Ряд активності металів на НМТ: як ним користуватися

Одним із трьох довідкових матеріалів, які ти отримаєш на НМТ з хімії, є Таблиця 4 — «Ряд активності металів». Це не просто список: це інструмент, який дозволяє швидко передбачити, чи відбудеться реакція між металом і кислотою або між металом і розчином солі. Навчитися читати цей ряд — одне з найважливіших практичних умінь для тесту.

Як виглядає ряд активності металів у довідці НМТ

У довідкових матеріалах НМТ ряд активності металів подано в такому вигляді (зліва направо):

Li, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Be, Al, Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb, (H₂), Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Усього в ряду 23 метали й один неметал — водень (H₂), узятий у дужки. Водень ділить ряд на дві частини:

• 17 металів ліворуч від (H₂) — від Li до Pb включно

• 6 металів праворуч від (H₂) — Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Чим лівіше стоїть метал, тим він активніший. Активність металу — це здатність віддавати електрони в хімічних реакціях, що відбуваються у водних розчинах. Найактивніший метал ряду — літій (Li), найменш активний — золото (Au).

Чим ряд активності відрізняється від періодичної системи

Порядок металів у ряду активності не збігається з порядком елементів у періодичній системі. Наприклад, у періодичній системі літій (Li) стоїть у 2-му періоді, а натрій (Na) — у 3-му, і натрій хімічно активніший за літій. Однак у ряду активності Li стоїть першим, а Na — аж після K, Ba, Sr і Ca. Чому так? Тому що ряд складено експериментально для реакцій у водних розчинах, і на активність впливає не лише положення в групі, а й енергія гідратації йонів, будова електронної оболонки тощо.

Чого немає в програмі, але є в довідці

Ряд активності в довідці НМТ ширший, ніж той, що наведено в додатку до програми ЗНО/НМТ. У довідці є п'ять додаткових металів:

Тобі не потрібно запам'ятовувати весь ряд напам'ять — на тесті він буде перед очима. Достатньо вміти знаходити в ньому будь-який метал і порівнювати положення двох металів.

Як порівнювати активність двох металів

Алгоритм простий:

1. Знайди обидва метали в ряду активності.

2. Визнач, який із них стоїть лівіше.

3. Той, що лівіше, — активніший.

Наприклад, Fe стоїть лівіше від Cu, тому залізо активніше за мідь. Zn стоїть лівіше від Fe, тому цинк активніший за залізо. Ag стоїть правіше від Cu, тому срібло менш активне, ніж мідь.

Одне з найпоширеніших завдань на НМТ — визначити, чи реагує метал із кислотою з виділенням водню. Ряд активності дає чітку відповідь: метали, що стоять лівіше від (H₂), здатні витісняти водень із розчинів хлоридної (HCl) і розведеної сульфатної (H₂SO₄) кислот.

Основне правило

Метал + кислота-неокисник → сіль + водень↑

Кислоти-неокисники — це хлоридна (HCl), розведена сульфатна (H₂SO₄), а також бромідна (HBr), флуоридна (HF), ортофосфатна (H₃PO₄) та інші, у яких окисником є йон H⁺. Для НМТ достатньо пам'ятати HCl і розведену H₂SO₄.

Приклади реакцій

Цинк із хлоридною кислотою:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

Магній із розведеною сульфатною кислотою:

Mg + H₂SO₄ (розв.) → MgSO₄ + H₂↑

Залізо з цими кислотами утворює солі Феруму(II), а не Феруму(III):

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑

Fe + H₂SO₄ (розв.) → FeSO₄ + H₂↑

Зверни увагу: у цих реакціях залізо має ступінь окиснення +2, а не +3. Тому FeCl₃ або Fe₂(SO₄)₃ у продуктах було б помилкою.

Які метали не реагують

Метали, що стоять праворуч від (H₂) — Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au — не витісняють водень із HCl і розведеної H₂SO₄. Наприклад, мідь і срібло з хлоридною кислотою взагалі не реагують. Це означає, що в пробірці з міддю та хлоридною кислотою не буде жодних змін — ні розчинення металу, ні бульбашок газу.

