Metale i niemetale: aktywność metali, pasywacja i kwasy utleniające
Podstawa programowa wymaga, żebyś opisywał właściwości metali i niemetali oraz ich zmienność w układzie okresowym, przewidywał reakcje metali z wodą i kwasami, także utleniającymi, wyjaśniał pasywację glinu, wskazywał produkty redukcji jonów manganianowych(VII) i dichromianowych(VI), otrzymywał wodór, tlen i chlor oraz opisywał twardość wody i hydraty. Tak przygotujesz się do tej części matury z chemii na poziomie rozszerzonym.
Na maturze 2023–2026: w 3 z 4 sesji – 2023 (zadanie 13.3), 2025 (zadanie 9), 2026 (zadanie 2).
W skrócie
najważniejsze w kilku zdaniach
Metale przewodzą prąd i ciepło oraz mają połysk, bo ich elektrony walencyjne są zdelokalizowane (wiązanie metaliczne).
Aktywność metalu rośnie wraz z malejącym potencjałem standardowym: litowce i wapń reagują z wodą, metale o potencjale ujemnym z kwasami nieutleniającymi, miedź i srebro dopiero z utleniającymi.
Glin i żelazo pasywują się: szczelna warstwa tlenku chroni je przed dalszą reakcją, na przykład z kwasem azotowym(V) o dużym stężeniu.
Kwas azotowy(V) nie wydziela wodoru z metalu: redukuje się do NOX2 (stężony) albo NO (rozcieńczony).
Produkt redukcji jonu MnOX4X− zależy od środowiska, a jon CrX2OX7X2− w roztworze kwasowym daje CrX3+.
Aktywność fluorowców maleje od chloru do jodu; twardość przemijającą wody usuwasz przez ogrzewanie.
Egzamin maturalny z chemii na poziomie rozszerzonym trwa 180 minut; za cały arkusz można uzyskać 60 punktów. W arkuszu jest około 45 poleceń: zadania zamknięte (wielokrotnego wyboru, prawda–fałsz, na dobieranie) i otwarte (z luką, krótkiej i rozszerzonej odpowiedzi), w tym co najmniej jedno zadanie problemowe za 4–5 punktów. Podczas egzaminu możesz korzystać z „Wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych”, linijki i kalkulatora naukowego.
Właściwości metali i różnice między grupami
Metale są kowalne, przewodzą prąd i ciepło oraz mają metaliczny połysk, ponieważ elektrony walencyjne nie należą do pojedynczych atomów, lecz poruszają się między kationami. Te cechy tłumaczy wiązanie metaliczne. W okresie właściwości metaliczne słabną, a w grupie – w dół – rosną.
Metale grupy 1. są miękkie, mają małe gęstości i reagują z wodą: 2Na+2HX2O2NaOH+HX2. Metale grupy 2. są twardsze i mniej aktywne: wapń reaguje z wodą na zimno, dając wodorotlenek, Ca+2HX2OCa(OH)X2+HX2, a magnez dopiero po ogrzaniu. Z tlenem oba rodzaje tworzą tlenki, np. 2Ca+OX22CaO.
Metal
Reakcja z wodą
Produkty
Na
gwałtowna, na zimno
NaOH i H₂
Ca
spokojna, na zimno
Ca(OH)₂ i H₂
Mg
po ogrzaniu
Mg(OH)₂ i H₂
Al
brak (warstwa tlenku)
—
Aktywność metali i pasywacja glinu
Aktywność metalu w roztworze mierzy jego potencjał standardowy. Metale o potencjale ujemnym wypierają wodór z kwasów nieutleniających, np. Zn+2HX+ZnX2++HX2 i Fe+2HX+FeX2++HX2. Miedź (+0,342V) i srebro (+0,800V) nie reagują ani z kwasem solnym, ani z rozcieńczonym kwasem siarkowym(VI). Wartości potencjałów odczytujesz z tablic CKE (s. 12).
