Dãy hoạt động của kim loại: Hướng dẫn thực hành Hóa học HSC

Đặt một dải kẽm vào dung dịch chứa ion đồng(II), đồng có thể hình thành trên dải kim loại. Đổi ngược các chất – đặt kim loại đồng vào dung dịch chứa ion kẽm – và thường bạn sẽ không thấy hiện tượng gì.

Tại sao khi đổi ngược lại thì phản ứng chỉ xảy ra theo một chiều? Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán điều này: nếu kẽm có thể thế sắt ra khỏi dung dịch chứa ion sắt, và sắt có thể thế đồng ra khỏi dung dịch chứa ion đồng, thì ba kim loại này phải nằm ở đâu so với nhau?

Kẽm phải nằm trên sắt, và sắt phải nằm trên đồng. Viết dưới dạng dãy hoạt động hóa học:

\[
\ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

Đó là ý tưởng hữu ích đằng sau dãy hoạt động hóa học của kim loại. Bạn không nhất thiết phải bắt đầu bằng việc ghi nhớ một danh sách dài. Bạn có thể xây dựng một phần của dãy từ bằng chứng thực nghiệm, từng phép so sánh một.

01Phản ứng thế là một phép so sánh trực tiếp

Hãy hình dung dãy hoạt động như một chiếc thang. Khi hai kim loại khác nhau được so sánh thông qua phản ứng thế, kim loại nằm cao hơn trên thang có thể thế ion của kim loại nằm thấp hơn.

Ví dụ:

\[
\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)}
\]

Kim loại kẽm trở thành ion kẽm. Ion đồng trở thành kim loại đồng.

Điều đó cho chúng ta biết:

\[
\ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

Điểm quan trọng không phải là kẽm bằng cách nào đó “đẩy” đồng ra khỏi dung dịch. Quá trình thực sự là sự chuyển electron.

Nguyên tử kẽm mất electron:

\[
\ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e^-}
\]

Ion đồng nhận các electron đó:

\[
\ce{Cu^2+(aq) + 2e^- -> Cu(s)}
\]

Vì vậy, kẽm bị oxi hóa và ion đồng bị khử.

Một kim loại hoạt động mạnh hơn có xu hướng bị oxi hóa lớn hơn trong kiểu so sánh này. Nó nhường electron, trong khi ion của kim loại kém hoạt động hơn nhận các electron đó.

Hình ảnh chiếc thang rất hữu ích, nhưng nó có giới hạn. Các phản ứng thực tế còn phụ thuộc vào tình trạng bề mặt, nồng độ, nhiệt độ, lớp phủ oxit và tốc độ phản ứng. Vị trí của một kim loại trong dãy không cho bạn biết chính xác mọi phản ứng có liên quan đến kim loại đó sẽ xảy ra nhanh đến mức nào.

02Cách xây dựng dãy hoạt động từ kết quả thực hành

Giả sử bạn được cho bốn kim loại:

• magie, \(\ce{Mg}\)
• kẽm, \(\ce{Zn}\)
• sắt, \(\ce{Fe}\)
• đồng, \(\ce{Cu}\)

Bạn thử từng kim loại rắn trong các dung dịch chứa ion của những kim loại còn lại.

Một bộ kết quả đại diện có thể trông như sau:

Các bài thực hành ở trường thực tế hiếm khi gọn gàng như thế này. Một lớp kim loại màu xám mới lắng đọng có thể khó nhìn thấy trên một kim loại màu xám khác, và một số phản ứng chậm hơn nhiều so với những phản ứng khác. Hãy xem bảng này là phần bằng chứng sau khi các quan sát đã được diễn giải cẩn thận.

Mỗi phản ứng thế xảy ra đều cho một phép so sánh trực tiếp.