Важливе застереження: швидкість реакції

Ряд активності показує лише можливість реакції, а не її швидкість. Навіть якщо метал стоїть лівіше від (H₂), реакція може бути дуже повільною через захисну оксидну плівку на поверхні металу. Наприклад, алюміній (Al) спершу реагує з хлоридною кислотою повільно, поки кислота не розчинить оксидну плівку Al₂O₃, а далі активно виділяє водень: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑. Швидкість залежить від стану поверхні, концентрації кислоти й температури.

Виняток: нітратна й концентрована сульфатна кислоти

Правило витіснення водню НЕ діє для нітратної кислоти (HNO₃) будь-якої концентрації та концентрованої сульфатної кислоти (H₂SO₄ конц.). Це кислоти-окисники: у них окисником є не йон H⁺, а нітрат-йон NO₃⁻ або сульфат-йон SO₄²⁻. Тому водень як продукт не виділяється — відновлюється Нітроген або Сульфур кислотного залишку: з HNO₃ утворюються NO₂, NO, N₂O, N₂ чи NH₄NO₃, з H₂SO₄ (конц.) — SO₂, S чи H₂S (залежно від активності металу й концентрації кислоти). Реагувати з цими кислотами можуть навіть метали, що стоять праворуч від (H₂), — наприклад, мідь і срібло. Докладно ці реакції розглянуто в окремих юнітах «Нітратна кислота: взаємодія з магнієм, цинком і міддю» та «Концентрована сульфатна кислота: взаємодія з магнієм, цинком і міддю».

Другий тип завдань, де стане в пригоді ряд активності, — це реакції заміщення між металом і розчином солі. Тут правило звучить так: метал витісняє з розчину солі лише той метал, що стоїть у ряду правіше від нього.

Основне правило

Активніший метал + сіль менш активного металу → сіль активнішого металу + менш активний метал

Іншими словами, метал, що стоїть лівіше, «витісняє» метал, що стоїть правіше, з його солі. Продуктами завжди є нова сіль (активнішого металу) і вільний менш активний метал.

Приклади реакцій, що відбуваються

Залізо витісняє мідь із розчину купрум(II) сульфату. Це класичний дослід: залізний цвях, занурений у блакитний розчин CuSO₄, покривається червоним нальотом міді:

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu (червоний наліт міді на залізі)

Цинк так само витісняє мідь:

Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Мідь, хоч і менш активна, ніж залізо чи цинк, усе ж активніша за срібло. Тому мідь витісняє срібло з розчину аргентум(I) нітрату:

Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Реакції, що не відбуваються

Якщо метал, узятий для реакції, стоїть у ряду правіше від металу, що входить до складу солі, реакція не відбувається. Наприклад:

• Cu + FeSO₄ — мідь правіше від заліза, тому мідь не витісняє залізо

• Cu + ZnSO₄ — мідь правіше від цинку, реакції немає

• Ag + CuSO₄ — срібло правіше від міді, реакції немає

У цих випадках у розчині не відбувається жодних змін — метал просто лежить у розчині солі, не реагуючи.

Важлива умова: сіль має бути розчинною

Правило витіснення працює для водних розчинів солей. Якщо сіль практично нерозчинна у воді (наприклад, AgCl, CaCO₃, BaSO₄), то в розчині практично немає йонів металу, який можна витіснити. Тому такі солі не підходять для типових завдань про реакції заміщення в розчині. Це не означає, що метали взагалі не реагують із нерозчинними сполуками за інших умов, — просто на НМТ завдання формулюють саме для розчинних солей.

Які метали витісняють мідь із CuSO₄

Мідь із розчину CuSO₄ витісняють метали, що стоять у ряду від Mg і далі, але лівіше від Cu. Це, наприклад, Mg, Al, Mn, Cr, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb. А ось метали з початку ряду (Li, K, Ba, Sr, Ca, Na) для цього не підходять — вони реагують з водою, а не з розчином солі. Про це — у наступному розділі.