Glin ma potencjał −1,676V, więc powinien reagować gwałtownie, a jednak na powietrzu jest odporny. Jego powierzchnię pokrywa cienka, szczelna warstwa tlenku AlX2OX3, która oddziela metal od otoczenia – to pasywacja. Dzięki niej glin ma zastosowanie w konstrukcjach i opakowaniach. Ponieważ tlenek jest amfoteryczny, reaguje zarówno z kwasem solnym, jak i z roztworem wodorotlenku sodu, a wtedy glin traci osłonę i reaguje: 2Al+6HX+2AlX3++3HX2.
Metale i kwasy utleniające
W kwasie azotowym(V) czynnikiem utleniającym są jony NOX3X−, a nie HX+, więc wodór się nie wydziela. Kwas stężony redukuje się do NOX2 (brunatny gaz): Cu+4HX++2NOX3X−CuX2++2NOX2+2HX2O. Kwas rozcieńczony redukuje się do NO (bezbarwny gaz, który na powietrzu brunatnieje): 3Cu+8HX++2NOX3X−3CuX2++2NO+4HX2O.
Srebro roztwarza się w obu kwasach; w rozcieńczonym 3Ag+4HX++NOX3X−3AgX++NO+2HX2O. Żelazo i glin reagują z kwasem rozcieńczonym, np. Fe+4HX++NOX3X−FeX3++NO+2HX2O, ale ze stężonym na zimno nie reagują, bo się pasywują: powstaje szczelna warstwa tlenku i reakcja ustaje.
Metal
HNO₃ rozcieńczony
HNO₃ stężony
Cu
NO
NO₂
Ag
NO
NO₂
Fe
NO
brak reakcji (pasywacja)
Al
NO
brak reakcji (pasywacja)
Mangan i chrom: produkt redukcji zależy od środowiska
Jon MnOX4X− przyjmuje tym więcej elektronów, im bardziej kwasowy jest roztwór. W kwasowym przyjmuje 5 elektronów i daje prawie bezbarwne jony MnX2+:MnOX4X−+8HX++5eX−MnX2++4HX2O. W obojętnym i słabo zasadowym przyjmuje 3 i daje brunatny osad MnOX2:MnOX4X−+2HX2O+3eX−MnOX2+4OHX−. W silnie zasadowym przyjmuje jeden i daje zielone jony MnOX4X2−:MnOX4X−+eX−MnOX4X2−.
Jon CrX2OX7X2− w roztworze kwasowym przechodzi w zielone jony CrX3+:CrX2OX7X2−+14HX++6eX−2CrX3++7HX2O. Jak z takich równań połówkowych składać równanie reakcji, znajdziesz na stronie o reakcjach redoks.
Chromiany(VI) i dichromiany(VI) przechodzą jedne w drugie bez zmiany stopnia utlenienia, zależnie od odczynu, więc to nie jest reakcja redoks. Tę równowagę i doświadczenie, w którym się ją przesuwa, opisuje strona o równowadze chemicznej.
Środowisko
Produkt redukcji MnO₄⁻
Wygląd
Elektrony
kwasowe
Mn²⁺
prawie bezbarwny roztwór
5
obojętne lub słabo zasadowe
MnO₂
brunatny osad
3
silnie zasadowe
MnO₄²⁻
zielony roztwór
1
Wodór, tlen, chlor i fluorowce
Wodór otrzymasz z reakcji metalu z kwasem nieutleniającym: Zn+2HClZnClX2+HX2. Tlen powstaje przy rozkładzie nadtlenku wodoru, np. w obecności tlenku manganu(IV), 2HX2OX2MnOX22HX2O+OX2, oraz przy ogrzewaniu manganianu(VII) potasu: 2KMnOX4temperaturaKX2MnOX4+MnOX2+OX2. Chlor otrzymasz z kwasu solnego i utleniacza: MnOX2+4HCltemperaturaMnClX2+ClX2+2HX2O albo 2KMnOX4+16HCl2KCl+2MnClX2+5ClX2+8HX2O.
