Dãy hoạt động hoá học của kim loại

Dãy rút gọn lớp 9 và dãy mở rộng

Sách giáo khoa lớp 9 thường chỉ in một dãy ngắn gồm 11 phần tử. Đây là bản đủ dùng cho mọi bài tập lớp 9: xét kim loại có tan trong acid không, có đẩy được kim loại khác khỏi muối không, sắp xếp mức độ hoạt động.

1. K
2. Na
3. Mg
4. Al
5. Zn
6. Fe
7. Pb
8. H
9. Cu
10. Ag
11. Au

Dãy 17 phần tử ở đầu trang là bản mở rộng: chèn thêm Ba, Ca vào nhóm tác dụng với nước; Ni, Sn vào giữa Fe và Pb; Hg, Pt vào nhóm sau H. Thứ tự của 11 phần tử cũ không đổi, chỉ có thêm phần tử xen vào. Nếu đề lớp 9 cho một kim loại không có trong dãy rút gọn, chẳng hạn Ca hay Ni, hãy tra bản mở rộng; nếu không, cứ dùng bản 11 phần tử cho nhanh.

• Lớp 9: dùng dãy rút gọn. Chỉ cần nhớ Mg là mốc tác dụng với nước, H là mốc tác dụng với acid.
• Lớp 10 – 11: gặp Ba, Ca, Ni, Sn, Hg trong bài toán kim loại và acid HNO₃, H₂SO₄ đặc, cần bản mở rộng.
• Lớp 12: chuyển sang dãy điện hoá có thế điện cực chuẩn E° (xem mục cuối trang).

Ý nghĩa

Ba quy tắc dưới đây là toàn bộ cách dùng dãy ở lớp 9. Mỗi quy tắc kèm phương trình minh hoạ; bấm vào phương trình để xem điều kiện, hiện tượng và cách cân bằng.

1. Trước Mg:

   Kim loại đứng trước Mg (K, Na, Ba, Ca) tác dụng được với nước ở nhiệt độ thường, tạo base tan và giải phóng khí hydrogen.

   • 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

     (Na chạy tròn trên mặt nước, tan dần, có khí)

   • 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂

     (mãnh liệt hơn Na, khí sinh ra có thể bốc cháy)

   • Ba + 2H₂O → Ba(OH)₂ + H₂

   • Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

     (dung dịch vẩn đục vì Ca(OH)₂ ít tan)

2. Trước H:

   Kim loại đứng trước H tác dụng được với một số acid (HCl, H₂SO₄ loãng) giải phóng khí hydrogen; kim loại đứng sau H thì không.

   • Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

     (tạo muối iron(II), không phải iron(III))

   • 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

   • Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

     (H₂SO₄ loãng; phản ứng điều chế H₂ trong phòng thí nghiệm)

   • Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂

     (Mg đứng xa H nhất trong nhóm này nên tan nhanh nhất)

3. Trước → sau:

   Kim loại đứng trước (trừ K, Na, Ba, Ca) đẩy được kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối của kim loại đó.

   • Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

     (đinh sắt phủ lớp đỏ, dung dịch nhạt màu xanh)

   • Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag

     (dây đồng phủ lớp bạc xám, dung dịch chuyển xanh)

   • Zn + FeSO₄ → ZnSO₄ + Fe

   • 2Al + 3CuSO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3Cu

Các trường hợp đặc biệt phá vỡ quy tắc

Dãy hoạt động là công cụ dự đoán, không phải định luật. Bảy trường hợp sau hay xuất hiện trong đề và đều "trái" với ba quy tắc trên nếu chỉ nhìn vị trí trong dãy.

1. Al và Zn đứng trước H nhưng còn tan được trong dung dịch kiềm

   Dãy chỉ nói về acid. Al và Zn còn có thêm một tính chất riêng: oxide và hydroxide của chúng lưỡng tính, nên hai kim loại này tan cả trong dung dịch NaOH, KOH và giải phóng H₂. Thực chất kim loại phản ứng với nước, còn kiềm chỉ hoà tan lớp hydroxide sinh ra để phản ứng tiếp tục. Đây là cách phân biệt Al với Fe, Mg bằng một thuốc thử; cũng là lý do không dùng xoong nhôm đựng nước vôi hay xà phòng đặc.

   • 2Al + 2NaOH + 2H₂O → 2NaAlO₂ + 3H₂

   • Zn + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂

     (NaOH đặc, đun nóng)

2. Al, Fe, Cr bị thụ động hoá trong HNO₃ đặc nguội và H₂SO₄ đặc nguội

   Ba kim loại này đứng trước H, đáng lẽ phải tan trong acid. Nhưng gặp HNO₃ đặc nguội hoặc H₂SO₄ đặc nguội, bề mặt kim loại bị oxi hoá ngay thành một lớp oxide rất mỏng, kín, không tan, chặn acid tiếp xúc với kim loại bên trong. Phản ứng dừng lại, gọi là thụ động hoá. Vì vậy có thể dùng thùng nhôm hoặc thép để chở HNO₃ đặc và H₂SO₄ đặc. Chỉ cần đun nóng hoặc pha loãng acid, lớp bảo vệ mất tác dụng và kim loại tan bình thường.