Перші шість металів у ряду активності — Li, K, Ba, Sr, Ca, Na — це лужні (Li, K, Na) і лужноземельні (Ba, Sr, Ca) метали. Вони мають особливість, яку обов'язково треба враховувати під час розв'язування завдань НМТ: за звичайних умов вони енергійно реагують з водою.

Реакція лужних і лужноземельних металів з водою

Коли лужний або лужноземельний метал потрапляє у воду, він витісняє водень із води, утворюючи луг (розчинну основу):

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

Реакція відбувається бурхливо, з виділенням великої кількості теплоти. Натрій плавиться в кульку й бігає по поверхні води, калій займається фіолетовим полум'ям, кальцій реагує спокійніше, але теж помітно.

Що відбувається в розчині солі

Якщо такий метал потрапляє в розчин солі (наприклад, натрій у розчин CuSO₄), він реагує насамперед з водою, а не з сіллю. Утворений луг (NaOH) потім реагує з сіллю, даючи осад гідроксиду:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑

2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄

У результаті спостерігаються бульбашки водню й блакитний осад Cu(OH)₂, а не червоний наліт міді. Тому натрій (і калій, і літій, і барій, і стронцій, і кальцій) не витісняє метал із розчину солі — він реагує з водою.

Як це впливає на розв'язування завдань

У завданнях «який метал витіснить метал із розчину солі» правильну відповідь шукають серед металів від Mg і далі, що стоять лівіше від металу солі. Перші шість металів (Li, K, Ba, Sr, Ca, Na) для цього не підходять, навіть якщо вони активніші.

Водночас на правило «лівіше від (H₂) — виділяє водень із кислоти» це не впливає. Лужні й лужноземельні метали реагують і з кислотами, і з водою, виділяючи водень в обох випадках (з кислотами — ще бурхливіше). У розчині солі вони реагують насамперед з водою, якої в розчині найбільше.

Запам'ятай: у завданні про витіснення металу з розчину солі ніколи не обирай Li, K, Ba, Sr, Ca або Na — вони реагують з водою, а не з сіллю.

Розгляньмо типові завдання НМТ, які перевіряють уміння користуватися рядом активності металів. Усі вони потребують лише одного — порівняти положення металів у ряду.

Приклад 1. Метали, що реагують з хлоридною кислотою

Завдання: З обома металами якої пари хлоридна кислота реагує з виділенням водню?

• А) Zn і Cu

• Б) Mg і Fe

• В) Al і Ag

• Г) Hg і Sn

Розв'язання: З хлоридною кислотою реагують лише метали, що стоять лівіше від (H₂) у ряду активності. Перевіряємо кожну пару:

• Zn — лівіше від (H₂) (реагує), Cu — правіше від (H₂) (не реагує) — не підходить

• Mg — лівіше від (H₂), Fe — лівіше від (H₂) — обидва реагують — ключ

• Al — лівіше від (H₂), Ag — правіше від (H₂) — не підходить

• Hg — правіше від (H₂), Sn — лівіше від (H₂) — не підходить

Відповідь: Б) Mg і Fe.

Чому інші варіанти неправильні: У варіанті А Cu стоїть правіше від (H₂) і не реагує. У варіанті В Ag стоїть правіше від (H₂). У варіанті Г Hg стоїть правіше від (H₂).

Приклад 2. Метали, що витісняють мідь із CuSO₄

Завдання: Обидва метали якої пари витіснять мідь із розчину CuSO₄?

• А) Na і Fe

• Б) Zn і Fe

• В) Zn і Ag

• Г) Hg і Mg

Розв'язання: Метал витісняє мідь, якщо стоїть лівіше від Cu в ряду активності. При цьому метали з початку ряду (Li … Na) не підходять, бо реагують з водою. Перевіряємо:

• Na — реагує з водою, а не витісняє мідь — не підходить

• Zn — лівіше від Cu, Fe — лівіше від Cu — обидва витісняють мідь — ключ

• Zn — лівіше від Cu (витісняє), Ag — правіше від Cu (не витісняє) — не підходить

• Hg — правіше від Cu (не витісняє), Mg — лівіше від Cu (витісняє) — не підходить

Відповідь: Б) Zn і Fe.