Fluorowce są coraz słabszymi utleniaczami od fluoru do jodu: E∘(ClX2/ClX−)=1,358V,E∘(BrX2/BrX−)=1,066V,E∘(IX2/IX−)=0,536V. Dlatego chlor wypiera brom z bromków, ClX2+2BrX−2ClX−+BrX2, a brom wypiera jod z jodków, BrX2+2IX−2BrX−+IX2; reakcje odwrotne nie zachodzą. Zwróć uwagę, że chlor i siarka utleniają żelazo do różnych stopni: 2Fe+3ClX22FeClX3, ale Fe+SFeS. Wodór łączy się z chlorem: HX2+ClX22HCl.
Fluorowiec
Stan skupienia
Barwa
F₂
gaz
bladożółta
Cl₂
gaz
żółtozielona
Br₂
ciecz
czerwonobrunatna
I₂
ciało stałe
ciemnoszara
Twardość wody i hydraty
Twardość wody wywołują jony CaX2+ i MgX2+. Twardość przemijającą powodują wodorowęglany i znika ona po ogrzaniu, bo wytrąca się węglan, który tworzy kamień: Ca(HCOX3)X2temperaturaCaCOX3+COX2+HX2O. Twardość, która po ogrzaniu nie znika, nazywa się trwałą i pochodzi od innych rozpuszczalnych soli wapnia i magnezu.
Hydrat to sól z wodą krystalizacyjną. Gips CaSOX4⋅2HX2O zawiera 20,9 % wody masowo. Po ogrzaniu przechodzi w gips palony, (CaSOX4)X2⋅HX2O:2CaSOX4⋅2HX2Otemperatura(CaSOX4)X2⋅HX2O+3HX2O, co zmniejsza masę o 15,7 %. Zarobiony z wodą gips palony twardnieje, bo odtwarza gips: (CaSOX4)X2⋅HX2O+3HX2O2CaSOX4⋅2HX2O.
Doświadczenie
obserwacje i wniosek
Doświadczenie z tego działu tak, jak opisuje je CKE: cel, odczynniki, obserwacje, równanie reakcji i wniosek.
Doświadczenie 1
Cel doświadczenia
Porównanie aktywności magnezu, cynku i miedzi wobec kwasu solnego oraz otrzymanie wodoru.
W probówce I wydzielają się intensywnie pęcherzyki bezbarwnego gazu. W probówce II pęcherzyki wydzielają się wolniej. W probówce III nie zaobserwowano zmian.
Magnez i cynk redukują jony wodoru z kwasu solnego do wodoru, a miedź nie; aktywność maleje w szeregu magnez, cynk, miedź, zgodnie z potencjałami standardowymi.
Doświadczenie 2
Cel doświadczenia
Porównanie aktywności chloru i bromu na podstawie ich reakcji z bromkami i jodkami.
Odczynniki
woda chlorowa, woda bromowa, wodne roztwory KBr,KI i KCl
Obserwacje
W probówce I roztwór zabarwił się na żółtobrunatno, w probówce II na brunatno. W probówce III barwa roztworu nie zmieniła się.
Chlor wypiera brom i jod z ich soli, a brom nie wypiera chloru z chlorku, więc chlor jest aktywniejszy od bromu i od jodu.
W minimalnym zestawie doświadczeń podstawy programowej:
18.badanie aktywności chemicznej metali
19.badanie właściwości metali (reakcje z tlenem, wodą, kwasami)
20.badanie działania kwasów utleniających (roztworów rozcieńczonych i stężonych) na wybrane metale
21.otrzymywanie wodoru (np. w reakcji Zn z HCl(aq))
22.badanie aktywności chemicznej fluorowców
23.otrzymywanie tlenu (np. w reakcji rozkładu H₂O₂ lub KMnO₄)
Pojęcia
wiązanie metaliczne
Wiązanie między kationami metalu a zdelokalizowanymi elektronami walencyjnymi, wspólnymi dla całego kryształu.
pasywacja
Powstanie na powierzchni metalu szczelnej warstwy tlenku, która zatrzymuje dalszą reakcję, np. na glinie.
fluorowce
Pierwiastki grupy 17.: fluor, chlor, brom, jod i astat.
twardość przemijająca
Twardość wody wywołana wodorowęglanami wapnia i magnezu; znika po ogrzaniu.
hydrat
Sól, której kryształ zawiera związane cząsteczki wody, np. CuSOX4⋅5HX2O.
