Metallerle tepkimeler ve amfoterlik

Bir öğrenci üç deney tüpüne seyreltik hidroklorik asit koyuyor ve her birine bir metal parçası atıyor. Çinko parçasının çevresinde hemen kabarcıklar yükseliyor, demir daha yavaş köpürüyor, bakır ise hiç kıpırdamıyor. Aynı asit, üç metale üç farklı tepki veriyor. Sonra öğrenci aynı metalleri bir sodyum hidroksit çözeltisine atıyor; bu kez yalnızca çinko köpürüyor. Asitle tepkimeye giren demir bazda sessiz kalıyor, çinko ise iki ortamda da tepkimeye giriyor. Bir önceki derste tuzların oluşum yollarından birinin metal ile asit tepkimesi olduğunu söylemiştik. Bu ders o yolu açıyor: hangi metaller asitlerle hidrojen gazı çıkarır, hangileri çıkarmaz ve neden bazı metaller birbirine karşıt iki ortamda da çözünür.

• Aktif metallerin asitlerle tuz ve hidrojen gazı oluşturduğunu denklemle gösterirsin.
• Metalin değerliğinden açığa çıkan hidrojenin mol sayısını hesaplarsın.
• Aktif, yarı soy ve tam soy metalleri asitlere karşı davranışlarıyla ayırt edersin.
• Amfoter metalleri, oksitlerini ve hidroksitlerini tanır, bazlarla tepkimelerini yazarsın.

Metaller ve asitler

Aktif bir metal seyreltik hidroklorik asit ya da seyreltik sülfürik asit içine atıldığında asidin hidrojen iyonlarına elektron verir. Hidrojen iyonları hidrojen gazına dönüşür, metal ise artı yüklü bir iyon olarak çözeltiye geçer ve asidin anyonuyla bir tuz oluşturur. Genel kalıp şöyledir: aktif metal + asit → tuz + hidrojen gazı. Demir seyreltik sülfürik asitle demir(II) sülfat ve hidrojen verir: Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂. Alüminyum hidroklorik asitle alüminyum klorür ve hidrojen verir: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. Magnezyum ve çinko da benzer biçimde birer klorür tuzu ve hidrojen gazı oluşturur.

Kaç mol hidrojen çıkar

Açığa çıkan hidrojenin miktarı, metalin bileşiklerinde aldığı yüke bağlıdır. Her hidrojen molekülü için iki elektron gerekir. Magnezyum ve çinko gibi +2 yük alan metallerin bir molü bir mol hidrojen verir. Alüminyum +3 yük aldığı için bir molü bir buçuk mol hidrojen verir; iki mol alüminyum üç mol hidrojen çıkarır. Sodyum ve potasyum gibi +1 yük alan metallerin bir molü ise yarım mol hidrojen verir. Bu oran, hangi asit kullanılırsa kullanılsın aynıdır, çünkü elektron veren metaldir.

Aktiflik sırası

Metallerin asitlerdeki hidrojen iyonuna elektron verme eğilimi farklıdır. Yaklaşık bir sıra şöyle yazılabilir: potasyum, sodyum, kalsiyum, magnezyum, alüminyum, çinko, demir, (hidrojen), bakır, cıva, gümüş, platin, altın. Hidrojenin solundaki metaller seyreltik asitlerden hidrojen gazı çıkarır; sola doğru gidildikçe tepkime hızlanır. Potasyum ve sodyum o kadar aktiftir ki asitle değil, suyla bile şiddetle tepkimeye girer; periyodik özellikler dersindeki su deneyi bunun örneğidir. Hidrojenin sağındaki metaller ise seyreltik asitlerden hidrojen çıkaramaz.

Soy ve yarı soy metaller

Hidrojenden daha az aktif olan metallere soy metal denir. Bunların bir kısmı yarı soy sayılır: bakır, cıva ve gümüş seyreltik hidroklorik asitle tepkimeye girmez, ama nitrik asit ya da derişik ve sıcak sülfürik asit gibi yükseltgen asitlerle tepkimeye girer. Bu tepkimelerde açığa çıkan gaz hidrojen değildir; nitrik asitte azot oksitleri, derişik sülfürik asitte kükürt dioksit oluşur. Altın ve platin ise tam soy metallerdir; tek tek asitlerin hiçbirinden etkilenmez. Onları çözebilen karışımlardan biri, derişik hidroklorik asit ile derişik nitrik asidin yaklaşık üçe bir oranında karıştırılmasıyla elde edilen kral suyudur; simyanın tarihini anlatan derste adı geçen karışım budur. Takıların, madalyaların ve bazı elektronik kontakların altınla kaplanması, bu tepkimezlikten yararlanır.

Amfoter metaller

Metallerin çoğu bazlarla tepkimeye girmez; demir, magnezyum ya da bakır sodyum hidroksit çözeltisine atıldığında bir şey olmaz. Çinko ve alüminyum ise hem asitlerle hem de kuvvetli bazlarla tepkimeye girer ve iki durumda da hidrojen gazı açığa çıkarır. Bu ikili davranışa amfoterlik, bu metallere amfoter metal denir. Çinko sodyum hidroksitle sodyum zinkat ve hidrojen verir: Zn + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂. Alüminyum sodyum hidroksitle sodyum alüminat ve hidrojen verir: 2Al + 6NaOH → 2Na₃AlO₃ + 3H₂. Hidrojenin mol oranı bazda da asitteki gibidir: bir mol alüminyum bir buçuk mol hidrojen verir.