Чому інші варіанти неправильні: У варіанті А натрій реагує з водою, а не з сіллю. У варіанті В Ag стоїть правіше від Cu. У варіанті Г Hg стоїть правіше від Cu.

Приклад 3. Логічні пари: реагенти — результат

Завдання: Установи відповідність між реагентами (1–3) і результатом реакції (А–Д).

Розв'язання:

• 1 Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu — цинк витісняє мідь, утворюються мідь і розчин цинк сульфату. Це відповідає опису А.

• 2 Cu + HCl — мідь стоїть правіше від (H₂), тому реакція не відбувається. Це опис Б.

• 3 Na + CuSO₄ (розчин) — натрій реагує з водою: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑, потім 2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Виділяється водень і випадає блакитний осад Cu(OH)₂. Це опис В.

Відповідь: 1 — А, 2 — Б, 3 — В.

Чому інші варіанти неправильні: Г описує реакцію, якої не існує (Cu не реагує з HCl). Д описує неможливий процес (Na не витісняє Cu з розчину).

Приклад 4. Суміш металів і кислота

Завдання: Суміш порошків заліза й срібла внесли в надлишок розведеної сульфатної кислоти. Що спостерігатимуть?

• А) Обидва метали розчиняються з виділенням водню

• Б) Залізо розчиняється з виділенням водню, срібло лишається

• В) Залізо розчиняється з утворенням Fe₂(SO₄)₃

• Г) Розчиняється лише срібло

Розв'язання: Залізо (Fe) стоїть лівіше від (H₂), тому воно реагує з розведеною H₂SO₄: Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑. Залізо утворює сіль Феруму(II), а не Феруму(III). Срібло (Ag) стоїть праворуч від (H₂), тому з розведеною сульфатною кислотою не реагує.

Відповідь: Б) Залізо розчиняється з виділенням водню, срібло лишається.

Чому інші варіанти неправильні: А — срібло не реагує. В — залізо з розведеною H₂SO₄ дає FeSO₄, а не Fe₂(SO₄)₃. Г — срібло не реагує, а залізо реагує.

Приклад 5. Кислота, з якою водень не виділиться

Завдання: У якій пробірці водень НЕ виділиться?

• А) Цинк і хлоридна кислота

• Б) Залізо й розведена сульфатна кислота

• В) Цинк і розведена нітратна кислота

• Г) Магній і хлоридна кислота

Розв'язання: Правило витіснення водню діє для хлоридної й розведеної сульфатної кислот, але НЕ діє для нітратної кислоти (HNO₃) будь-якої концентрації. Нітратна кислота — кислота-окисник, водень не виділяється. У варіанті В цинк реагує з нітратною кислотою, але продуктами будуть сполуки Нітрогену (наприклад, N₂O, N₂ чи NH₄NO₃), а не водень.

Відповідь: В) Цинк і розведена нітратна кислота.

Чому інші варіанти неправильні: А — Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ (водень виділяється). Б — Fe + H₂SO₄ (розв.) → FeSO₄ + H₂↑ (водень виділяється). Г — Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑ (водень виділяється).

На НМТ з хімії завдання на ряд активності металів здаються простими, але саме на них припускаються найбільше помилок через неуважність або хибні аналогії. Ось сім найпоширеніших пасток.

• Вважати, що Cu, Ag, Hg реагують з хлоридною кислотою з виділенням водню. Ці метали стоять праворуч від (H₂) у ряду активності, тому вони не витісняють водень із HCl. Жодної реакції не відбувається.

• «Витісняти» мідь із розчину CuSO₄ натрієм чи калієм. Натрій і калій — лужні метали, які реагують з водою, а не з сіллю. У розчині CuSO₄ вони дають водень і блакитний осад Cu(OH)₂, а не червону мідь.