Zadanie z matury
źródło: CKE
Prawdziwe zadanie z arkusza CKE, słowo w słowo, z materiałem źródłowym. Rozwiąż je, zanim zajrzysz do wyjaśnienia.
Zadanie z arkusza CKEmatura
Matura 2023, chemia (poziom rozszerzony), zadanie 13.3
Zadanie 13.3. (0–1)
/1
Przeprowadzono doświadczenie, w którym do trzech probówek – I, II i III – zawierających jednakowe objętości kwasu solnego o takim samym stężeniu molowym wprowadzono granulki trzech różnych metali, zgodnie z poniższym schematem.Przebieg reakcji zaobserwowano tylko w jednej probówce.
Drugi z dwóch metali, które nie reagowały z kwasem solnym, dodano do probówki zawierającej stężony kwas azotowy(V). Efekt doświadczenia przedstawiono na zdjęciu.
Napisz wzór sumaryczny barwnego, gazowego produktu reakcji.
CKE, arkusz MCHP-R0-100-2305
Źródło: CKE, egzamin maturalny 2023, chemia, poziom rozszerzony (arkusz MCHP-R0-100-2305), zadanie 13.3. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE
Odpowiedź według klucza CKE:NO2
Wyjaśnienie od Kleksy
Z kwasem solnym nie reagują srebro i miedź, bo mają dodatnie potencjały standardowe; wodór wypiera tylko cynk. W poprzednim zadaniu jeden z tych metali przeprowadzono w tlenek o wzorze ogólnym MeO, który z kwasem siarkowym(VI) dał niebieski roztwór soli – to miedź. Drugim metalem jest więc srebro.
Srebro nie wypiera wodoru, ale roztwarza się w stężonym kwasie azotowym(V), który się przy tym redukuje: Ag+2HNOX3AgNOX3+NOX2+HX2O. Barwny gaz nad cieczą to brunatny tlenek azotu(IV). Polecenie prosi o wzór sumaryczny, więc nazwa tlenku nie zdobywa punktu.
Odpowiedź: NOX2
Sprawdź się
sprawdzisz od razu
Zaznacz lub wpisz odpowiedź i sprawdź ją od razu: pod zadaniem zobaczysz wyjaśnienie. Jak ocenia CKE: w zadaniu obliczeniowym liczy się metoda, wynik z jednostką i poprawne zaokrąglenie — zwykle do trzech cyfr znaczących. Równanie reakcji musi być zapisane w formie, o którą prosi polecenie (cząsteczkowej, jonowej albo jonowej skróconej), z poprawnymi współczynnikami.
zadanie Kleksy
Zadanie 1. (0–1)
/1
Dokończ zdanie. Wybierz właściwą odpowiedź spośród podanych.
Miedź o masie 6,35 g roztworzono w nadmiarze rozcieńczonego kwasu azotowego(V). Objętość tlenku azotu(II) wydzielonego w warunkach normalnych wynosi
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 2. (0–1)
/1
Dokończ zdanie. Wybierz odpowiedź A albo B oraz odpowiedź 1. albo 2.
Miedź ogrzana ze stężonym kwasem siarkowym(VI) ponieważ
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 3. (0–1)
/1
Woda, w której twardość wywołuje wyłącznie rozpuszczony CaSOX4,
Oceń prawdziwość zdań. Wybierz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
po ogrzaniu nadal jest twarda.
po ogrzaniu traci twardość, bo wytrąca się węglan wapnia.
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 4. (0–1)
/1
Przyporządkuj metalom ich zachowanie. Wybierz odpowiedź spośród A–D.