Magie thế ion kẽm:

\[
\ce{Mg(s) + Zn^2+(aq) -> Mg^2+(aq) + Zn(s)}
\]

Do đó:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn}
\]

Kẽm thế ion sắt:

\[
\ce{Zn(s) + Fe^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Fe(s)}
\]

Do đó:

\[
\ce{Zn} > \ce{Fe}
\]

Sắt thế ion đồng:

\[
\ce{Fe(s) + Cu^2+(aq) -> Fe^2+(aq) + Cu(s)}
\]

Do đó:

\[
\ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

Bây giờ nối các phép so sánh đó lại:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

Việc sử dụng tính bắc cầu này rất quan trọng. Nếu magie nằm trên kẽm, và kẽm nằm trên sắt, bạn không cần thêm một thí nghiệm nữa để biết rằng magie cũng phải nằm trên sắt.

Thực tế bạn nên quan sát điều gì?

Đừng giản lược mọi quan sát thành “có bọt khí hay không có bọt khí”. Phản ứng thế giữa kim loại và ion kim loại thường hoàn toàn không tạo ra khí.

Bằng chứng có thể bao gồm:

• một lớp chất rắn mới hình thành trên kim loại ban đầu
• kim loại ban đầu hòa tan hoặc thay đổi kết cấu bề mặt
• dung dịch có màu trở nên nhạt hơn hoặc đổi màu
• sự thay đổi nhiệt độ có thể đo được
• sự thay đổi khối lượng, nếu quy trình được thiết kế để đo điều đó

Bạn cần bằng chứng có thể phân biệt một phản ứng hóa học với các vết xước, lớp oxit, tinh thể muối hoặc sự nhiễm bẩn.

03Bài thực hành phải là một phép so sánh công bằng

Giả sử một dải kẽm vừa được đánh bóng, còn một dải khác có lớp oxit dày hoặc lớp dầu mỡ. Nếu dải đã đánh bóng phản ứng còn dải bẩn thì không, bạn đã biết thêm điều gì đó về tình trạng bề mặt, chứ chưa chắc đã biết điều gì mới về vị trí của kẽm trong dãy hoạt động.

Để các phép so sánh có ý nghĩa, hãy giữ các điều kiện quan trọng nhất quán nhất có thể:

• sử dụng các bề mặt kim loại có kích thước tương tự và vừa được chuẩn bị sạch
• sử dụng cùng nồng độ và thể tích của từng dung dịch ion kim loại khi thích hợp
• giữ nhiệt độ và thời gian phản ứng nhất quán
• tránh làm nhiễm bẩn dung dịch bằng ống nhỏ giọt hoặc mảnh kim loại từ phép thử khác
• rửa dụng cụ giữa các lần thử
• lặp lại những quan sát còn nghi ngờ

Hãy tuân theo đánh giá rủi ro của trường, hướng dẫn của giáo viên và thông tin an toàn liên quan đến các hóa chất đang được sử dụng.

Phương pháp này cũng có một giới hạn về mặt hóa học. Bạn sẽ không cố xếp hạng mọi kim loại bằng cách cho các kim loại Nhóm 1 có hoạt tính rất mạnh vào dung dịch muối nước. Bản thân nước đã phản ứng mạnh với các kim loại đó. Những phần khác nhau của một dãy hoạt động đầy đủ cần các loại bằng chứng khác nhau.

Đó là một lý do vì sao dãy thực nghiệm cuối cùng nên được so sánh với một nguồn thứ cấp đáng tin cậy thay vì tự xem nó là toàn bộ sự thật.

04Đừng nhầm tốc độ phản ứng với vị trí trong dãy

Sau đây là một lập luận nghe có vẻ hợp lý:

Kim loại A tạo ra lớp phủ trong mười giây, còn kim loại B mất hai phút. Vì vậy A phải nằm cao hơn trong dãy hoạt động.

Kết luận đó không suy ra được từ bằng chứng trên.

Dãy hoạt động chủ yếu liên quan đến chiều của một phản ứng oxi hóa-khử: kim loại nào dễ bị oxi hóa hơn so với kim loại khác. Tốc độ mà bạn quan sát thấy phản ứng là một câu hỏi về động học.

