Żelazo i inne metale: Fe, Cu, Ag, Zn i ich stopy

🎯 Po co Ci to?

Żelazo buduje mosty, stal nierdzewna tworzy chirurgiczne narzędzia, miedź jest w każdym przewodzie elektrycznym, srebro w styku aparatu foto, cynk chroni żelazo przed korozją (cynkowanie). To pierwiastki, bez których cywilizacja techniczna nie istnieje. I każdy z nich ma osobliwy charakter chemiczny — szczególnie w reakcjach z kwasami.

✅ Czego się nauczysz

• opisywać właściwości Fe i pisać równania jego reakcji z kwasami nieutleniającymi i utleniającymi;
• opisywać właściwości Cu, Ag i Zn i wyjaśniać, dlaczego Cu i Ag nie reagują z HCl;
• wyjaśniać podstawowe stopy (mosiądz, brąz, stal nierdzewna) i ich właściwości.

🔁 Przypomnij sobie

Szereg napięciowy (aktywności) metali uszeregowuje je od najsilniejszego reduktora (Cs, K, …) do najsłabszego (Pt, Au). Metal wypiera z roztworu sól każdego metalu stojącego niżej (za nim). Kluczowe pozycje: $$\dots \text{Al} > \text{Zn} > \text{Fe} > \text{Pb} > \text{H}_2 > \text{Cu} > \text{Ag} > \text{Au}$$

Metale stojące przed wodorem wypierają H₂ z kwasów nieutleniających. Cu, Ag, Au stoją za wodorem — nie reagują z kwasami nieutleniającymi.

📘 Wyjaśnienie

Żelazo — dwa stopnie utlenienia

💭 Pomyśl: Żelazo reaguje z rozcieńczonym HCl. Jaka jest liczba oksydacyjna żelaza w produkcie? Pamiętaj, że żelazo tworzy jony Fe²⁺ i Fe³⁺.

Sprawdź odpowiedź

W reakcji z rozcieńczonym HCl (kwas nieutleniający): Fe odda dwa elektrony (łatwiej niż trzy), dając Fe²⁺. Produkt: $\text{FeCl}_2$ (chlorek żelaza(II)).

$$\text{Fe} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$$

Z rozcieńczonym $\text{H}_2\text{SO}_4$: $\text{Fe} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{H}_2\uparrow$ — też Fe²⁺.

Ale gdy kwas jest utleniający (stężony lub rozcieńczony HNO₃, gorący stężony H₂SO₄):

⚠️ Uwaga, pułapka: To tu uczniowie najczęściej mylą reakcje.

• Fe + rozcieńczony HCl lub H₂SO₄ → FeCl₂ (Fe²⁺) + H₂
• Fe + rozcieńczony HNO₃ → Fe(NO₃)₃ (Fe³⁺) + NO + H₂O
• Fe + stężony HNO₃ na zimno → pasywacja (jak Al)

Z kwasem utleniającym (HNO₃) żelazo utlenia się do Fe³⁺, a redukowanym produktem jest tlenek azotu NO (lub NO₂ ze stężonym HNO₃) — nie wydziela się H₂!

$$8\text{Fe} + 30\text{HNO}_3\ (\text{rozc.}) \rightarrow 8\text{Fe(NO}_3)_3 + 3\text{NH}_4\text{NO}_3 + 9\text{H}_2\text{O}$$ (uproszczona wersja bilansowania): $$\text{Fe} + 4\text{HNO}_3\ (\text{rozc.}) \rightarrow \text{Fe(NO}_3)_3 + \text{NO}\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$$

Dlaczego Fe³⁺ z HNO₃? HNO₃ jest silniejszym utleniaczem niż H⁺ — jest w stanie odebrać żelazu trzy elektrony, nie dwa. Rozcieńczony HCl może odebrać tylko dwa (mniej egzergiczny układ).

📐 DEFINICJA — kwas utleniający: kwas, którego anion (lub reszta kwasowa) działa jako utleniacz niezależnie od H⁺; przykłady: HNO₃ (anion NO₃⁻), gorący stężony H₂SO₄ (anion SO₄²⁻ w formie SO₃). Kwasy nieutleniające utleniają metalem H⁺ (H₂ ucieka).

Żelazo i stal

Żelazo handlowe zawiera węgiel — stal to stop Fe–C (0,02–2,0% C). Więcej węgla → większa twardość i kruchość, mniej → bardziej ciągliwa. Stal nierdzewna = stop z Cr (~18%) i Ni (~8%) — chromu tlenek Cr₂O₃ pasywuje powierzchnię, Ni zwiększa plastyczność.

📐 DEFINICJA — stal nierdzewna: stop żelaza z chromem (min. 10,5% Cr), często z niklem; Cr₂O₃ na powierzchni pasywuje stop, zabezpieczając przed korozją.

Miedź i srebro — metale za wodorem w szeregu

💭 Pomyśl: Dlaczego Cu i Ag nie reagują z HCl, choć są metalami?

Sprawdź odpowiedź

Cu i Ag stoją w szeregu napięciowym za wodorem — mają mniejszy potencjał redukcyjny od H⁺. Oznacza to, że reakcja $\text{Cu} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CuCl}_2 + \text{H}_2$ byłaby endoergiczna (samorzutnie nieprzysparzalna). Protony z HCl nie mają dość siły utleniającej, by odebrać elektrony od Cu.