Zachowanie
Areaguje z zimną wodą, wydzielając wodór
Bw kwasie azotowym(V) o dużym stężeniu pokrywa się szczelną warstwą tlenku
Ckwasy nieutleniające go nie roztwarzają
Djego tlenek jest kwasowy
Metal
1. potas
2. glin
3. srebro
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
Wodór jako produkt reakcji metalu z kwasem azotowym(V). W tej reakcji redukcji ulega azot z jonu NOX3X−, więc wydziela się tlenek azotu, a nie wodór.
Twierdzenie, że glin i żelazo „nie reagują z kwasem azotowym(V)”. Nie reagują tylko z kwasem o dużym stężeniu, bo się w nim pasywują; kwas rozcieńczony je roztwarza.
Pomylenie produktów redukcji manganianu(VII): MnX2+ dotyczy środowiska kwasowego, MnOX2 – obojętnego, a MnOX4X2− – silnie zasadowego.
Zakładanie, że twardość przemijającą usuwa każde ogrzewanie. Dotyczy ona wodorowęglanów; twardość trwała po ogrzaniu zostaje.
Zapamiętaj
Metale o potencjale ujemnym wypierają wodór z kwasów nieutleniających; miedź i srebro nie.
Kwas azotowy(V): stężony daje NOX2, rozcieńczony NO; żelazo i glin pasywują się w stężonym.
1.Dlaczego glin jest odporny na działanie powietrza, mimo że jest aktywny?+
Odp.:Na powierzchni glinu natychmiast powstaje cienka, szczelna warstwa tlenku AlX2OX3, która nie przepuszcza tlenu ani wody do wnętrza metalu. Ta pasywacja chroni go przed dalszą reakcją. Warstwę niszczą dopiero kwas solny albo mocna zasada, bo tlenek jest amfoteryczny; wtedy glin reaguje i wydziela wodór.
2.Dlaczego miedź roztwarza się w kwasie azotowym(V), choć nie reaguje z kwasem solnym?+
Odp.:W kwasie solnym utleniaczem są tylko jony HX+, a potencjał miedzi (+0,342V) jest wyższy od potencjału wodoru, dlatego miedź kwasu solnego nie utlenia. W kwasie azotowym(V) utleniaczem są jony NOX3X−, które mają dużo wyższy potencjał i utleniają miedź, redukując się do tlenku azotu. Dlatego w tej reakcji nie ma wodoru.
3.Skąd wiem, czy po reakcji z kwasem azotowym(V) powstanie NO czy NO₂?+
Odp.:Decyduje stężenie kwasu. Kwas stężony redukuje się do brunatnego NOX2, rozcieńczony – do bezbarwnego NO, który dopiero na powietrzu przechodzi w brunatny gaz. Polecenie zwykle podaje stężenie kwasu albo kolor gazu i według nich wybierasz produkt.
4.Czym różni się twardość przemijająca od trwałej?+
Odp.:Twardość przemijająca pochodzi od wodorowęglanów wapnia i magnezu i znika po ogrzaniu, bo wytrąca się nierozpuszczalny węglan. Twardość trwała nie znika po ogrzaniu, bo pochodzi od innych rozpuszczalnych soli wapnia i magnezu. Do jej usunięcia trzeba usunąć jony CaX2+ i MgX2+ innym sposobem.
5.Dlaczego chlor wypiera brom z bromków, a nie odwrotnie?+
Odp.:Chlor ma wyższy potencjał standardowy niż brom (1,358V wobec 1,066V), więc jest silniejszym utleniaczem i utlenia jony bromkowe do bromu. Brom ma potencjał niższy od chloru, więc jonów chlorkowych nie utleni. W grupie 17. aktywność fluorowców maleje od fluoru do jodu.
Serwis nie jest związany z Centralną Komisją Egzaminacyjną. Zadania oznaczone „CKE” pochodzą z arkuszy CKE; objaśnienia do nich i pozostałe zadania na stronie napisaliśmy sami.
Rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z matury z chemii (poziom rozszerzony) z maja 2026 roku – 180 minut, jak na egzaminie. Po oddaniu zobaczysz wynik i to, w którym dziale tracisz punkty.