• Записувати водень продуктом реакції металу з нітратною чи концентрованою сульфатною кислотою. Це кислоти-окисники, водень не виділяється. Продукти — сполуки Нітрогену (NO₂, NO, N₂O, N₂, NH₄NO₃) з HNO₃ або SO₂, S, H₂S з H₂SO₄ конц.

• Писати Fe + 2HCl → FeCl₃ + H₂. З хлоридною й розведеною сульфатною кислотами залізо утворює солі Феруму(II), а не Феруму(III). Правильно: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.

• Переставляти ролі: вважати, що мідь витісняє залізо з розчину FeSO₄. Мідь стоїть правіше від заліза в ряду, тому вона не може витіснити залізо. Реакція не відбувається.

• Брати для реакції з металом нерозчинну сіль (AgCl, CaCO₃). Правило витіснення працює для водних розчинів солей. Якщо сіль практично нерозчинна, у розчині немає йонів металу для витіснення.

• Плутати порядок ряду активності з порядком елементів у періодичній системі. У періодичній системі натрій активніший за літій, а в ряду активності Li стоїть першим, а Na — після K, Ba, Sr і Ca. Ряд складено для водних розчинів, тому він має інший порядок.

Розуміння того, як саме ряд активності металів фігурує в тесті, допоможе тобі ефективно використовувати час і не помилятися в простих завданнях.

Таблиця 4 довідкових матеріалів НМТ

На НМТ з хімії ти отримаєш довідкові матеріали, серед яких — Таблиця 4 «Ряд активності металів». Вона має такий вигляд:

Li, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Be, Al, Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb, (H₂), Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Зверни увагу: у ряду з додатка до програми ЗНО/НМТ немає Sr, Be, Cr, Cd і Bi. У довідці вони є, тому ти можеш просто прочитати їхнє положення, а не запам'ятовувати.

Як виглядають завдання на НМТ

У демонстраційному варіанті НМТ-2026 ряд активності потрібен у завданні 8 — визначення складу сплаву за його взаємодією з кислотою. Це завдання з вибором однієї відповіді з чотирьох, яке оцінюється в 1 бал.

Програма НМТ з хімії вимагає вміти прогнозувати за рядом активності:

• реакції кислот з металами (тема 2.2.3)

• реакції солей з металами (тема 2.2.4)

Реакції нітратної й концентрованої сульфатної кислот з магнієм, цинком і міддю — окрема вимога теми 2.1.1, яку розглядають в інших юнітах.

Стратегія розв'язування

Щоб не помилитися, дій за таким алгоритмом:

1. Знайди в ряду активності обидва метали (або метал і H₂), про які йдеться в завданні.

2. Порівняй їхні позиції: хто лівіше, хто правіше.

3. Перевір, чи кислота не є нітратною (HNO₃) або концентрованою сульфатною (H₂SO₄ конц.). Якщо так — водень не виділяється.

4. Перевір, чи не належить метал до перших шести (Li, K, Ba, Sr, Ca, Na) у завданні про витіснення металу з розчину солі.

Цей алгоритм займає менше ніж 30 секунд і гарантує правильну відповідь.

• Що лівіше метал у ряду активності, то він активніший — легше віддає електрони в реакціях у водних розчинах.

• Метали лівіше від (H₂) витісняють водень із хлоридної (HCl) і розведеної сульфатної (H₂SO₄) кислот. Метали правіше від (H₂) — Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au — не витісняють.

• Метал витісняє з розчину солі лише метал, що стоїть у ряду правіше від нього. Наприклад: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

• Лужні (Li, K, Na) і лужноземельні (Ba, Sr, Ca) метали реагують з водою, а не витісняють метал із розчину солі. У розчині CuSO₄ вони дають водень і блакитний осад Cu(OH)₂.

• З нітратною кислотою (HNO₃) будь-якої концентрації та концентрованою сульфатною кислотою (H₂SO₄ конц.) водень не виділяється — це кислоти-окисники.

• Залізо з HCl, розведеною H₂SO₄ і розчином CuSO₄ утворює сполуки Феруму(II): FeCl₂, FeSO₄, а не FeCl₃ або Fe₂(SO₄)₃.