنش‌پذیری بالایی دارند می‌توانند فلزهایی با واکنش‌‌پذیری کمتر را کاهش دهند. در این واکنش فلز با واکنش‌پذیری کمتر باید به‌صورت نمک خود در محلول آبی باشد. این واکنش از طریق «واکنش جانشینی یگانه» (Single Displacement Reaction) انجام می‌شود.

$$Cu_{(s)} + 2AgNO_{3 (aq)} → Cu(NO_3)_{2(aq)} + 2Ag_{(s)}$$

در این مورد مثالی را مورد بررسی قرار می‌دهیم. مس می‌تواند به راحتی جایگزین نقره در محلول نقره نیترات شود زیرا واکنش‌پذیری مس از نقره بسیار بیشتر است. واکنش موازنه‌ شده این جانشینی را می‌توان به‌صورت بالا نشان داد. همان‌طور که مشاهده می‌کنید در نتیجه این واکنش نقره جامد به دست می‌آيد.

واکنش پذیری فلزات با اسید و باز

تمام فلزهایی که واکنش‌پذیرتر از هیدروژن باشند، می‌توانند جایگزین آن در اسیدهای رقیق شوند. در نتیجه این واکنش نمک فلز مربوطه و گاز هیدروژن به وجود می‌آيد. برای مثال به واکنش زیر توجه کنید.

$$2Na_{(s)} + 2HCl _{(dilute)} \rightarrow 2NaCl_{ (aq)} + H_{2(g)}$$

 در این واکنش سدیم فلزی تمایل دارد تا جایگزین هیدروژن در هیدروژن کلرید شود. با انجام این واکنش سدیم کلرید و گاز هیدروژن به وجود می‌آيد.

مثال دیگری را در واکنش زیر مشاهده می‌کنید که در آن اسید سولفوریک رقیق حضور دارد. در این واکنش آهن جایگزین هیدروژن در ساختار اسید سولفوریک می‌شود و محصول آهن سولفات و هیدروژن گازی را به دست می‌دهد. واکنش موازنه شده این جانشینی را می‌توانید در زیر مشاهده کنید.

$$Fe_{(s)} + H_2SO_{4 (dilute)} \rightarrow FeSO_{4(aq)} + H_{2(g)}$$

در مثال بعدی می‌خواهیم جانشینی یگانه را در حضور باز مورد بررسی قرار دهیم. زمانی که روی با سدیم هیدروکسید وارد واکنش می‌شود، محلول آبی زینکات سدیم و گاز هیدروژن به وجود می‌آید زیرا روی به دلیل واکنش‌پذیری کمتر، نمی‌تواند جایگزین سدیم شود. این واکنش را به‌صورت موازنه شده در زیر مشاهده می‌کنید.

$$Zn_{(s)} + 2NaOH_{ (aq)} → Na_2ZnO_{2(aq)} + H_{2(g)}$$

واکنش پذیری فلزات با اکسیژن

برخی از فلزات واکنش‌پذیر مانند فلزات قلیایی به راحتی با اکسيژن وارد واکنش می‌شوند. همچنین فلزهایی مانند مس، نقره و آهن نیز به آهستگی با اکسیژن واکنش می‌دهند. در نتیجه واکنش فلز با اکسیژن، اکسید فلز به وجود می‌آید. نمونه‌ای از این واکنش را در زیر با فلز مس آورده‌ایم.

$$2Cu+O_2\rightarrow 2CuO$$

اکسیژن روی فلزی مانند طلا هیچ تاثیری نمی‌گذارد، به همین دلیل طلا در طبیعت از پایداری بسیار زیادی برخوردار است.

خوردگی فلز آهن چیست؟

در این بخش می‌خواهیم بدانیم خوردگی یا زنگ‌زدگی آهن چه پدیده‌ای است و باعث تولید چه ترکیب شیمیایی می‌شود. «زنگ آهن» (Rust) زمانی تشکیل می‌شود که آهن با اکسیژن، چه در هوا چه در آب، وارد واکنش شود و محصول اکسید آهن (III) آبدار را به وجود بیاورد. فرمول شیمیایی این ماده به‌صورت $$Fe_2O_3.H_2O$$ است. فرآیند تشکیل زنگ آهن شامل واکنشی اکسایش است زیر ا طی آن آهن، الکترون می‌گیرد و اکسیژن الکترون از دست می‌دهد.

در ادامه می‌خواهیم با انجام آزمایشی ثابت کنیم که آهن در غیاب هوا و آب، زنگ نمی‌زند. در لوله اول شاهد حضور میخ آهنی در آب هستیم که منجر به تشکیل زنگ روی آن شده است. در لوله دوم، اکسيژن محلول آب حذف شده است و سپس میخ را در داخل آن گذاشته‌ایم. همان‌طور که مشاهده می‌کنید هیچ زنگی روی آن تشکیل نشده است. همچنین وجود لایه‌ای روغن روی آب از ورود اکسیژن هوا در آب جلوگیری می‌کند.