Một phản ứng có thể thuận lợi về mặt nhiệt động học nhưng vẫn diễn ra chậm.

Nhôm là ví dụ cảnh báo kinh điển. Nhôm tương đối hoạt động, nhưng bề mặt của nó nhanh chóng hình thành một lớp oxit mỏng, bám rất chắc. Lớp này có thể ngăn phần nhôm bên dưới tiếp xúc với dung dịch.

Vì vậy, một học sinh có thể cho nhôm vào dung dịch ion kim loại, thấy rất ít hiện tượng xảy ra rồi kết luận rằng nhôm chắc hẳn không hoạt động.

Quan sát là có thật. Kết luận thì chưa chắc.

Ý tưởng còn thiếu là sự thụ động hóa: một lớp bảo vệ trên bề mặt có thể làm chậm hoặc ngăn một phản ứng vốn thuận lợi trở nên quan sát được trong khoảng thời gian của thí nghiệm.

05So sánh dãy thực hành của bạn với dãy từ nguồn thứ cấp

Từ bài thực hành đại diện ở trên, chúng ta thu được:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

Để so sánh, một tài liệu giáo dục của Royal Society of Chemistry đưa ra thứ tự giảm dần về độ hoạt động là \(\ce{K}\), \(\ce{Na}\), \(\ce{Li}\), \(\ce{Ca}\), \(\ce{Mg}\), \(\ce{Al}\), \(\ce{Zn}\), \(\ce{Fe}\), \(\ce{Cu}\), \(\ce{Ag}\) và \(\ce{Au}\).

Bốn kim loại đã thử của chúng ta xuất hiện theo đúng cùng thứ tự tương đối:

Sự phù hợp đó có ý nghĩa, nhưng hãy diễn đạt chính xác ý nghĩa của nó. Bài thực hành của bạn không xác lập bằng thực nghiệm vị trí của kali, natri, liti, canxi, nhôm, bạc hoặc vàng. Nó chỉ xếp hạng những kim loại thực sự đã được so sánh.

Vì vậy, một kết luận chặt chẽ có thể là:

Thứ tự xác định bằng thực nghiệm \(\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}\) phù hợp với vị trí tương đối của các kim loại này trong dãy hoạt động lấy từ nguồn thứ cấp.

Một kết luận yếu hơn sẽ là:

Thí nghiệm đã chứng minh toàn bộ dãy hoạt động đã công bố.

Thí nghiệm không làm được điều đó.

Các dãy đã công bố cũng có thể chứa những chất tham chiếu như hiđro, và một số phiên bản có cả cacbon vì cả hai đều hữu ích để dự đoán phản ứng và quá trình chiết tách, mặc dù chúng không phải là kim loại.

06Hiđro cung cấp thêm một mốc tham chiếu hữu ích cho dãy

Phản ứng thế ion kim loại không phải là loại bằng chứng duy nhất bạn có thể sử dụng.

Nếu một kim loại phản ứng với một axit loãng, không có tính oxi hóa thích hợp để giải phóng khí hiđro, kim loại đó có thể khử ion \(\mathrm{H}^{+}\):

\[
\ce{M(s) + 2H+(aq) -> M^2+(aq) + H2(g)}
\]

Đối với một kim loại tạo ion \(2+\), điều đó cho biết kim loại nằm trên hiđro trong dãy hoạt động thông thường.

Ví dụ, kẽm:

\[
\ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^2+(aq) + H2(g)}
\]

Đồng thường không giải phóng hiđro từ một axit loãng, không có tính oxi hóa, vì vậy nó nằm dưới hiđro.

Bạn có thể tìm hiểu kỹ hơn về loại bằng chứng này trong Độ hoạt động của kim loại với axit loãng: Hướng dẫn HSC Chemistry.