   • Fe + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

     (HNO₃ loãng: vẫn tan, tạo muối iron(III))

   • 2Al + 6H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

     (H₂SO₄ đặc nóng: tan; đặc nguội: thụ động)

3. Cu đứng sau H, không tan trong HCl nhưng vẫn tan trong HNO₃ và H₂SO₄ đặc

   Quy tắc "đứng sau H thì không tan trong acid" chỉ đúng với acid loãng như HCl, H₂SO₄ loãng, ở đó chất oxi hoá là ion H⁺ và sản phẩm là khí H₂. HNO₃ (loãng lẫn đặc) và H₂SO₄ đặc là acid có tính oxi hoá mạnh: chất oxi hoá là N⁺⁵ hoặc S⁺⁶ trong gốc acid, mạnh hơn H⁺ nhiều, nên hoà tan được cả Cu, Ag, Hg. Sản phẩm không phải H₂ mà là NO, NO₂ hoặc SO₂. Đây là phản ứng oxi hoá – khử theo cơ chế khác, không phải phản ứng thế đẩy H, nên dãy hoạt động không dùng để dự đoán.

   • 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

     (khí NO không màu, hoá nâu trong không khí)

   • Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

     (khí NO₂ màu nâu đỏ)

   • Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

     (H₂SO₄ đặc, đun nóng)

   • Ag + 2HNO₃ → AgNO₃ + NO₂ + H₂O

4. Phản ứng đẩy kim loại khỏi muối yêu cầu muối phải tan trong nước

   Kim loại chỉ đẩy được kim loại khác khi ion của kim loại đó có mặt trong dung dịch. Muối không tan như AgCl, PbSO₄, BaSO₄ không phân li ra ion, nên dù kim loại đứng trước bao xa cũng không có phản ứng: Fe cho vào AgCl không thu được Ag, Zn cho vào PbSO₄ không thu được Pb. Trước khi xét dãy hoạt động, hãy tra bảng tính tan xem muối có tan không.

   • Fe + 2AgNO₃ → Fe(NO₃)₂ + 2Ag

     (AgNO₃ tan nên phản ứng xảy ra; với AgCl thì không)

5. K, Na, Ba, Ca cho vào dung dịch muối thì phản ứng với nước trước, không đẩy được kim loại ra

   Bốn kim loại đầu dãy hoạt động quá mạnh: gặp dung dịch, chúng phản ứng với nước ngay, tạo base và khí H₂. Base sinh ra mới phản ứng trao đổi với muối, thường tạo hydroxide kết tủa. Vì vậy cho Na vào dung dịch CuSO₄ không thấy Cu đỏ bám vào, mà thấy sủi bọt khí và kết tủa xanh Cu(OH)₂. Đây chính là lý do quy tắc đẩy kim loại ghi "trừ K, Na, Ba, Ca".

   • 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

     (bước 1: Na tác dụng với nước)

   • 2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

     (bước 2: base sinh ra tác dụng với muối)

6. Mg, Fe cũng tác dụng với nước, nhưng phải là nước nóng hoặc hơi nước

   Câu "không tác dụng với nước ở nhiệt độ thường" của đoạn Mg → Pb có chữ "ở nhiệt độ thường" là có lý do. Mg tan chậm trong nước nóng; Fe phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao tạo oxide sắt. Cu và các kim loại sau H thì không phản ứng với nước ở bất kỳ nhiệt độ nào. Đề lớp 9 hầu như chỉ hỏi ở nhiệt độ thường; các trường hợp này xuất hiện ở lớp 12.

   • Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂

     (nước nóng)

   • 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂

     (hơi nước, dưới 570 °C)

7. Cu đứng sau Fe nhưng vẫn tan trong dung dịch muối iron(III)

   Nhìn dãy, Cu không đẩy được Fe ra khỏi muối. Nhưng cho Cu vào dung dịch FeCl₃ thì Cu tan dần, dung dịch chuyển từ vàng nâu sang xanh. Ở đây Cu không đẩy Fe kim loại ra, mà khử Fe³⁺ thành Fe²⁺: cặp Fe³⁺/Fe²⁺ có tính oxi hoá mạnh hơn cặp Cu²⁺/Cu. Dãy hoạt động lớp 9 chỉ xét cặp ion/kim loại nên không thấy điều này; phải dùng dãy điện hoá lớp 12 mới giải thích được.

   • Cu + 2FeCl₃ → CuCl₂ + 2FeCl₂

     (không sinh ra Fe kim loại)

Liên hệ với dãy điện hoá lớp 12

Dãy hoạt động lớp 9 là dãy định tính: chỉ nói kim loại nào mạnh hơn kim loại nào, không nói mạnh hơn bao nhiêu. Lớp 12 thay nó bằng dãy điện hoá của kim loại. Mỗi kim loại được ghép với ion của nó thành một cặp oxi hoá – khử (Zn²⁺/Zn, Cu²⁺/Cu…) và được gán một số đo là thế điện cực chuẩn E°, tính bằng volt, so với cặp 2H⁺/H₂ quy ước bằng 0. E° càng âm, kim loại càng dễ nhường electron, tức càng hoạt động; E° càng dương, ion càng dễ nhận electron.

