Ενεργά μέταλλα. Ενεργά μέταλλα Αλληλεπίδραση μετάλλων με αλκαλικά διαλύματα

Ποιες πληροφορίες μπορούν να ληφθούν από μια σειρά τάσεων;

Μια σειρά από τάσεις μετάλλων χρησιμοποιούνται ευρέως στην ανόργανη χημεία. Ειδικότερα, τα αποτελέσματα πολλών αντιδράσεων και ακόμη και η δυνατότητα υλοποίησής τους εξαρτώνται από τη θέση ενός συγκεκριμένου μετάλλου στο NER. Ας συζητήσουμε αυτό το θέμα με περισσότερες λεπτομέρειες.

Αλληλεπίδραση μετάλλων με οξέα

Μέταλλα που βρίσκονται στη σειρά τάσης στα αριστερά του υδρογόνου αντιδρούν με οξέα - μη οξειδωτικά μέσα. Τα μέταλλα που βρίσκονται στο ERN στα δεξιά του Η αλληλεπιδρούν μόνο με οξειδωτικά οξέα (ιδιαίτερα, με HNO 3 και συμπυκνωμένο H 2 SO 4).

Παράδειγμα 1. Ο ψευδάργυρος βρίσκεται στο NER στα αριστερά του υδρογόνου, επομένως, είναι σε θέση να αντιδράσει με όλα σχεδόν τα οξέα:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2

Παράδειγμα 2. Ο χαλκός βρίσκεται στο ERN στα δεξιά του H. αυτό το μέταλλο δεν αντιδρά με «συνηθισμένα» οξέα (HCl, H 3 PO 4, HBr, οργανικά οξέα), αλλά αλληλεπιδρά με οξειδωτικά οξέα (νιτρικό, πυκνό θειικό):

Cu + 4HNO 3 (συμπ.) = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Cu + 2H 2 SO 4 (συμπ.) = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

Θα ήθελα να επιστήσω την προσοχή σας σε ένα σημαντικό σημείο: όταν τα μέταλλα αλληλεπιδρούν με οξειδωτικά οξέα, δεν απελευθερώνεται υδρογόνο, αλλά κάποιες άλλες ενώσεις. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτό!

Αλληλεπίδραση μετάλλων με νερό

Μέταλλα που βρίσκονται στη σειρά τάσης στα αριστερά του Mg αντιδρούν εύκολα με νερό ήδη σε θερμοκρασία δωματίου, απελευθερώνοντας υδρογόνο και σχηματίζοντας ένα αλκαλικό διάλυμα.

Παράδειγμα 3. Το νάτριο, το κάλιο, το ασβέστιο διαλύονται εύκολα στο νερό για να σχηματίσουν ένα αλκαλικό διάλυμα:

2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2

2K + 2H 2 O = 2KOH + H 2

Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2

Τα μέταλλα που βρίσκονται στο εύρος τάσης από υδρογόνο έως μαγνήσιο (συμπεριλαμβανομένου) σε ορισμένες περιπτώσεις αλληλεπιδρούν με το νερό, αλλά οι αντιδράσεις απαιτούν συγκεκριμένες συνθήκες. Για παράδειγμα, το αλουμίνιο και το μαγνήσιο αρχίζουν να αλληλεπιδρούν με το H 2 O μόνο αφού αφαιρέσουν το φιλμ οξειδίου από τη μεταλλική επιφάνεια. Ο σίδηρος δεν αντιδρά με το νερό σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά αντιδρά με τους υδρατμούς. Το κοβάλτιο, το νικέλιο, ο κασσίτερος και ο μόλυβδος πρακτικά δεν αλληλεπιδρούν με το H2O, όχι μόνο σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά και όταν θερμαίνονται.

Τα μέταλλα που βρίσκονται στη δεξιά πλευρά του ERN (ασήμι, χρυσός, πλατίνα) δεν αντιδρούν με το νερό σε καμία περίπτωση.

Αλληλεπίδραση μετάλλων με υδατικά διαλύματα αλάτων

Θα μιλήσουμε για αντιδράσεις του παρακάτω τύπου:

μέταλλο (*) + άλας μετάλλου (**) = μέταλλο (**) + μεταλλικό άλας (*)

Θα ήθελα να τονίσω ότι οι αστερίσκοι σε αυτή την περίπτωση δεν υποδεικνύουν την κατάσταση οξείδωσης ή το σθένος του μετάλλου, αλλά απλώς επιτρέπουν σε κάποιον να διακρίνει μεταξύ του μετάλλου Νο. 1 και του μετάλλου Νο. 2.

Για να πραγματοποιηθεί μια τέτοια αντίδραση, πρέπει να πληρούνται τρεις προϋποθέσεις ταυτόχρονα:

τα άλατα που εμπλέκονται στη διαδικασία πρέπει να διαλυθούν σε νερό (αυτό μπορεί εύκολα να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας τον πίνακα διαλυτότητας).
το μέταλλο (*) πρέπει να βρίσκεται στη σειρά τάσεων στα αριστερά του μετάλλου (**).
το μέταλλο (*) δεν πρέπει να αντιδρά με το νερό (το οποίο επίσης επαληθεύεται εύκολα από το ESI).

Παράδειγμα 4. Ας δούμε μερικές αντιδράσεις:

Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu

K + Ni(NO 3) 2 ≠

Η πρώτη αντίδραση είναι εύκολα εφικτή, πληρούνται όλες οι παραπάνω προϋποθέσεις: ο θειικός χαλκός είναι διαλυτός στο νερό, ο ψευδάργυρος βρίσκεται στο NER στα αριστερά του χαλκού, ο Zn δεν αντιδρά με το νερό.

Η δεύτερη αντίδραση είναι αδύνατη επειδή δεν πληρούται η πρώτη προϋπόθεση (το θειούχο χαλκό (II) είναι πρακτικά αδιάλυτο στο νερό). Η τρίτη αντίδραση δεν είναι εφικτή, καθώς ο μόλυβδος είναι λιγότερο ενεργό μέταλλο από τον σίδηρο (βρίσκεται στα δεξιά στο ESR). Τέλος, η τέταρτη διαδικασία ΔΕΝ θα οδηγήσει σε καθίζηση νικελίου επειδή το κάλιο αντιδρά με το νερό. το προκύπτον υδροξείδιο του καλίου μπορεί να αντιδράσει με το διάλυμα άλατος, αλλά αυτή είναι μια εντελώς διαφορετική διαδικασία.

Διαδικασία θερμικής αποσύνθεσης νιτρικών αλάτων

Να σας υπενθυμίσω ότι τα νιτρικά είναι άλατα του νιτρικού οξέος. Όλα τα νιτρικά άλατα αποσυντίθενται όταν θερμαίνονται, αλλά η σύνθεση των προϊόντων αποσύνθεσης μπορεί να ποικίλλει. Η σύνθεση καθορίζεται από τη θέση του μετάλλου στη σειρά τάσεων.

Τα νιτρικά άλατα μετάλλων που βρίσκονται στο NER στα αριστερά του μαγνησίου, όταν θερμαίνονται, σχηματίζουν τα αντίστοιχα νιτρώδη και οξυγόνο:

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2

Κατά τη θερμική αποσύνθεση των νιτρικών μετάλλων που βρίσκονται στο εύρος τάσης από Mg έως Cu, σχηματίζεται οξείδιο μετάλλου, NO 2 και οξυγόνο:

2Cu(NO 3) 2 = 2CuO + 4NO 2 + O 2

Τέλος, κατά την αποσύνθεση των νιτρικών των λιγότερο ενεργών μετάλλων (που βρίσκονται στο ERN στα δεξιά του χαλκού), σχηματίζεται μέταλλο, διοξείδιο του αζώτου και οξυγόνο.

Η διαφορά δυναμικού «ουσία ηλεκτροδίου – διάλυμα» χρησιμεύει ακριβώς ως ποσοτικό χαρακτηριστικό της ικανότητας μιας ουσίας (τόσο τα μέταλλα όσο και ταμη μέταλλα) μεταφέρονται σε διάλυμα με τη μορφή ιόντων, δηλ. χαρακτήραςσταθερότητα της ικανότητας ΟΒ του ιόντος και της αντίστοιχης ουσίας του.