Phản ứng với nước cung cấp một nhóm quan sát khác, mặc dù điều kiện phản ứng có ảnh hưởng rất lớn. Một số kim loại phản ứng dễ dàng với nước lạnh, trong khi những kim loại khác cần hơi nước hoặc hầu như không có phản ứng quan sát được. Sự khác biệt này được trình bày trong Độ hoạt động của kim loại với nước: Hướng dẫn HSC Chemistry.

Đừng gộp các quan sát này thành một bảng xếp hạng chỉ dựa trên phép thử nào trông kịch tính nhất. Một phản ứng dữ dội với nước, một phản ứng chậm với axit và một phản ứng thế ion kim loại liên quan đến các chất phản ứng khác nhau và các rào cản động học khác nhau.

07Một quy tắc quyết định ngắn gọn

Đối với phép thử gồm kim loại rắn \(A\) và ion của kim loại \(B\):

\[
\ce{A(s) + B^{n+}(aq) -> A^{m+}(aq) + B(s)}
\]

Nếu thực sự xảy ra phản ứng thế, thì \(A\) hoạt động mạnh hơn \(B\):

\[
A > B
\]

Các điện tích \(m+\) và \(n+\) không nhất thiết phải giống nhau. Bạn chỉ cần cân bằng sự chuyển electron một cách chính xác.

Ví dụ, nhôm và đồng liên quan đến số electron khác nhau:

\[
\ce{Al(s) -> Al^3+(aq) + 3e^-}
\]

\[
\ce{Cu^2+(aq) + 2e^- -> Cu(s)}
\]

Bội chung nhỏ nhất của 3 và 2 là 6, cho:

\[
\ce{2Al(s) + 3Cu^2+(aq) -> 2Al^3+(aq) + 3Cu(s)}
\]

Các hệ số tỉ lượng xuất phát từ việc cân bằng electron. Chúng không có nghĩa là đồng bằng cách nào đó “hoạt động mạnh hơn” chỉ vì có ba ion đồng cho mỗi hai nguyên tử nhôm.

08Làm gì khi kết quả thực hành và nguồn tham khảo không khớp

Sự không khớp không phải là tín hiệu để thay đổi số liệu cho đến khi chúng giống nhau.

Hãy xem xét lần lượt bằng chứng.

Lập luận thực nghiệm mạnh nhất thường kết hợp nhiều phép so sánh từng cặp nhất quán với nhau.

Nếu \(A>B\), \(B>C\), và một phép thử độc lập cũng cho \(A>C\), thì các bằng chứng phù hợp với nhau. Nếu một quan sát riêng lẻ mâu thuẫn với cả ba, hãy điều tra quan sát đó trước khi xây dựng lại toàn bộ dãy xung quanh nó.

09Hãy xây dựng dãy trước khi giải thích

Trong câu trả lời bài thi, hãy tách biệt quan sát và diễn giải.

Giả sử kết quả cho thấy:

• magie thế ion kẽm
• kẽm thế ion sắt
• sắt thế ion đồng

Một chuỗi lập luận rõ ràng là:

1. \(\ce{Mg}\) thế \(\mathrm{Zn}^{2+}\), vì vậy \(\ce{Mg}\) dễ bị oxi hóa hơn \(\ce{Zn}\).
2. \(\ce{Zn}\) thế \(\mathrm{Fe}^{2+}\), vì vậy \(\ce{Zn}\) hoạt động mạnh hơn \(\ce{Fe}\).
3. \(\ce{Fe}\) thế \(\mathrm{Cu}^{2+}\), vì vậy \(\ce{Fe}\) hoạt động mạnh hơn \(\ce{Cu}\).
4. Do đó:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

1. Sau đó có thể so sánh thứ tự này với nguồn thứ cấp đã chọn.

Hãy chú ý đến logic. Bạn không nói rằng “magie nằm cao trong dãy đã học thuộc, vì vậy thí nghiệm chắc chắn phải cho phản ứng”. Bạn đang dùng thí nghiệm để xây dựng một dãy, rồi kiểm tra dãy đó bằng thông tin độc lập.

Chính sự khác biệt này làm cho bài thực hành có giá trị về mặt khoa học.

10Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một dải magie được đặt vào dung dịch chứa ion \(\mathrm{Cu}^{2+}\). Một chất rắn màu nâu đỏ hình thành trên dải và magie từ từ hòa tan.

Hãy nêu kim loại nào nằm cao hơn trong dãy hoạt động và viết phương trình ion rút gọn.

Lời giải 1

Magie nằm cao hơn đồng trong dãy hoạt động, và phương trình ion rút gọn là:

\[
\ce{Mg(s) + Cu^2+(aq) -> Mg^2+(aq) + Cu(s)}
\]

Nguyên tử magie mất hai electron:

\[
\ce{Mg(s) -> Mg^2+(aq) + 2e^-}
\]

Các ion đồng nhận các electron đó:

\[
\ce{Cu^2+(aq) + 2e^- -> Cu(s)}
\]

Vì vậy, magie bị oxi hóa và ion đồng bị khử. Lớp đồng rắn lắng đọng là bằng chứng trực tiếp cho thấy magie có thể thế ion đồng.

Một lỗi thường gặp là nói rằng đồng “hoạt động mạnh hơn” vì đồng xuất hiện trên dải kim loại. Thực tế là ngược lại: đồng xuất hiện vì magie hoạt động mạnh hơn đã cung cấp electron cho \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

Câu hỏi 2

Ba kim loại chưa biết \(X\), \(Y\) và \(Z\) đều tạo ion \(2+\).

Các quan sát đáng tin cậy sau đây được thực hiện:

• \(X\) thế \(\mathrm{Y}^{2+}\)
• \(Y\) phản ứng với axit clohiđric loãng và giải phóng hiđro
• \(Z\) không phản ứng với axit clohiđric loãng
• \(Z\) thế \(\mathrm{Cu}^{2+}\)

Giả sử các bề mặt đều sạch và không có rào cản động học đáng kể.

Hãy sắp xếp \(X\), \(Y\), \(Z\), hiđro và đồng theo mức độ hoạt động giảm dần. Sau đó dự đoán liệu \(Y\) có thế \(\mathrm{Cu}^{2+}\) hay không.

Lời giải 2

Thứ tự là:

\[
X > Y > \ce{H} > Z > \ce{Cu}
\]

và \(Y\) sẽ thế \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

Bắt đầu với phản ứng thế kim loại. \(X\) thế \(\mathrm{Y}^{2+}\), nên:

\[
X > Y
\]

Tiếp theo, \(Y\) phản ứng với axit loãng:

\[
\ce{Y(s) + 2H+(aq) -> Y^2+(aq) + H2(g)}
\]

Do đó:

\[
Y > \ce{H}
\]

Kim loại \(Z\) không thế hiđro ra khỏi axit. Theo giả định đã nêu rằng kết quả không phản ứng là đáng tin cậy:

\[
\ce{H} > Z
\]

Tuy nhiên, \(Z\) lại thế ion đồng:

\[
\ce{Z(s) + Cu^2+(aq) -> Z^2+(aq) + Cu(s)}
\]

nên:

\[
Z > \ce{Cu}
\]

Kết hợp mọi điều kiện ràng buộc cho:

\[
X > Y > \ce{H} > Z > \ce{Cu}
\]

Vì \(Y\) nằm trên hiđro, hiđro nằm trên \(Z\), và \(Z\) nằm trên đồng, \(Y\) cũng phải nằm trên đồng. Vì vậy, nó phải thế được \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

Cách suy luận dễ mắc sai lầm là xem các phép thử với axit và các phép thử với ion kim loại là những quan sát không liên quan. Chúng có thể được kết hợp vì hiđro đóng vai trò là một vị trí tham chiếu trong dãy hoạt động.

Câu hỏi 3

Một học sinh thử magie, nhôm, kẽm và đồng.