در لوله سوم کمی کلسیم کلرید در ته ظرف وجود دارد. این ماده جاذب رطوبت است و از زنگ زدن میخ آهنی جلوگیری می‌کند. همان‌طور که مشاهده کردید در لوله دوم و سوم که در هر کدام به طریقی از واکنش اکسيژن با آهن جلوگیری شد، میخ آهنی دچار زنگ زدگی نشد.

مثال و حل تمرین از واکنش پذیری فلزات

حال که با سری واکنش‌پذیری فلزات آشنا شدیم، می‌خواهیم با بررسی تعدادی مثال و تمرین، درک خود را از این مفهوم عمق ببخشیم.

مثال از واکنش پذیری فلزات

در این بخش تعدادی مثال را به همراه پاسخ تشریحی آن‌ها مورد بررسی قرار می‌دهیم. با دقت به این مثال‌ها، می‌توان به سوال‌های مشابه نیز پاسخ داد.

مثال اول

طرف دوم واکنش زیر را با توجه به سری واکنش پذیری فلزات بنویسید و آن را موازنه کنید.

$$Zn _{(s)} + CuSO_{4 (aq)} \rightarrow$$

پاسخ

با توجه به اینکه واکنش‌پذیری روی از مس بیشتر است، وارد واکنش جانشینی یگانه می‌شود و مس جامد به دست می‌آید. واکنش موازنه این جانششینی به‌صورت زیر است.

$$Zn _{(s) }+ CuSO_{4 (aq)} → ZnSO_{4 (aq)} + Cu_{ (s)}$$

مثال دوم

چرا در سری واکنش پذیری فلزات هیدروژن را نیز می‌گنجانند؟

پاسخ

علاوه بر امکان مقایسه، هیدروژن مانند فلزها الکترون از دست می‌دهد و تبدیل به یون مثبت می‌شود.

مثال سوم

کدام خانواده از فلزها بیشترین واکنش‌پذیری را دارند؟

پاسخ

همان‌طور که در سری واکنش پذیری فلزات نیز مشاهده می‌‌کنید، فلزات قلیایی از باقی گروه‌ها واکنش‌پذیرتر هستند.

مثال چهارم

اگر مفتولی مسی را در ظرفی حاوی محلول $$MgSO_4$$ قرار دهیم، چه اتفاقی می‌افتد؟

پاسخ

از آن‌جا که مس در سری واکنش‌پذیری فلزات در زیر منیزیم قرار دارد، از آن واکنش‌پذیری کمتری دارد و نمی‌تواند در واکنش جانشینی یگانه جایگزین آن شود. بنابراین در این مورد شاهد هیچ تغییری نخواهیم بود.

مثال پنجم

چرا آهن در حضور مس دچار زنگ‌زدگی می‌شود اما در حضور روی خیر؟

پاسخ

مس در سری واکنش پذیری فلزات در زیر آهن قرار دارد بنابراین واکنش‌پذیری آهن از آن بیشتر است. به همین دلیل آهن در حضور مس زنگ می‌زند اما جایگاه روی بالاتر از آهن است، در نتیجه به دلیل واکنش‌پذیری بیشتر روی، آهن مصون می‌ماند.

مثال ششم

فلزاتی مانند فرانسیم، سزیم و روبیدیم در سری واکنش پذیری فلزات چه جایگاهی دارند؟

پاسخ

ترتیب واکنش‌ پذیری فلزات به‌صورت زیر است:

فرانسیم > سزیم > روبیدیوم

فرانسیم به دلیل اینکه عنصری مصنوعی است در جدول گنجانده نمی‌شود. همچنین به‌طور معمول از آوردن سزیم و روبیدیوم در ابتدای جدول نیز خودداری نیز می‌شود زیرا یا در طبیعت به مقدار بسیار اندکی وجود دارند یا به روش مصنوعی تولید می‌شوند.

مثال هفتم

نمک فلز به چه ترکیبی گفته می‌شود؟

پاسخ

نمک فلز وقتی تشکیل می‌شود که هیدروژن یک اسید با فلز جایگزین شده باشد. برای مثال در $$ZnSO_4$$، روی فلز و اسید سولفوریک ترکیبی اسیدی است. روی با این اسید وارد واکنش می‌شود و روی سولفات را به وجود می‌آورد. این واکنش را می‌توان به‌صورت زیر نمایش داد.

$$Zn_{(s)}+H_2SO_{4(aq)}\rightarrow ZnSO_{4(aq)}+H_{2(g)}$$

تمرین از واکنش پذیری فلزات

در این بخش به بررسی تعدادی تمرین چند‌ گزینه‌ای در رابطه با واکنش پذیری فلزات می‌پردازیم.

تمرین اول