Αυτή η διαφορά δυναμικού ονομάζεταιδυναμικό ηλεκτροδίου.

Ωστόσο, άμεσες μέθοδοι για τη μέτρηση τέτοιων διαφορών δυναμικούδεν υπάρχει, οπότε συμφωνήσαμε να τα ορίσουμε σε σχέση μετο λεγόμενο πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου, δυναμικόal που συμβατικά λαμβάνεται ως μηδέν (συχνά ονομάζεται επίσηςηλεκτρόδιο αναφοράς). Ένα τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου αποτελείται απόαπό μια πλάκα πλατίνας βυθισμένη σε διάλυμα οξέος που περιέχεισυγκέντρωση ιόντων Η + 1 mol/l και πλύθηκε με ρεύμα αερίουυδρογόνου υπό τυπικές συνθήκες.

Η εμφάνιση ενός δυναμικού σε ένα τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου μπορεί να φανταστεί ως εξής. Το αέριο υδρογόνο, που προσροφάται από την πλατίνα, περνά στην ατομική κατάσταση:

H22H.

Πραγματοποιείται μια κατάσταση δυναμικής ισορροπίας μεταξύ ατομικού υδρογόνου που σχηματίζεται στην επιφάνεια της πλάκας, ιόντων υδρογόνου στο διάλυμα και πλατίνας (ηλεκτρόνια!):

HH + + e.

Η συνολική διαδικασία εκφράζεται με την εξίσωση:

H 2 2H + + 2e.

Η πλατίνα δεν συμμετέχει σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγήςΚαι αλλά είναι μόνο φορέας ατομικού υδρογόνου.

Εάν μια πλάκα από ένα ορισμένο μέταλλο, βυθισμένη σε διάλυμα του άλατος του με συγκέντρωση μεταλλικών ιόντων ίση με 1 mol/l, συνδεθεί με ένα τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου, προκύπτει ένα γαλβανικό στοιχείο. Ηλεκτροκινητική δύναμη αυτού του στοιχείου(emf), μετρημένο στους 25°C, χαρακτηρίζει το τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου του μετάλλου, που συνήθως ορίζεται ως E 0 .

Σε σχέση με το σύστημα H 2 / 2H +, ορισμένες ουσίες θα συμπεριφέρονται ως οξειδωτικοί παράγοντες, άλλες ως αναγωγικοί παράγοντες. Επί του παρόντος, έχουν ληφθεί τυπικά δυναμικά για όλα σχεδόν τα μέταλλα και πολλά αμέταλλα, τα οποία χαρακτηρίζουν τη σχετική ικανότητα των αναγωγικών ή οξειδωτικών παραγόντων να δωρίζουν ή να συλλαμβάνουν ηλεκτρόνια.

Τα δυναμικά των ηλεκτροδίων που δρουν ως αναγωγικοί παράγοντες σε σχέση με το υδρογόνο έχουν πρόσημο «-» και το σύμβολο «+» υποδεικνύει τα δυναμικά των ηλεκτροδίων που είναι οξειδωτικοί παράγοντες.

Αν τακτοποιήσουμε τα μέταλλα με αύξουσα σειρά των τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων τους, τότε το λεγόμενο ηλεκτροχημική σειρά μετάλλων τάσης:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, N a, M g, A l, M n, Zn, C r, F e, C d, Co, N i, Sn, P b, H, Sb, B i, С u, Hg, А g, Р d, Р t, А u.

Ένας αριθμός τάσεων χαρακτηρίζει τις χημικές ιδιότητες των μετάλλων.

1. Όσο πιο αρνητικό είναι το δυναμικό του ηλεκτροδίου ενός μετάλλου, τόσο μεγαλύτερη είναι η αναγωγική του ικανότητα.

2. Κάθε μέταλλο είναι ικανό να εκτοπίζει (ανάγει) από τα διαλύματα αλάτων εκείνα τα μέταλλα που βρίσκονται στη σειρά των μεταλλικών τάσεων μετά από αυτό. Οι μόνες εξαιρέσεις είναι τα μέταλλα αλκαλίων και αλκαλικών γαιών, τα οποία δεν θα μειώσουν τα ιόντα άλλων μετάλλων από διαλύματα των αλάτων τους. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σε αυτές τις περιπτώσεις οι αντιδράσεις των μετάλλων με το νερό συμβαίνουν με ταχύτερο ρυθμό.

3. Όλα τα μέταλλα που έχουν αρνητικό πρότυπο δυναμικό ηλεκτροδίου, δηλ. αυτά που βρίσκονται στη σειρά τάσης των μετάλλων στα αριστερά του υδρογόνου είναι ικανά να το εκτοπίσουν από όξινα διαλύματα.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η παρουσιαζόμενη σειρά χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά των μετάλλων και των αλάτων τους μόνο σε υδατικά διαλύματα, αφού τα δυναμικά λαμβάνουν υπόψη τις ιδιαιτερότητες της αλληλεπίδρασης ενός συγκεκριμένου ιόντος με μόρια διαλύτη. Γι' αυτό η ηλεκτροχημική σειρά ξεκινά με το λίθιο, ενώ το πιο χημικά ενεργό ρουβίδιο και κάλιο βρίσκονται στα δεξιά του λιθίου. Αυτό οφείλεται στην εξαιρετικά υψηλή ενέργεια της διαδικασίας ενυδάτωσης των ιόντων λιθίου σε σύγκριση με τα ιόντα άλλων αλκαλικών μετάλλων.

Η αλγεβρική τιμή του τυπικού δυναμικού οξειδοαναγωγής χαρακτηρίζει την οξειδωτική δραστηριότητα της αντίστοιχης οξειδωμένης μορφής. Επομένως, μια σύγκριση των τιμών των τυπικών δυναμικών οξειδοαναγωγής μας επιτρέπει να απαντήσουμε στην ερώτηση: συμβαίνει αυτή ή εκείνη η αντίδραση οξειδοαναγωγής;

Έτσι, όλες οι ημι-αντιδράσεις οξείδωσης ιόντων αλογονιδίου σε ελεύθερα αλογόνα

2 Cl – – 2 e = C l 2 E 0 = -1,36 V (1)

2 Br – -2e = V r 2 E 0 = -1,07 V (2)

2I – -2 e = I 2 E 0 = -0,54 V (3)

μπορεί να εφαρμοστεί υπό τυπικές συνθήκες όταν χρησιμοποιείται οξείδιο του μολύβδου ως οξειδωτικό μέσο ( IV ) (Ε 0 = 1,46 V) ή υπερμαγγανικό κάλιο (Ε 0 = 1,52 V). Όταν χρησιμοποιείτε διχρωμικό κάλιο (Ε 0 = 1,35 V) μόνο οι αντιδράσεις (2) και (3) μπορούν να πραγματοποιηθούν. Τέλος, η χρήση του νιτρικού οξέος ως οξειδωτικού παράγοντα (Ε 0 = 0,96 V) επιτρέπει μόνο μια ημιαντίδραση που περιλαμβάνει ιόντα ιωδίου (3).

Έτσι, ένα ποσοτικό κριτήριο για την αξιολόγηση της πιθανότητας εμφάνισης μιας συγκεκριμένης αντίδρασης οξειδοαναγωγής είναι η θετική τιμή της διαφοράς μεταξύ των τυπικών δυναμικών οξειδοαναγωγής των ημι-αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής.

Grosse E., Weissmantel H.

Χημεία για τους περίεργους. Βασικά στοιχεία της χημείας και ψυχαγωγικά πειράματα.

Κεφάλαιο 3 (συνέχεια)

ΜΙΚΡΟ ΜΑΘΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΛΛΩΝ

Έχουμε ήδη εξοικειωθεί με την ηλεκτρόλυση διαλυμάτων χλωριούχων μετάλλων αλκαλίων και την παραγωγή μετάλλων με τη χρήση τήγματος. Τώρα ας προσπαθήσουμε να χρησιμοποιήσουμε αρκετά απλά πειράματα για να μελετήσουμε μερικούς από τους νόμους της ηλεκτροχημείας των υδατικών διαλυμάτων και των γαλβανικών κυττάρων και επίσης να εξοικειωθούμε με την παραγωγή προστατευτικών γαλβανικών επικαλύψεων.
Οι ηλεκτροχημικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη αναλυτική χημεία και χρησιμεύουν για τον προσδιορισμό των σημαντικότερων ποσοτήτων της θεωρητικής χημείας.
Τέλος, η διάβρωση μεταλλικών αντικειμένων, που προκαλεί μεγάλες ζημιές στην εθνική οικονομία, στις περισσότερες περιπτώσεις είναι ηλεκτροχημική διαδικασία.

ΣΕΙΡΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΡΕΣ

Ο θεμελιώδης κρίκος για την κατανόηση των ηλεκτροχημικών διεργασιών είναι η σειρά τάσης των μετάλλων. Τα μέταλλα μπορούν να ταξινομηθούν σε μια σειρά που αρχίζει με τα χημικά ενεργά και τελειώνει με τα λιγότερο ενεργά ευγενή μέταλλα:
Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Mg, Al, Be, Mn, Zn, Cr, Ga, Fe, Cd, Tl, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, As, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Αυτή είναι, σύμφωνα με τις τελευταίες ιδέες, μια σειρά από τάσεις για τα πιο σημαντικά μέταλλα και το υδρογόνο. Εάν τα ηλεκτρόδια ενός γαλβανικού στοιχείου είναι κατασκευασμένα από οποιαδήποτε δύο μέταλλα στη σειρά, τότε μια αρνητική τάση θα εμφανιστεί στο υλικό που προηγείται της σειράς.
Τιμή τάσης ( ηλεκτροχημικό δυναμικό) εξαρτάται από τη θέση του στοιχείου στη σειρά τάσης και από τις ιδιότητες του ηλεκτρολύτη.
Θα καθορίσουμε την ουσία της σειράς τάσης από πολλά απλά πειράματα, για τα οποία θα χρειαστούμε μια πηγή ρεύματος και ηλεκτρικά όργανα μέτρησης. Διαλύστε περίπου 10 g κρυσταλλικού θειικού χαλκού σε 100 ml νερού και βυθίστε μια χαλύβδινη βελόνα ή ένα κομμάτι φύλλου σιδήρου στο διάλυμα. (Συνιστούμε να καθαρίσετε πρώτα το σίδερο μέχρι να γυαλίσει με λεπτό γυαλόχαρτο.) Μετά από λίγο, το σίδερο θα καλυφθεί με μια κοκκινωπή στρώση απελευθερωμένου χαλκού. Ο πιο ενεργός σίδηρος εκτοπίζει τον χαλκό από το διάλυμα, με τον σίδηρο να διαλύεται ως ιόντα και τον χαλκό να απελευθερώνεται ως μέταλλο. Η διαδικασία συνεχίζεται όσο το διάλυμα έρχεται σε επαφή με το σίδερο. Μόλις ο χαλκός καλύψει όλη την επιφάνεια του σιδήρου, πρακτικά θα σταματήσει. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται ένα μάλλον πορώδες στρώμα χαλκού, επομένως δεν μπορούν να ληφθούν προστατευτικές επικαλύψεις χωρίς τη χρήση ρεύματος.
Στα επόμενα πειράματα, θα κατεβάσουμε μικρές λωρίδες ψευδαργύρου και λαμαρίνας μολύβδου σε διάλυμα θειικού χαλκού. Μετά από 15 λεπτά, τα βγάζουμε, τα πλένουμε και τα εξετάζουμε στο μικροσκόπιο. Μπορούμε να διακρίνουμε όμορφα σχέδια που μοιάζουν με πάγο, τα οποία στο ανακλώμενο φως έχουν κόκκινο χρώμα και αποτελούνται από απελευθερωμένο χαλκό. Και εδώ, πιο ενεργά μέταλλα μετέτρεψαν τον χαλκό από την ιοντική σε μεταλλική κατάσταση.
Με τη σειρά του, ο χαλκός μπορεί να εκτοπίσει μέταλλα που είναι χαμηλότερα στη σειρά τάσης, δηλαδή λιγότερο ενεργά. Εφαρμόστε μερικές σταγόνες διαλύματος νιτρικού αργύρου σε μια λεπτή λωρίδα από φύλλο χαλκού ή πεπλατυσμένο σύρμα χαλκού (έχοντας προηγουμένως καθαρίσει την επιφάνεια ώστε να γυαλίσει). Με γυμνό μάτι μπορείτε να δείτε τη μαύρη επίστρωση που προκύπτει, η οποία κάτω από ένα μικροσκόπιο στο ανακλώμενο φως μοιάζει με λεπτές βελόνες και σχέδια φυτών (οι λεγόμενοι δενδρίτες).
Για να απομονώσετε τον ψευδάργυρο χωρίς ρεύμα, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε ένα πιο ενεργό μέταλλο. Εξαιρώντας τα μέταλλα που αντιδρούν βίαια με το νερό, βρίσκουμε το μαγνήσιο στη σειρά τάσης πάνω από τον ψευδάργυρο. Τοποθετήστε μερικές σταγόνες διαλύματος θειικού ψευδαργύρου σε ένα κομμάτι ταινίας μαγνησίου ή σε λεπτά ρινίσματα ηλεκτρονίων. Λαμβάνουμε διάλυμα θειικού ψευδαργύρου διαλύοντας ένα κομμάτι ψευδάργυρου σε αραιό θειικό οξύ. Μαζί με το θειικό ψευδάργυρο, προσθέστε μερικές σταγόνες μετουσιωμένης αλκοόλης. Στο μαγνήσιο, μετά από σύντομο χρονικό διάστημα, θα παρατηρήσουμε, ειδικά στο μικροσκόπιο, ψευδάργυρο που απελευθερώνεται με τη μορφή λεπτών κρυστάλλων.
Γενικά, οποιοδήποτε μέλος της σειράς τάσης μπορεί να εκτοπιστεί από το διάλυμα, όπου υπάρχει ως ιόν, και να μετατραπεί στη μεταλλική κατάσταση. Ωστόσο, όταν δοκιμάζουμε κάθε είδους συνδυασμούς, μπορεί να απογοητευτούμε. Φαίνεται ότι εάν μια λωρίδα αλουμινίου βυθιστεί σε διαλύματα αλάτων χαλκού, σιδήρου, μολύβδου και ψευδαργύρου, αυτά τα μέταλλα θα πρέπει να απελευθερωθούν σε αυτήν. Αυτό όμως, όμως, δεν συμβαίνει. Ο λόγος της αστοχίας δεν έγκειται σε σφάλμα στη σειρά τάσης, αλλά βασίζεται σε μια ειδική αναστολή της αντίδρασης, η οποία στην περίπτωση αυτή οφείλεται σε ένα λεπτό φιλμ οξειδίου στην επιφάνεια του αλουμινίου. Σε τέτοιες λύσεις, το αλουμίνιο ονομάζεται παθητικό.

ΑΣ ΚΟΙΤΑΞΟΥΜΕ ΠΙΣΩ ΤΑ ΣΚΗΝΙΑ

Για να διατυπώσουμε τους νόμους των εν εξελίξει διεργασιών, μπορούμε να περιοριστούμε στην εξέταση κατιόντων και να αποκλείσουμε τα ανιόντα, αφού τα ίδια δεν συμμετέχουν στην αντίδραση. (Ωστόσο, ο ρυθμός εναπόθεσης επηρεάζεται από τον τύπο των ανιόντων.) Εάν, για λόγους απλότητας, υποθέσουμε ότι τόσο τα κατακρημνισμένα όσο και τα διαλυμένα μέταλλα παράγουν διπλά φορτισμένα κατιόντα, τότε μπορούμε να γράψουμε:

Me 1 + Me 2 2+ = Me 1 2+ + Me 2

Επιπλέον, για το πρώτο πείραμα Me 1 = Fe, Me 2 = Cu.
Έτσι, η διαδικασία συνίσταται στην ανταλλαγή φορτίων (ηλεκτρονίων) μεταξύ ατόμων και ιόντων και των δύο μετάλλων. Αν θεωρήσουμε ξεχωριστά (ως ενδιάμεσες αντιδράσεις) τη διάλυση του σιδήρου ή την καθίζηση του χαλκού, παίρνουμε:

Fe = Fe 2+ + 2 μι --

Cu 2+ + 2 μι-- = Cu

Ας εξετάσουμε τώρα την περίπτωση όταν ένα μέταλλο είναι βυθισμένο σε νερό ή σε διάλυμα άλατος, με ένα κατιόν του οποίου η ανταλλαγή είναι αδύνατη λόγω της θέσης του στη σειρά τάσεων. Παρόλα αυτά, το μέταλλο τείνει να διοχετεύεται σε διάλυμα με τη μορφή ιόντος. Σε αυτή την περίπτωση, το άτομο μετάλλου δίνει δύο ηλεκτρόνια (εάν το μέταλλο είναι δισθενές), η επιφάνεια του μετάλλου που βυθίζεται στο διάλυμα γίνεται αρνητικά φορτισμένη σε σχέση με το διάλυμα και σχηματίζεται ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα στη διεπιφάνεια. Αυτή η διαφορά δυναμικού εμποδίζει την περαιτέρω διάλυση του μετάλλου, έτσι ώστε η διαδικασία να σταματήσει σύντομα.
Εάν δύο διαφορετικά μέταλλα βυθιστούν σε ένα διάλυμα, θα φορτιστούν και τα δύο, αλλά το λιγότερο ενεργό θα είναι κάπως πιο αδύναμο, λόγω του γεγονότος ότι τα άτομα του είναι λιγότερο επιρρεπή στην απώλεια ηλεκτρονίων.
Ας συνδέσουμε και τα δύο μέταλλα με έναν αγωγό. Λόγω της διαφοράς δυναμικού, μια ροή ηλεκτρονίων θα ρέει από το πιο ενεργό μέταλλο στο λιγότερο ενεργό, το οποίο σχηματίζει τον θετικό πόλο του στοιχείου. Συμβαίνει μια διαδικασία κατά την οποία το πιο ενεργό μέταλλο εισέρχεται σε διάλυμα και κατιόντα από το διάλυμα απελευθερώνονται στο πιο ευγενές μέταλλο. Ας επεξηγήσουμε τώρα με πολλά πειράματα τον κάπως αφηρημένο συλλογισμό που δόθηκε παραπάνω (που, επιπλέον, αντιπροσωπεύει μια κατάφωρη απλοποίηση).
Αρχικά, γεμίστε ένα ποτήρι ζέσεως 250 ml μέχρι τη μέση με διάλυμα θειικού οξέος 10% και βυθίστε σε αυτό όχι πολύ μικρά κομμάτια ψευδαργύρου και χαλκού. Συγκολλάμε ή πριτσίνουμε χάλκινο σύρμα και στα δύο ηλεκτρόδια, τα άκρα των οποίων δεν πρέπει να αγγίζουν το διάλυμα.
Όσο τα άκρα του σύρματος δεν συνδέονται μεταξύ τους, θα παρατηρούμε τη διάλυση του ψευδαργύρου, η οποία συνοδεύεται από την απελευθέρωση υδρογόνου. Ο ψευδάργυρος, όπως προκύπτει από τη σειρά τάσης, είναι πιο ενεργός από το υδρογόνο, επομένως το μέταλλο μπορεί να εκτοπίσει το υδρογόνο από την ιοντική κατάσταση. Ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα σχηματίζεται και στα δύο μέταλλα. Ο ευκολότερος τρόπος ανίχνευσης της διαφοράς δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων είναι με ένα βολτόμετρο. Αμέσως μετά τη σύνδεση της συσκευής στο κύκλωμα, το βέλος θα δείξει περίπου 1 V, αλλά στη συνέχεια η τάση θα πέσει γρήγορα. Εάν συνδέσετε μια μικρή λάμπα που καταναλώνει 1 V στο στοιχείο, θα ανάψει - στην αρχή αρκετά έντονα, και στη συνέχεια η λάμψη θα γίνει αδύναμη.
Με βάση την πολικότητα των ακροδεκτών της συσκευής, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το ηλεκτρόδιο χαλκού είναι ο θετικός πόλος. Αυτό μπορεί να αποδειχθεί χωρίς συσκευή λαμβάνοντας υπόψη την ηλεκτροχημεία της διαδικασίας. Ας ετοιμάσουμε ένα κορεσμένο διάλυμα επιτραπέζιου αλατιού σε ένα μικρό ποτήρι ζέσεως ή δοκιμαστικό σωλήνα, προσθέτουμε περίπου 0,5 ml αλκοολικού διαλύματος του δείκτη φαινολοφθαλεΐνης και βυθίζουμε και τα δύο ηλεκτρόδια κλειστά με σύρμα στο διάλυμα. Ένα αχνό κοκκινωπό χρώμα θα παρατηρηθεί κοντά στον αρνητικό πόλο, το οποίο προκαλείται από το σχηματισμό υδροξειδίου του νατρίου στην κάθοδο.
Σε άλλα πειράματα, μπορεί κανείς να τοποθετήσει διάφορα ζεύγη μετάλλων σε μια κυψέλη και να καθορίσει την τάση που προκύπτει. Για παράδειγμα, το μαγνήσιο και το ασήμι θα δώσουν μια ιδιαίτερα μεγάλη διαφορά δυναμικού λόγω της σημαντικής απόστασης μεταξύ τους και μιας σειράς τάσεων, ενώ ο ψευδάργυρος και ο σίδηρος, αντίθετα, θα δώσουν μια πολύ μικρή, λιγότερο από το ένα δέκατο του βολτ. Χρησιμοποιώντας αλουμίνιο, δεν θα λάβουμε σχεδόν καθόλου ρεύμα λόγω παθητικοποίησης.
Όλα αυτά τα στοιχεία ή, όπως λένε οι ηλεκτροχημικοί, τα κυκλώματα, έχουν το μειονέκτημα ότι κατά τη μέτρηση του ρεύματος, η τάση σε αυτά πέφτει πολύ γρήγορα. Επομένως, οι ηλεκτροχημικοί μετρούν πάντα το πραγματικό μέγεθος της τάσης σε κατάσταση απενεργοποίησης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αντιστάθμισης τάσης, δηλαδή συγκρίνοντάς την με την τάση μιας άλλης πηγής ρεύματος.
Ας εξετάσουμε τις διεργασίες στο στοιχείο χαλκού-ψευδάργυρου με λίγο περισσότερες λεπτομέρειες. Στην κάθοδο, ο ψευδάργυρος μεταφέρεται σε διάλυμα σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση:

Zn = Zn 2+ + 2 μι --

Τα ιόντα υδρογόνου του θειικού οξέος εκκενώνονται στην άνοδο του χαλκού. Συνδέουν ηλεκτρόνια που προέρχονται από το σύρμα από την κάθοδο ψευδαργύρου και ως αποτέλεσμα σχηματίζονται φυσαλίδες υδρογόνου:

2Η + + 2 μι-- = N 2

Μετά από σύντομο χρονικό διάστημα, ο χαλκός θα καλυφθεί με ένα λεπτό στρώμα φυσαλίδων υδρογόνου. Σε αυτή την περίπτωση, το ηλεκτρόδιο χαλκού θα μετατραπεί σε υδρογόνο και η διαφορά δυναμικού θα μειωθεί. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται πόλωση ηλεκτροδίων. Η πόλωση του ηλεκτροδίου χαλκού μπορεί να εξαλειφθεί προσθέτοντας λίγο διάλυμα διχρωμικού καλίου στο στοιχείο μετά την πτώση τάσης. Μετά από αυτό, η τάση θα αυξηθεί ξανά, καθώς το διχρωμικό κάλιο θα οξειδώσει το υδρογόνο σε νερό. Το διχρωμικό κάλιο δρα σε αυτή την περίπτωση ως αποπολωτικό.
Στην πράξη, χρησιμοποιούνται γαλβανικά κυκλώματα των οποίων τα ηλεκτρόδια δεν είναι πολωμένα ή κυκλώματα των οποίων η πόλωση μπορεί να εξαλειφθεί με την προσθήκη αποπολωτών.
Ως παράδειγμα μη πολώσιμου στοιχείου, θεωρήστε το στοιχείο Daniel, το οποίο χρησιμοποιήθηκε συχνά στο παρελθόν ως τρέχουσα πηγή. Αυτό είναι επίσης ένα στοιχείο χαλκού-ψευδάργυρου, αλλά και τα δύο μέταλλα βυθίζονται σε διαφορετικά διαλύματα. Το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου τοποθετείται σε μια πορώδη κυψέλη αργίλου γεμάτη με αραιό (περίπου 20%) θειικό οξύ. Το πηλό κελί αιωρείται σε ένα μεγάλο ποτήρι που περιέχει ένα συμπυκνωμένο διάλυμα θειικού χαλκού και στον πυθμένα υπάρχει ένα στρώμα κρυστάλλων θειικού χαλκού. Το δεύτερο ηλεκτρόδιο σε αυτό το δοχείο είναι ένας κύλινδρος από φύλλο χαλκού.
Αυτό το στοιχείο μπορεί να κατασκευαστεί από ένα γυάλινο βάζο, μια εμπορικά διαθέσιμη πήλινη κυψέλη (σε ακραίες περιπτώσεις, χρησιμοποιούμε μια γλάστρα, κλείνοντας την τρύπα στον πάτο) και δύο ηλεκτρόδια κατάλληλου μεγέθους.
Κατά τη λειτουργία του στοιχείου, ο ψευδάργυρος διαλύεται για να σχηματίσει θειικό ψευδάργυρο και ιόντα χαλκού απελευθερώνονται στο ηλεκτρόδιο χαλκού. Αλλά ταυτόχρονα, το ηλεκτρόδιο χαλκού δεν είναι πολωμένο και το στοιχείο παράγει τάση περίπου 1 V. Στην πραγματικότητα, θεωρητικά, η τάση στους ακροδέκτες είναι 1,10 V, αλλά όταν συλλέγουμε ρεύμα μετράμε μια ελαφρώς χαμηλότερη τιμή λόγω του ηλεκτρικού αντίσταση του κυττάρου.
Εάν δεν αφαιρέσουμε το ρεύμα από το στοιχείο, πρέπει να αφαιρέσουμε το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου από το διάλυμα θειικού οξέος, γιατί διαφορετικά θα διαλυθεί για να σχηματίσει υδρογόνο.
Ένα διάγραμμα ενός απλού κελιού που δεν απαιτεί πορώδες διαμέρισμα φαίνεται στο σχήμα. Το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου βρίσκεται στην κορυφή του γυάλινου βάζου και το ηλεκτρόδιο χαλκού βρίσκεται κοντά στο κάτω μέρος. Ολόκληρο το κελί είναι γεμάτο με ένα κορεσμένο διάλυμα επιτραπέζιου αλατιού. Τοποθετήστε μια χούφτα κρυστάλλους θειικού χαλκού στον πάτο του βάζου. Το προκύπτον συμπυκνωμένο διάλυμα θειικού χαλκού θα αναμιχθεί με το διάλυμα επιτραπέζιου αλατιού πολύ αργά. Επομένως, όταν το στοιχείο λειτουργεί, ο χαλκός θα απελευθερωθεί στο ηλεκτρόδιο του χαλκού και ο ψευδάργυρος θα διαλυθεί με τη μορφή θειικού ή χλωρίου στο πάνω μέρος του στοιχείου.
Σήμερα, οι μπαταρίες χρησιμοποιούν σχεδόν αποκλειστικά ξηρές κυψέλες, οι οποίες είναι πιο βολικές στη χρήση. Πρόγονός τους είναι το στοιχείο Leclanche. Τα ηλεκτρόδια είναι ένας κύλινδρος ψευδαργύρου και μια ράβδος άνθρακα. Ο ηλεκτρολύτης είναι μια πάστα που αποτελείται κυρίως από χλωριούχο αμμώνιο. Ο ψευδάργυρος διαλύεται στην πάστα και το υδρογόνο απελευθερώνεται στον άνθρακα. Για να αποφευχθεί η πόλωση, η ράβδος άνθρακα βυθίζεται σε μια λινή σακούλα που περιέχει ένα μείγμα σκόνης άνθρακα και πυρολουσίτη. Η σκόνη άνθρακα αυξάνει την επιφάνεια του ηλεκτροδίου και ο πυρολουσίτης δρα ως αποπολωτής, οξειδώνοντας αργά το υδρογόνο.
Είναι αλήθεια ότι η ικανότητα αποπόλωσης του πυρολουσίτη είναι ασθενέστερη από αυτή του προαναφερθέντος διχρωμικού καλίου. Επομένως, όταν λαμβάνεται ρεύμα σε ξηρές κυψέλες, η τάση πέφτει γρήγορα, κουράζομαι"λόγω πόλωσης. Μόνο μετά από κάποιο χρονικό διάστημα συμβαίνει η οξείδωση του υδρογόνου με τον πυρολουσίτη. Έτσι, τα στοιχεία " ανάπαυση", αν δεν περνάτε ρεύμα για κάποιο χρονικό διάστημα. Ας το ελέγξουμε σε μπαταρία για φακό, στον οποίο συνδέουμε μια λάμπα. Παράλληλα με τη λάμπα, δηλαδή απευθείας στους ακροδέκτες, συνδέουμε ένα βολτόμετρο.
Στην αρχή, η τάση θα είναι περίπου 4,5 V. (Συνήθως, τέτοιες μπαταρίες έχουν τρία στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά, το καθένα με θεωρητική τάση 1,48 V.) Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, η τάση θα πέσει και η λάμψη του λαμπτήρα θα αποδυναμώνω. Με βάση τις ενδείξεις του βολτόμετρου, μπορούμε να κρίνουμε πόσο χρόνο χρειάζεται η μπαταρία να ξεκουραστεί.
Ξεχωριστή θέση κατέχουν τα αναγεννητικά στοιχεία γνωστά ως μπαταρίες. Υποβάλλονται σε αναστρέψιμες αντιδράσεις και μπορούν να επαναφορτιστούν μετά την εκφόρτιση της κυψέλης με σύνδεση σε εξωτερική πηγή DC.
Επί του παρόντος, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι οι πιο συνηθισμένες. Ο ηλεκτρολύτης σε αυτά είναι αραιό θειικό οξύ, στο οποίο βυθίζονται δύο πλάκες μολύβδου. Το θετικό ηλεκτρόδιο είναι επικαλυμμένο με διοξείδιο του μολύβδου PbO 2, το αρνητικό είναι μεταλλικός μόλυβδος. Η τάση στους ακροδέκτες είναι περίπου 2,1 V. Κατά την εκφόρτιση, σχηματίζεται θειικός μόλυβδος και στις δύο πλάκες, ο οποίος και πάλι μετατρέπεται σε μεταλλικό μόλυβδο και υπεροξείδιο του μολύβδου κατά τη φόρτιση.

ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΓΑΛΒΑΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΡΩΣΕΩΝ

Η εναπόθεση μετάλλων από υδατικά διαλύματα με χρήση ηλεκτρικού ρεύματος είναι η αντίστροφη διαδικασία ηλεκτρολυτικής διάλυσης, με την οποία εξοικειωθήκαμε όταν εξετάζουμε τα γαλβανικά κύτταρα. Πρώτα απ 'όλα, θα εξετάσουμε την εναπόθεση χαλκού, η οποία χρησιμοποιείται σε ένα χάλκινο κουλόμετρο για τη μέτρηση της ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας.