Kết quả là:

• magie thế \(\mathrm{Zn}^{2+}\) và \(\mathrm{Cu}^{2+}\)
• kẽm thế \(\mathrm{Cu}^{2+}\)
• đồng không thế \(\mathrm{Zn}^{2+}\)
• một dải nhôm vẫn còn nguyên lớp oxit bề mặt bình thường không cho thấy phản ứng quan sát được với bất kỳ dung dịch ion nào trong ba dung dịch trong phép thử kéo dài 60 giây

Học sinh kết luận:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Cu} > \ce{Al}
\]

Một nguồn thứ cấp đáng tin cậy lại cho thứ tự tương đối:

\[
\ce{Mg} > \ce{Al} > \ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

Hãy đánh giá kết luận của học sinh và mô tả cách bạn sẽ điều tra sự khác biệt này.

Lời giải 3

Việc học sinh đặt nhôm dưới đồng không được thí nghiệm này chứng minh; kết quả thực hành chắc chắn là \(\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Cu}\), còn vị trí của nhôm cần được điều tra thêm.

Các kết quả phản ứng thế xảy ra cung cấp bằng chứng mạnh:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn}
\]

và:

\[
\ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

nên:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

Bằng chứng về nhôm thì khác. Nhôm được thử khi lớp oxit của nó vẫn còn nguyên. Oxit nhôm có thể làm bề mặt bị thụ động hóa và hạn chế sự tiếp xúc giữa kim loại bên dưới với dung dịch.

Do đó, “không có phản ứng quan sát được trong 60 giây” không xác lập chắc chắn rằng:

\[
\ce{Cu} > \ce{Al}
\]

Phép thử nên được lặp lại với bề mặt nhôm vừa được chuẩn bị sạch, đồng thời kiểm soát nồng độ dung dịch, thể tích, nhiệt độ, diện tích kim loại tiếp xúc và thời gian quan sát. Việc lặp lại các thử nghiệm sẽ làm phép so sánh đáng tin cậy hơn.

Kết luận dễ mắc sai lầm là cho rằng mọi quan sát không phản ứng đều có độ mạnh bằng chứng như một phản ứng thế xảy ra. Không phải vậy. Một lớp chất rắn lắng đọng có thể trực tiếp chứng minh sự chuyển electron, trong khi quan sát không phản ứng cũng có thể là kết quả của một rào cản động học hoặc bề mặt.

Vì vậy, sự không phù hợp với nguồn thứ cấp là hữu ích. Nó cho biết phần nào của phương pháp thực hành cần được kiểm tra, thay vì bảo chúng ta bỏ qua một trong hai nguồn bằng chứng.

Câu hỏi 4

Một dải kẽm sạch có khối lượng ban đầu là \(2.5000\ \mathrm{g}\). Nó được đặt trong dung dịch đồng(II) sunfat dư. Sau phản ứng, toàn bộ đồng lắng đọng vẫn bám trên dải. Dải được rửa, làm khô hoàn toàn và có khối lượng cuối cùng là \(2.4944\ \mathrm{g}\).

Giả sử phản ứng duy nhất là:

\[
\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)}
\]

Sử dụng \(M(\ce{Zn}) = 65.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) và \(M(\ce{Cu}) = 63.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).

Hãy tính:

1. lượng kẽm đã phản ứng
2. khối lượng kẽm bị mất
3. khối lượng đồng lắng đọng

Sau đó giải thích vì sao sự thay đổi khối lượng tổng rất nhỏ không có nghĩa là chỉ có rất ít phản ứng xảy ra.

Lời giải 4

Khoảng \(0.00306\ \mathrm{mol}\) kẽm đã phản ứng, tương ứng với \(0.200\ \mathrm{g}\) kẽm bị mất và \(0.194\ \mathrm{g}\) đồng lắng đọng. Vì vậy, một phản ứng thế đáng kể vẫn có thể tạo ra sự thay đổi khối lượng tổng rất nhỏ vì khối lượng mol của kẽm bị mất và đồng được thêm vào khá gần nhau.