Vì cùng đo một tính chất, hai dãy gần như trùng nhau. Nhưng chúng không trùng hoàn toàn. Dãy lớp 9 được sắp theo mức độ phản ứng quan sát được trong dung dịch, còn E° đo ở điều kiện chuẩn của pin điện hoá. Bảng dưới xếp theo thứ tự dãy lớp 9 để thấy chỗ lệch: Ba và Ca có E° âm hơn Na nhưng đứng sau Na; Ag có E° nhỏ hơn Hg nhưng đứng sau Hg. Ngoài ra dãy điện hoá còn có các cặp không phải kim loại (Fe³⁺/Fe²⁺, 2H⁺/H₂, Cl₂/2Cl⁻…), nhờ đó giải thích được vì sao Cu tan trong FeCl₃ hay Fe dư chỉ tạo Fe²⁺ với HNO₃.

Khi nào dùng dãy nào: bài lớp 9 – 11 hỏi "có phản ứng không", dùng dãy hoạt động là đủ. Bài lớp 12 hỏi chiều phản ứng giữa hai cặp bất kỳ, tính suất điện động của pin, hoặc so sánh tính oxi hoá của các ion, phải dùng dãy điện hoá và E°. Quy tắc alpha của lớp 12 (chất oxi hoá mạnh hơn phản ứng với chất khử mạnh hơn) chính là quy tắc "đứng trước đẩy đứng sau" viết lại bằng E°.

Mẹo nhớ dãy hoạt động hoá học (bài ca, 4 phiên bản)

Mỗi bài ca dưới đây lấy chữ cái đầu (hoặc cả từ, như "Sắt") ứng với một kim loại. Các vùng dạy các bản khác nhau; hãy chọn bản khớp với dãy thầy cô đang dùng và đối chiếu từng từ với bảng ánh xạ để chắc mình không nhớ thiếu phần tử.

1. Khi Nào Bạn Cần May Áo Záp Sắt Nhớ Sang Phố Hỏi Cửa Hàng Á Phi Âu

   Đủ 17 phần tử — đúng dãy mở rộng ở trên

   • Khi → K
   • Nào → Na
   • Bạn → Ba
   • Cần → Ca
   • May → Mg
   • Áo → Al
   • Záp → Zn
   • Sắt → Fe
   • Nhớ → Ni
   • Sang → Sn
   • Phố → Pb
   • Hỏi → H
   • Cửa → Cu
   • Hàng → Hg
   • Á → Ag
   • Phi → Pt
   • Âu → Au

2. Khi Nào Cần May Áo Giáp Sắt Nhớ Sang Phố Hỏi Cửa Hàng Á Phi Âu

   16 phần tử — thiếu Ba; bản dạy phổ biến nhất ở nhiều trường

   • Khi → K
   • Nào → Na
   • Cần → Ca
   • May → Mg
   • Áo → Al
   • Giáp → Zn
   • Sắt → Fe
   • Nhớ → Ni
   • Sang → Sn
   • Phố → Pb
   • Hỏi → H
   • Cửa → Cu
   • Hàng → Hg
   • Á → Ag
   • Phi → Pt
   • Âu → Au

3. Khi Nào Cần May Áo Giáp Sắt Phải Hỏi Cửa Hàng Á Phi Âu

   14 phần tử — bỏ Ba, Ni, Sn; hay gặp trong SGK Hoá 9 cũ

   • Khi → K
   • Nào → Na
   • Cần → Ca
   • May → Mg
   • Áo → Al
   • Giáp → Zn
   • Sắt → Fe
   • Phải → Pb
   • Hỏi → H
   • Cửa → Cu
   • Hàng → Hg
   • Á → Ag
   • Phi → Pt
   • Âu → Au

4. Khi Nào May Áo Záp Sắt Phải Hỏi Cửa Á Âu

   11 phần tử — đúng dãy rút gọn lớp 9

   • Khi → K
   • Nào → Na
   • May → Mg
   • Áo → Al
   • Záp → Zn
   • Sắt → Fe
   • Phải → Pb
   • Hỏi → H
   • Cửa → Cu
   • Á → Ag
   • Âu → Au

Bài tập vận dụng

Chọn đáp án để xem lời giải. Cả năm câu đều giải được bằng dãy và các trường hợp đặc biệt ở trên.

Tra cứu liên quan

• Bảng hoá trị — hoá trị nguyên tố và gốc acid, tên mới – tên cũ song song, công cụ lập công thức.
• Bảng tính tan — kiểm tra muối có tan không trước khi xét phản ứng đẩy kim loại.
• Bảng tuần hoàn — vị trí, cấu hình electron của từng kim loại.
• Phản ứng thế — toàn bộ phương trình kim loại tác dụng với acid và muối trên site.