Το μέταλλο εναποτίθεται με ρεύμα

Έχοντας λυγίσει τις άκρες δύο λεπτών λαμαρινών χάλκινων πιάτων, τις κρεμάμε σε απέναντι τοιχώματα ενός ποτηριού ή, καλύτερα, ενός μικρού γυάλινου ενυδρείου. Συνδέουμε τα καλώδια στις πλάκες με ακροδέκτες.
ΗλεκτρολύτηςΑς ετοιμάσουμε σύμφωνα με την παρακάτω συνταγή: 125 g κρυσταλλικού θειικού χαλκού, 50 g πυκνού θειικού οξέος και 50 g αλκοόλης (μετουσιωμένη αλκοόλη), το υπόλοιπο είναι νερό μέχρι 1 λίτρο. Για να γίνει αυτό, διαλύστε πρώτα θειικό χαλκό σε 500 ml νερό και στη συνέχεια προσθέστε προσεκτικά θειικό οξύ σε μικρές μερίδες ( Θέρμανση! Το υγρό μπορεί να πιτσιλίσει!), στη συνέχεια προσθέστε αλκοόλ και προσθέστε νερό σε όγκο 1 λίτρου.
Γεμίστε το κουλόμετρο με το παρασκευασμένο διάλυμα και συνδέστε μια μεταβλητή αντίσταση, ένα αμπερόμετρο και μια μπαταρία μολύβδου στο κύκλωμα. Χρησιμοποιώντας αντίσταση, ρυθμίζουμε το ρεύμα έτσι ώστε η πυκνότητά του να είναι 0,02-0,01 A/cm 2 της επιφάνειας του ηλεκτροδίου. Εάν η πλάκα χαλκού έχει εμβαδόν 50 cm2, τότε η ισχύς ρεύματος πρέπει να είναι στην περιοχή 0,5-1 A.
Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, ο ελαφρύς μεταλλικός χαλκός θα αρχίσει να κατακρημνίζεται στην κάθοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) και ο χαλκός θα εισέλθει σε διάλυμα στην άνοδο (θετικό ηλεκτρόδιο). Για να καθαρίσουμε τις χάλκινες πλάκες, θα τρέξουμε ρεύμα στο κουλόμετρο για περίπου μισή ώρα. Στη συνέχεια βγάζουμε την κάθοδο, την στεγνώνουμε προσεκτικά με διηθητικό χαρτί και τη ζυγίζουμε με ακρίβεια. Ας εγκαταστήσουμε ένα ηλεκτρόδιο στο κελί, κλείσουμε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας ρεοστάτη και διατηρήσουμε σταθερό ρεύμα, για παράδειγμα 1 Α. Μετά από μια ώρα, ανοίξτε το κύκλωμα και ζυγίστε ξανά την αποξηραμένη κάθοδο. Με ρεύμα 1 Α, η μάζα του θα αυξάνεται κατά 1,18 g ανά ώρα λειτουργίας.
Επομένως, μια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας ίση με 1 αμπέρ ώρα που διέρχεται από ένα διάλυμα μπορεί να απελευθερώσει 1,18 g χαλκού. Ή γενικά: η ποσότητα της ουσίας που απελευθερώνεται είναι ευθέως ανάλογη με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που διέρχεται από το διάλυμα.
Για να απομονωθεί 1 ισοδύναμο ιόντος, είναι απαραίτητο να περάσει μέσα από το διάλυμα ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας ίση με το γινόμενο του φορτίου ηλεκτροδίου e και τον αριθμό του Avogadro ΝΕΝΑ:
e*N A = 1,6021 * 10 -19 * 6,0225 * 10 23 = 9,65 * 10 4 A * s * mol -1 Αυτή η τιμή υποδεικνύεται με το σύμβολο φάκαι πήρε το όνομά του από τον ανακάλυψε τους ποσοτικούς νόμους της ηλεκτρόλυσης Αριθμός Faraday(ακριβής αξία φά- 96.498 A*s*mol -1). Επομένως, για να απομονωθεί ένας δεδομένος αριθμός ισοδυνάμων από μια λύση nε πρέπει να περάσει από το διάλυμα ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας ίση με F*n e A*s*mol -1. Με άλλα λόγια,
Το =F*nεδώ Εγώ- ρεύμα, t- χρόνος διέλευσης ρεύματος από το διάλυμα. στο κεφάλαιο " Βασικά τιτλοδότηση«Έχει ήδη αποδειχθεί ότι ο αριθμός των ισοδυνάμων μιας ουσίας nΤο e είναι ίσο με το γινόμενο του αριθμού των moles και του ισοδύναμου αριθμού:
nε = n*ΖΩς εκ τούτου:

Εγώ*t = F*n*Z

Σε αυτήν την περίπτωση Ζ- φορτίο ιόντων (για Ag + Ζ= 1, για Cu 2+ Ζ= 2, για Al 3+ Ζ= 3, κ.λπ.). Αν εκφράσουμε τον αριθμό των mol ως αναλογία μάζας προς μοριακή μάζα ( n = m/M), τότε παίρνουμε έναν τύπο που μας επιτρέπει να υπολογίσουμε όλες τις διεργασίες που συμβαίνουν κατά την ηλεκτρόλυση:

Το =F*m*Z/M

Χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο μπορείτε να υπολογίσετε το ρεύμα:

Εγώ = F*m*Z/(t*M)= 9,65*10 4 *1,18*2 / (3600*63,54) A*s*g*mol/(s*mol*g) = 0,996 A

Αν εισάγουμε τη σχέση για ηλεκτρολογικές εργασίες Wελ

Wελ = U*I*tΚαι WΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ/ U = Το

Μετά, γνωρίζοντας την ένταση U, μπορείτε να υπολογίσετε:

Wελ = F*m*Z*U/M

Μπορείτε επίσης να υπολογίσετε πόσο χρόνο χρειάζεται για να απελευθερωθεί ηλεκτρολυτικά μια συγκεκριμένη ποσότητα μιας ουσίας ή πόση ουσία θα απελευθερωθεί σε συγκεκριμένο χρόνο. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, η πυκνότητα ρεύματος πρέπει να διατηρείται εντός καθορισμένων ορίων. Εάν είναι μικρότερο από 0,01 A/cm2, τότε θα απελευθερωθεί πολύ λίγο μέταλλο, καθώς θα σχηματιστούν μερικώς ιόντα χαλκού(Ι). Εάν η πυκνότητα ρεύματος είναι πολύ υψηλή, η πρόσφυση της επικάλυψης στο ηλεκτρόδιο θα είναι ασθενής και όταν το ηλεκτρόδιο αφαιρεθεί από το διάλυμα, μπορεί να θρυμματιστεί.
Στην πράξη, οι γαλβανικές επικαλύψεις σε μέταλλα χρησιμοποιούνται κυρίως για προστασία από τη διάβρωση και για να αποκτήσουν μια λάμψη που μοιάζει με καθρέφτη.
Επιπλέον, τα μέταλλα, ειδικά ο χαλκός και ο μόλυβδος, καθαρίζονται με ανοδική διάλυση και επακόλουθο διαχωρισμό στην κάθοδο (ηλεκτρολυτική διύλιση).
Για να επιστρώσετε το σίδερο με χαλκό ή νικέλιο, πρέπει πρώτα να καθαρίσετε καλά την επιφάνεια του αντικειμένου. Για να το κάνετε αυτό, γυαλίστε το με πλυμένη κιμωλία και απολιπάνετε διαδοχικά με ένα αραιωμένο διάλυμα καυστικής σόδας, νερού και αλκοόλης. Εάν το αντικείμενο είναι καλυμμένο με σκουριά, πρέπει να το κάνετε τουρσί εκ των προτέρων σε διάλυμα θειικού οξέος 10-15%.
Κρεμάμε το καθαρισμένο προϊόν σε ένα ηλεκτρολυτικό λουτρό (ένα μικρό ενυδρείο ή ένα ποτήρι), όπου θα χρησιμεύσει ως κάθοδος.
Το διάλυμα για την εφαρμογή επιμετάλλωσης χαλκού περιέχει 250 g θειικού χαλκού και 80-100 g πυκνού θειικού οξέος σε 1 λίτρο νερό (Προσοχή!). Σε αυτή την περίπτωση, η πλάκα χαλκού θα χρησιμεύσει ως άνοδος. Η επιφάνεια της ανόδου θα πρέπει να είναι περίπου ίση με την επιφάνεια του αντικειμένου που επικαλύπτεται. Επομένως, πρέπει πάντα να διασφαλίζετε ότι η άνοδος χαλκού κρέμεται στο λουτρό στο ίδιο βάθος με την κάθοδο.
Η διαδικασία θα πραγματοποιηθεί σε τάση 3-4 V (δύο μπαταρίες) και πυκνότητα ρεύματος 0,02-0,4 A/cm 2. Η θερμοκρασία του διαλύματος στο λουτρό πρέπει να είναι 18-25 °C.
Ας δώσουμε προσοχή στο γεγονός ότι το επίπεδο της ανόδου και η επιφάνεια που πρόκειται να επικαλυφθεί είναι παράλληλες μεταξύ τους. Είναι καλύτερα να μην χρησιμοποιείτε αντικείμενα με πολύπλοκα σχήματα. Μεταβάλλοντας τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης, είναι δυνατό να ληφθούν επιστρώσεις χαλκού διαφορετικού πάχους.
Συχνά καταφεύγουν σε προκαταρκτική επένδυση χαλκού για να εφαρμόσουν μια ανθεκτική επίστρωση άλλου μετάλλου σε αυτό το στρώμα. Αυτό χρησιμοποιείται ιδιαίτερα συχνά για επιχρωμίωση σιδήρου, επινικελίωση χύτευση ψευδαργύρου και σε άλλες περιπτώσεις. Είναι αλήθεια ότι για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται πολύ δηλητηριώδεις ηλεκτρολύτες κυανίου.
Για την παρασκευή ενός ηλεκτρολύτη για επινικελίωση, διαλύστε 25 g κρυσταλλικού θειικού νικελίου, 10 g βορικού οξέος ή 10 g κιτρικού νατρίου σε 450 ml νερού. Μπορείτε να παρασκευάσετε κιτρικό νάτριο μόνοι σας εξουδετερώνοντας ένα διάλυμα 10 g κιτρικού οξέος με ένα αραιό διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου ή διαλύματος σόδας. Αφήστε την άνοδο να είναι μια πλάκα νικελίου της μεγαλύτερης δυνατής περιοχής και πάρτε την μπαταρία ως πηγή τάσης.
Χρησιμοποιώντας μια μεταβλητή αντίσταση, θα διατηρήσουμε την πυκνότητα ρεύματος ίση με 0,005 A/cm 2 . Για παράδειγμα, με επιφάνεια αντικειμένου 20 cm 2, πρέπει να εργαστείτε με ένταση ρεύματος 0,1 A. Μετά από μισή ώρα εργασίας, το αντικείμενο θα είναι ήδη επινικελωμένο. Ας το βγάλουμε από το μπάνιο και το σκουπίζουμε με ένα πανί. Ωστόσο, είναι προτιμότερο να μην διακόπτεται η διαδικασία επινικελίωσης, καθώς τότε το στρώμα νικελίου μπορεί να παθητικοποιηθεί και η επακόλουθη επίστρωση νικελίου δεν θα κολλήσει καλά.
Για να επιτύχουμε λάμψη καθρέφτη χωρίς μηχανικό γυάλισμα, εισάγουμε ένα λεγόμενο πρόσθετο που σχηματίζει γυαλάδα στο γαλβανικό λουτρό. Τέτοια πρόσθετα περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, κόλλα, ζελατίνη, ζάχαρη. Μπορείτε να προσθέσετε, για παράδειγμα, μερικά γραμμάρια ζάχαρης σε ένα λουτρό νικελίου και να μελετήσετε την επίδρασή του.
Για να προετοιμάσετε έναν ηλεκτρολύτη για επιχρωμίωση του σιδήρου (μετά από προκαταρκτική επιχάλκωση), διαλύστε 40 g χρωμικού ανυδρίτη CrO 3 (Προσοχή! Δηλητήριο!) και ακριβώς 0,5 g θειικού οξέος (σε καμία περίπτωση περισσότερο!) σε 100 ml νερού. Η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε πυκνότητα ρεύματος περίπου 0,1 A/cm 2 και χρησιμοποιείται μια πλάκα μολύβδου ως άνοδος, η περιοχή της οποίας πρέπει να είναι ελαφρώς μικρότερη από την επιφάνεια της επιχρωμιωμένης επιφάνειας.
Τα λουτρά νικελίου και χρωμίου θερμαίνονται καλύτερα ελαφρά (στους 35 ° C περίπου). Λάβετε υπόψη ότι οι ηλεκτρολύτες για επιχρωμίωση, ειδικά κατά τη διάρκεια μιας μακράς διαδικασίας και υψηλού ρεύματος, εκπέμπουν ατμούς που περιέχουν χρωμικό οξύ, οι οποίοι είναι πολύ επιβλαβείς για την υγεία. Ως εκ τούτου, η επιχρωμίωση θα πρέπει να πραγματοποιείται υπό πρόσφυση ή στο ύπαιθρο, για παράδειγμα σε μπαλκόνι.
Κατά την επιχρωμίωση (και σε μικρότερο βαθμό και κατά την επινικελίωση), δεν χρησιμοποιείται όλο το ρεύμα για την εναπόθεση μετάλλων. Ταυτόχρονα απελευθερώνεται υδρογόνο. Με βάση έναν αριθμό τάσεων, θα ήταν αναμενόμενο ότι τα μέταλλα μπροστά από το υδρογόνο δεν θα πρέπει να απελευθερώνονται καθόλου από τα υδατικά διαλύματα, αλλά αντίθετα, θα πρέπει να απελευθερώνεται λιγότερο ενεργό υδρογόνο. Ωστόσο, εδώ, όπως και στην ανοδική διάλυση των μετάλλων, η καθοδική έκλυση του υδρογόνου συχνά αναστέλλεται και παρατηρείται μόνο σε υψηλή τάση. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται υπέρταση υδρογόνου και είναι ιδιαίτερα μεγάλο, για παράδειγμα, στο μόλυβδο. Χάρη σε αυτήν την περίσταση, μια μπαταρία μολύβδου-οξέος μπορεί να λειτουργήσει. Κατά τη φόρτιση μιας μπαταρίας, αντί για PbO 2, θα πρέπει να εμφανίζεται υδρογόνο στην κάθοδο, αλλά, λόγω υπέρτασης, η εξέλιξη του υδρογόνου ξεκινά όταν η μπαταρία είναι σχεδόν πλήρως φορτισμένη.

Αποκαταστατικές ιδιότητες- Αυτές είναι οι κύριες χημικές ιδιότητες όλων των μετάλλων. Εκδηλώνονται σε αλληλεπίδραση με μια μεγάλη ποικιλία οξειδωτικών παραγόντων, συμπεριλαμβανομένων των οξειδωτικών παραγόντων από το περιβάλλον. Γενικά, η αλληλεπίδραση ενός μετάλλου με οξειδωτικά μέσα μπορεί να εκφραστεί με το ακόλουθο σχήμα:

Me + Οξειδωτικός παράγοντας" Μου(+X),

Όπου (+X) είναι η θετική κατάσταση οξείδωσης του Me.

Παραδείγματα οξείδωσης μετάλλων.

Fe + O 2 → Fe(+3) 4Fe + 3O 2 = 2 Fe 2 O 3

Ti + I 2 → Ti(+4) Ti + 2I 2 = TiI 4

Zn + H + → Zn(+2) Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2

Σειρά μεταλλικών δραστηριοτήτων

Οι αναγωγικές ιδιότητες των μετάλλων διαφέρουν μεταξύ τους. Τα δυναμικά ηλεκτροδίων Ε χρησιμοποιούνται ως ποσοτικό χαρακτηριστικό των αναγωγικών ιδιοτήτων των μετάλλων.

Όσο πιο ενεργό είναι το μέταλλο, τόσο πιο αρνητικό είναι το τυπικό δυναμικό του ηλεκτροδίου E o.

Τα μέταλλα που διατάσσονται σε μια σειρά καθώς μειώνεται η οξειδωτική τους δράση σχηματίζουν μια σειρά ενεργειών.

Σειρά μεταλλικών δραστηριοτήτων

Μου

Να

Ο Αλ

H 2

Αγ

Me z+

Li+

Κ+

Ca2+

Na+

Mg 2+

Al 3+

Mn 2+

Zn 2+

Cr 3+

Fe 2+

Ni 2+

Sn 2+

Pb 2+

Η+

Cu 2+

Αγ+

Au 3+

Ε ο, Β

-3,0

-2,9

-2,87

-2,71

-2,36

-1,66

-1,18

-0,76

-0,74

-0,44

-0,25

-0,14

-0,13

+0,34

+0,80

+1,50

Ένα μέταλλο με πιο αρνητική τιμή Eo είναι ικανό να μειώσει ένα μεταλλικό κατιόν με πιο θετικό δυναμικό ηλεκτροδίου.

Η αναγωγή ενός μετάλλου από ένα διάλυμα του άλατος του με ένα άλλο μέταλλο με μεγαλύτερη αναγωγική δράση ονομάζεται τσιμεντοποίηση. Η τσιμεντοποίηση χρησιμοποιείται σε μεταλλουργικές τεχνολογίες.