Sự thay đổi khối lượng đo được là:

\[
\Delta m = 2.4944 – 2.5000 = -0.0056\ \mathrm{g}
\]

Với mỗi một mol kẽm phản ứng, một mol đồng được lắng đọng.

Do đó, một mol phản ứng làm thay đổi khối lượng của dải một lượng:

\[
63.55 – 65.38 = -1.83\ \mathrm{g\,mol^{-1}}
\]

Gọi \(n\) là số mol kẽm đã phản ứng. Khi đó:

\[
n=\frac{0.0056\ \mathrm{g}}{1.83\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}
=0.00306\ \mathrm{mol}
\]

Khối lượng kẽm bị oxi hóa là:

\[
m(\ce{Zn})
=nM
=(0.00306\ \mathrm{mol})(65.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}})
\approx 0.200\ \mathrm{g}
\]

Khối lượng đồng lắng đọng là:

\[
m(\ce{Cu})
=(0.00306\ \mathrm{mol})(63.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}})
\approx 0.194\ \mathrm{g}
\]

Do đó, sự thay đổi tổng xấp xỉ:

\[
0.194 – 0.200=-0.006\ \mathrm{g}
\]

phù hợp với độ giảm đo được sau khi làm tròn.

Điểm dễ mắc sai lầm là dùng sự thay đổi khối lượng cuối cùng như thể đó là lượng vật chất đã phản ứng. Có hai sự thay đổi khối lượng xảy ra đồng thời: kẽm rời khỏi dải trong khi đồng được thêm vào. Hai thay đổi này gần như triệt tiêu nhau.

Mặc dù khối lượng tổng chỉ thay đổi rất ít, khoảng \(0.200\ \mathrm{g}\) kẽm đã bị oxi hóa. Chiều của phản ứng thế vẫn cho kết luận quan trọng về dãy hoạt động:

\[
\ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

Câu hỏi 5

Một dải sắt trước tiên được đặt vào dung dịch chứa \(\mathrm{Cu}^{2+}\). Đồng lắng đọng trên sắt, cho thấy:

\[
\ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

Dải sắt phủ đồng được rửa thật kỹ rồi chuyển sang một dung dịch mới chứa \(\mathrm{Ag}^{+}\), mà không loại bỏ lớp phủ đồng.

Các tinh thể bạc hình thành. Khi kết thúc giai đoạn thứ hai, phân tích dung dịch phát hiện \(\mathrm{Fe}^{2+}\) nhưng không phát hiện được \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

Một học sinh lập luận:

Vì không có \(\mathrm{Cu}^{2+}\) trong dung dịch cuối cùng, lớp phủ đồng không thể đã phản ứng với ion bạc. Do đó, thí nghiệm này không chứng minh được điều gì về vị trí của đồng so với bạc.

Hãy xác định thí nghiệm chứng minh được điều gì về sắt và bạc, liệu nó có chứng minh được điều gì về đồng và bạc hay không, và giải thích vì sao việc không có \(\mathrm{Cu}^{2+}\) ở cuối thí nghiệm không xác định được duy nhất một cơ chế phản ứng. Hãy nêu một thí nghiệm bổ sung có thể giải quyết phép so sánh đồng-bạc.

Lời giải 5

Giai đoạn thứ hai hỗ trợ \(\ce{Fe} > \ce{Ag}\), nhưng tự nó không xác lập vị trí tương đối của đồng và bạc. Việc không có \(\mathrm{Cu}^{2+}\) ở cuối không thể chứng minh rằng đồng chưa từng phản ứng, vì bất kỳ \(\mathrm{Cu}^{2+}\) nào được tạo thành trước đó cũng có thể đã bị sắt khử trở lại thành đồng.

Một con đường phản ứng có thể xảy ra là ion bạc bị sắt khử trực tiếp:

\[
\ce{Fe(s) + 2Ag+(aq) -> Fe^2+(aq) + 2Ag(s)}
\]

Phản ứng này tạo ra chính những quan sát cuối cùng quan trọng: bạc kim loại và \(\mathrm{Fe}^{2+}\). Nó hỗ trợ:

\[
\ce{Fe} > \ce{Ag}
\]

Lớp phủ đồng có thể đơn giản vẫn còn đó trong khi sự chuyển electron liên quan đến sắt xảy ra tại những vùng sắt còn lộ ra trên dải.