Ale: stężony HNO₃ lub gorący stężony H₂SO₄ reagują z miedzią, bo NO₃⁻ / SO₄²⁻ są silnymi utleniaczami — utleniają Cu bez potrzeby ucieczki H₂:

$$3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3\ (\text{rozc.}) \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}\uparrow + 4\text{H}_2\text{O}$$ $$\text{Cu} + 4\text{HNO}_3\ (\text{stęż.}) \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$$

Srebro reaguje analogicznie — nie z HCl, ale z HNO₃: $$3\text{Ag} + 4\text{HNO}_3\ (\text{rozc.}) \rightarrow 3\text{AgNO}_3 + \text{NO}\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$$

Cynk stoi przed wodorem, więc reaguje z HCl: $$\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$$

Cynk jest też amfoteryczny — podobnie jak Al reaguje z zasadami: $$\text{Zn} + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{ZnO}_2 + \text{H}_2\uparrow$$

Stopy metali

Mosiądz — stop Cu i Zn (10–40% Zn). Złocisty, odporny na korozję, plastyczny. Łuski nabojów, instrumenty dęte, zawory wodociągowe.

Brąz — stop Cu i Sn (cynowy, 5–20% Sn). Twardszy niż mosiądz, odporny. Dzwony, łożyska, rzeźby. Brąz aluminiowy (Cu + Al) — jeszcze twardszy.

📐 DEFINICJA — mosiądz: stop Cu i Zn; złocisty, plastyczny, odporny na korozję.

📐 DEFINICJA — brąz: stop Cu i Sn (lub Al); twardszy od mosiądzu; stosowany w odlewnictwie.

🗣️ Do dyskusji

Dlaczego cynkowanie chroni żelazo? Cynk pokrywa żelazo fizycznie. Ale nawet gdy powłoka cynku zostanie uszkodzona, żelazo chroni coś więcej — cynk stoi wyżej w szeregu napięciowym niż żelazo. W kontakcie z elektrolitem (deszcz, wilgoć) cynk utlenia się zamiast żelaza — jest anodą ofiarną. Warto to porównać z cyną: cyna stoi niżej od żelaza, więc uszkodzona puszka blaszana (Fe pokryty Sn) rdzewieje szybciej niż gołe żelazo!

📐 Definicje tej lekcji

• Kwas utleniający — reaguje metalem przez utleniający anion (NO₃⁻, SO₄²⁻), nie tylko H⁺; z Fe daje Fe³⁺, nie H₂.
• Kwas nieutleniający — utlenia metalem H⁺; z Fe daje Fe²⁺ i H₂.
• Stal nierdzewna — stop Fe z Cr (≥10,5%) i Ni; Cr pasywuje powierzchnię.
• Mosiądz — stop Cu i Zn.
• Brąz — stop Cu i Sn (lub Al).

📌 Najważniejsze w pigułce

• Fe + HCl / rozcieńczony H₂SO₄ → Fe²⁺ + H₂; Fe + rozcieńczony HNO₃ → Fe³⁺ + NO (bez H₂!).
• Cu i Ag nie reagują z HCl (stoją za H₂ w szeregu), ale reagują z HNO₃.
• Zn reaguje z HCl i z zasadami (amfoteryczność).
• Stal nierdzewna: pasywacja przez Cr₂O₃. Mosiądz: Cu+Zn. Brąz: Cu+Sn.

🎒 Zadania

Zadanie 10.4.1. Porównaj reakcję Fe z HCl i Fe z rozcieńczonym HNO₃. Napisz oba równania i wskaż, czym różnią się produkty.

Pokaż rozwiązanie

(a) $\text{Fe} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$ — Fe²⁺, wydziela się H₂.

(b) $\text{Fe} + 4\text{HNO}_3\ (\text{rozc.}) \rightarrow \text{Fe(NO}_3)_3 + \text{NO}\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$ — Fe³⁺, wydziela się NO (nie H₂).

Kluczowa różnica: z kwasem nieutleniającym — Fe²⁺; z utleniającym — Fe³⁺. Z nieutleniającym wydziela się H₂; z utleniającym — tlenek azotu NO.

Zadanie 10.4.2. Wyjaśnij, dlaczego miedź nie reaguje z rozcieńczonym H₂SO₄, ale reaguje ze stężonym HNO₃. Zapisz równanie reakcji Cu ze stężonym HNO₃.

Pokaż rozwiązanie

Cu stoi za H₂ w szeregu napięciowym — H⁺ z H₂SO₄ nie są dość silnym utleniaczem. Anion SO₄²⁻ w roztworze rozcieńczonym też nie jest utleniaczem. Stężony HNO₃: anion NO₃⁻ działa jako silny utleniacz niezależnie od H⁺ — utlenia Cu do Cu²⁺:

$\text{Cu} + 4\text{HNO}_3\ (\text{stęż.}) \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

Brunatny dym nad probówką to NO₂.

Zadanie 10.4.3. Jaką rolę pełni cynk w cynkowaniu ogniowym stali (poza uszczelnieniem powierzchni)?

Pokaż rozwiązanie

Cynk działa jako anoda ofiarna — stoi wyżej w szeregu napięciowym od Fe. Gdy powłoka cynkowa jest uszkodzona i w kontakcie z elektrolitem (woda, deszcz), cynk utlenia się zamiast żelaza. Dopóki jest cynk w pobliżu — żelazo jest katodą (nie rdzewieje). Po wyczerpaniu cynku dopiero żelazo zaczyna korodować.

🔍 Sprawdź, czy umiesz

• [ ] Napisać równania reakcji Fe z HCl i HNO₃ (rozcieńczonym); wyjaśnić różnicę w produktach.
• [ ] Wyjaśnić, dlaczego Cu i Ag nie reagują z HCl, ale reagują z HNO₃.
• [ ] Opisać skład i zastosowania mosiądzu, brązu i stali nierdzewnej.

---