Amfoter oksitler ve hidroksitler

Amfoter metallerin oksitleri ve hidroksitleri de aynı ikili davranışı taşır. Alüminyum oksit (Al₂O₃), çinko oksit (ZnO), alüminyum hidroksit ve çinko hidroksit asitlerle de bazlarla da etkileşir ve ürün olarak bir tuz ile su verir. Asitlik-bazlık dersinde gördüğümüz asidik ve bazik oksitlerin yanına böylece üçüncü bir grup eklenir: amfoter oksitler.

Laboratuvarda hidrojen, çatıda çinko

Metal-asit tepkimesi, laboratuvarda az miktarda hidrojen gazı elde etmenin en bilinen yoludur: çinko parçaları seyreltik hidroklorik asit ya da seyreltik sülfürik asitle tepkimeye sokulur ve çıkan gaz su dolu ters çevrilmiş bir tüpte toplanır. Tepkime, metal toz haline getirildiğinde ya da asit daha derişik olduğunda hızlanır, çünkü asit ile metalin temas ettiği yüzey ve çarpışma sayısı artar.

Aktiflik farkı gündelik bir korumada da kullanılır. Çatı sacları ve bazı demir borular ince bir çinko tabakasıyla kaplanır; bu işleme galvanizleme denir. Çinko demirden daha aktif olduğu için çevredeki nem ve asitlerle önce o tepkimeye girer ve alttaki demir uzun süre korunur.

Hidrojeni tanımak

Metal-asit tepkimesinde çıkan gazın hidrojen olduğu basit bir testle anlaşılır. Gaz bir tüpte toplanıp ağzına yanan bir kibrit yaklaştırıldığında küçük bir patlama sesi duyulur; hidrojen havadaki oksijenle hızla yanar. Karbon dioksit kireç suyunu bulandırır, oksijen ise korlaşmış bir tahta çubuğu yeniden alevlendirir; üç gaz bu testlerle birbirinden ayrılır.

Gündelik sonuçlar

Alüminyum tencerelerde sirkeli turşu, domates salçası gibi asidik yiyeceklerin ya da sodalı, bazik temizlik çözeltilerinin uzun süre bekletilmemesi önerilir; amfoter alüminyum iki ortamda da yavaş yavaş aşınabilir. Metallerin asitlere farklı davranması bir ayırma yolu da sunar: bakır ve çinko tozu karışımı yeterli miktarda seyreltik hidroklorik aside atılırsa çinko çözünür, bakır ise katı olarak geride kalır. Bu dersle birlikte asitler, bazlar ve tuzlar modülünün konuları tamamlanmış olur: tanımlar, özellikler, pH ve nötralleşme, tuzlar ve metallerle tepkimeler.

Örnek 1 — Ürünleri yazmak

Soru: Demir seyreltik sülfürik aside atıldığında ürünler nelerdir?

• A) FeO ve SO₂
• B) Fe₂O₃ ve H₂O
• C) FeS ve O₂
• D) FeSO₄ ve H₂
• E) Fe(OH)₂ ve SO₃

Çözüm: Demir asidin hidrojeninin yerini alır; tuz olarak demir(II) sülfat, gaz olarak hidrojen oluşur. Cevap: D.

Örnek 2 — Hidrojen hesabı

Soru: 0,2 mol alüminyum yeterli miktarda hidroklorik asitle tamamen tepkimeye giriyor. Açığa çıkan hidrojenin mol sayısı nedir?

• A) 0,30 mol H₂
• B) 0,20 mol H₂
• C) 0,10 mol H₂
• D) 0,60 mol H₂
• E) 0,40 mol H₂

Çözüm: Alüminyumun her molü bir buçuk mol hidrojen verir; 0,2 × 1,5 = 0,3 bulunur. Cevap: A.

Örnek 3 — Amfoterlik

Soru: Bir metal hem hidroklorik asitle hem de sodyum hidroksit çözeltisiyle hidrojen gazı çıkarıyor. Bu metal hangisi olabilir?

• A) Bakır
• B) Demir
• C) Magnezyum
• D) Gümüş
• E) Çinko

Çözüm: İki tür çözeltiyle de hidrojen veren metal amfoterdir. Cevap: E.

Örnek 4 — Soy metal

Soru: Bakır parçası seyreltik hidroklorik aside atılıyor. Ne gözlenir?

• A) Hızlı hidrojen çıkışı
• B) Tepkime gözlenmez.
• C) Oksijen gazı çıkar.
• D) Bakır klor gazına dönüşür.
• E) Çözelti hemen kaynar.

Çözüm: Bakır hidrojenden daha az aktif bir yarı soy metaldir. Cevap: B.

• Her metalin asitle hidrojen verdiğini sanmak. Bakır, gümüş ve altın seyreltik asitlerden hidrojen çıkarmaz.
• Yarı soy metallerin yükseltgen asitlerle verdiği gazı hidrojen sanmak. Bu gazlar azot oksitleri ya da kükürt dioksittir.
• Bazlarla her metalin tepkimeye girdiğini düşünmek. Bu davranış amfoter metallere özgüdür.
• Alüminyumun hidrojen oranını unutmak. Bir mol alüminyum bir buçuk mol hidrojen verir.
• Amfoter oksitleri asidik ya da bazik grupta saymak. Al₂O₃ ve ZnO ayrı bir gruptur.