Nhưng còn có một chuỗi phản ứng khả dĩ khác.

Đầu tiên, đồng có thể khử ion bạc:

\[
\ce{Cu(s) + 2Ag+(aq) -> Cu^2+(aq) + 2Ag(s)}
\]

Nếu điều đó xảy ra, đồng sẽ tạm thời đi vào dung dịch dưới dạng \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

Tuy nhiên, từ thí nghiệm đầu tiên chúng ta đã biết sắt nằm trên đồng. Vì vậy, phần sắt lộ ra có thể khử các ion đồng đó trở lại thành đồng:

\[
\ce{Fe(s) + Cu^2+(aq) -> Fe^2+(aq) + Cu(s)}
\]

Cộng hai phương trình này lại và đồng bị triệt tiêu:

\[
\ce{Cu(s) + 2Ag+(aq) -> Cu^2+(aq) + 2Ag(s)}
\]

\[
\ce{Fe(s) + Cu^2+(aq) -> Fe^2+(aq) + Cu(s)}
\]

Tổng thể:

\[
\ce{Fe(s) + 2Ag+(aq) -> Fe^2+(aq) + 2Ag(s)}
\]

Đó là cùng một phản ứng tổng như con đường trực tiếp giữa sắt và bạc.

Vì vậy, trong cả hai trường hợp, hỗn hợp cuối cùng đều có thể chứa bạc và \(\mathrm{Fe}^{2+}\), mà không có \(\mathrm{Cu}^{2+}\) ở mức có thể phát hiện.

Đây là điểm then chốt: các sản phẩm cuối cùng có thể xác lập sự biến đổi hóa học tổng thể mà không cho biết mọi bước chuyển electron trung gian.

Thí nghiệm bổ sung cần cô lập phép so sánh vẫn còn chưa chắc chắn. Hãy đặt một mẫu đồng sạch trực tiếp vào một dung dịch mới chứa \(\mathrm{Ag}^{+}\) trong các điều kiện được kiểm soát phù hợp.

Nếu đồng thế ion bạc, điều đó trực tiếp hỗ trợ:

\[
\ce{Cu} > \ce{Ag}
\]

Nếu một phép thử trực tiếp đáng tin cậy cho thấy không có phản ứng thế, thứ tự ngược lại được hỗ trợ trong những điều kiện đó.

Cách suy luận dễ mắc sai lầm là xem “không có mặt ở cuối” đồng nghĩa với “chưa từng tồn tại”. Một chất hóa học có thể được hình thành rồi sau đó bị tiêu thụ trong một phản ứng tiếp theo, vì vậy suy luận đó không hợp lệ.

11Dãy hoạt động chuẩn bị cho bạn điều gì tiếp theo

Dãy hoạt động biến các quan sát thực hành thành dự đoán về sự chuyển electron. Một khi bạn có thể đọc một phản ứng thế theo cách “kim loại này bị oxi hóa trong khi các ion kia bị khử”, một số ý tưởng sau đó sẽ trở nên dễ hiểu hơn nhiều.

Bước tiếp theo là thay chiếc thang định tính bằng điện hóa học định lượng. Thế điện cực chuẩn cho phép bạn so sánh xu hướng oxi hóa-khử bằng số, dự đoán phản ứng trong pin điện hóa và giải thích vì sao nồng độ cùng các điều kiện khác có thể có ảnh hưởng.

Vì vậy, dãy hoạt động không chỉ là một danh sách các kim loại. Đây là mô hình cô đọng đầu tiên giúp bạn quyết định chất nào sẽ nhường electron, chất nào sẽ nhận electron, và loại bằng chứng nào đủ mạnh để biện minh cho kết luận đó.