Συγκεκριμένα, το Cd λαμβάνεται με αναγωγή του από διάλυμα του άλατος του με ψευδάργυρο.

Zn + Cd 2+ = Cd + Zn 2+

3.3. 1. Αλληλεπίδραση μετάλλων με οξυγόνο

Το οξυγόνο είναι ένας ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας. Μπορεί να οξειδώσει τη συντριπτική πλειοψηφία των μετάλλων εκτόςAuΚαιPt . Τα μέταλλα που εκτίθενται στον αέρα έρχονται σε επαφή με το οξυγόνο, επομένως, όταν μελετάμε τη χημεία των μετάλλων, προσέχουμε πάντα τις ιδιαιτερότητες της αλληλεπίδρασης του μετάλλου με το οξυγόνο.

Όλοι γνωρίζουν ότι ο σίδηρος στον υγρό αέρα καλύπτεται με σκουριά - ενυδατωμένο οξείδιο του σιδήρου. Αλλά πολλά μέταλλα σε συμπαγή κατάσταση σε όχι πολύ υψηλές θερμοκρασίες παρουσιάζουν αντοχή στην οξείδωση, καθώς σχηματίζουν λεπτές προστατευτικές μεμβράνες στην επιφάνειά τους. Αυτά τα φιλμ προϊόντων οξείδωσης εμποδίζουν τον οξειδωτικό παράγοντα να έρθει σε επαφή με το μέταλλο. Το φαινόμενο του σχηματισμού προστατευτικών στρωμάτων στην επιφάνεια ενός μετάλλου που εμποδίζουν την οξείδωση του μετάλλου ονομάζεται παθητικοποίηση του μετάλλου.

Η αύξηση της θερμοκρασίας προάγει την οξείδωση των μετάλλων με οξυγόνο. Η δραστηριότητα των μετάλλων αυξάνεται σε μια λεπτή συντριβή. Τα περισσότερα μέταλλα σε μορφή σκόνης καίγονται σε οξυγόνο.

s-μεταλλα

Εμφάνιση της μεγαλύτερης μειωτικής δραστηριότηταςμικρό- μέταλλα.Τα μέταλλα Na, K, Rb Cs μπορούν να αναφλεγούν στον αέρα και αποθηκεύονται σε σφραγισμένα δοχεία ή κάτω από ένα στρώμα κηροζίνης. Το Be και το Mg παθητικοποιούνται σε χαμηλές θερμοκρασίες στον αέρα. Αλλά όταν αναφλέγεται, η ταινία Mg καίγεται με μια εκτυφλωτική φλόγα.

μέταλλαIIΟι Α-υποομάδες και το Li, όταν αλληλεπιδρούν με το οξυγόνο, σχηματίζουν οξείδια.

2Ca + O2 = 2CaO

4 Li + O 2 = 2 Li 2 O

Αλκαλικά μέταλλα, εκτόςLi, όταν αλληλεπιδρούν με το οξυγόνο, σχηματίζουν όχι οξείδια, αλλά υπεροξείδιαΜου 2 Ο 2 και υπεροξείδιαMeO 2 .

2Na + O 2 = Na 2 O 2

K + O 2 = KO 2

π-μέταλλα

Μέταλλα που ανήκουν σεΠ- το μπλοκ παθητικοποιείται στον αέρα.

Όταν καίγεται σε οξυγόνο

μέταλλα της υποομάδας IIIA σχηματίζουν οξείδια του τύπου Εγώ 2 Ο 3,
Το Sn οξειδώνεται σε SnO 2 , και Pb - μέχρι PbO
Ο Μπι πηγαίνει στο Bi2O3.

δ-μέταλλα

Ολαρε-Τα μέταλλα της περιόδου 4 οξειδώνονται από το οξυγόνο. Τα Sc, Mn, Fe οξειδώνονται πιο εύκολα. Ιδιαίτερα ανθεκτικά στη διάβρωση είναι τα Ti, V, Cr.

Όταν καίγεται σε οξυγόνο από όλουςρε

Όταν καίγεται σε οξυγόνο από όλουςρε-από στοιχεία περιόδου 4, μόνο το σκάνδιο, το τιτάνιο και το βανάδιο σχηματίζουν οξείδια στα οποία το Me βρίσκεται στην υψηλότερη κατάσταση οξείδωσης, ίσο με τον αριθμό της ομάδας.Η υπόλοιπη περίοδος 4 d-μέταλλα, όταν καίγονται σε οξυγόνο, σχηματίζουν οξείδια στα οποία το Me βρίσκεται σε ενδιάμεσες αλλά σταθερές καταστάσεις οξείδωσης.

Τύποι οξειδίων που σχηματίζονται από μέταλλα περιόδου 4 d κατά την καύση σε οξυγόνο:

MeOαπό Zn, Cu, Ni, Co. (σε T>1000°C Ο Cu σχηματίζει Cu 2 O),
Εγώ 2 Ο 3, σχηματίζουν Cr, Fe και Sc,
MeO 2 - Mn και Ti,
Το V σχηματίζει ένα υψηλότερο οξείδιο - V 2 Ο 5 .

ρε-μέταλλα των περιόδων 5 και 6, εκτόςΥ, Λα, πιο ανθεκτικό στην οξείδωση από όλα τα άλλα μέταλλα. Δεν αντιδρά με το οξυγόνο Au,Pt .

Όταν καίγεται σε οξυγόνορε-τα μέταλλα των περιόδων 5 και 6 σχηματίζουν κατά κανόνα ανώτερα οξείδια, εξαιρούνται τα μέταλλα Ag, Pd, Rh, Ru.

Τύποι οξειδίων που σχηματίζονται από d-μέταλλα των περιόδων 5 και 6 κατά την καύση σε οξυγόνο:

Εγώ 2 Ο 3- μορφή Y, La; Rh;
MeO 2- Zr, Hf; Ir:
Εγώ 2 Ο 5- Nb, Ta;
MeO 3- Μο, Γου
Εγώ 2 Ο 7- Tc, Re
MeO 4 - Οσ
MeO- Cd, Hg, Pd;
Εγώ 2 Ο- Αγ;

Αλληλεπίδραση μετάλλων με οξέα

Σε όξινα διαλύματα, το κατιόν υδρογόνου είναι ένας οξειδωτικός παράγοντας. Το κατιόν Η+ μπορεί να οξειδώσει μέταλλα της σειράς δραστικότητας μέχρι υδρογόνου, δηλ. με αρνητικά δυναμικά ηλεκτροδίων.

Πολλά μέταλλα, όταν οξειδωθούν, μετατρέπονται σε κατιόντα σε όξινα υδατικά διαλύματαMe z + .

Τα ανιόντα ενός αριθμού οξέων είναι ικανά να επιδεικνύουν οξειδωτικές ιδιότητες που είναι ισχυρότερες από το H +. Τέτοιοι οξειδωτικοί παράγοντες περιλαμβάνουν ανιόντα και τα πιο κοινά οξέα H 2 ΕΤΣΙ 4 ΚαιHNO 3 .

NO 3 - τα ανιόντα παρουσιάζουν οξειδωτικές ιδιότητες σε οποιαδήποτε συγκέντρωση στο διάλυμα, αλλά τα προϊόντα αναγωγής εξαρτώνται από τη συγκέντρωση του οξέος και τη φύση του μετάλλου που οξειδώνεται.

Τα ανιόντα SO 4 2- παρουσιάζουν οξειδωτικές ιδιότητες μόνο σε πυκνό H 2 SO 4.

Προϊόντα αναγωγής οξειδωτικών παραγόντων: H + , NO 3 - , ΕΤΣΙ 4 2 -

2Н + + 2е - =H 2

ΕΤΣΙ 4 2- από συμπυκνωμένο H 2 SO 4 ΕΤΣΙ 4 2- + 2e - + 4 H + = ΕΤΣΙ 2 + 2 H 2 Ο

(ο σχηματισμός S, H 2 S είναι επίσης δυνατός)

NO 3 - από συμπυκνωμένο HNO 3 ΝΟ 3 - + ε - + 2Η + = NO 2 + H 2 O
NO 3 - από αραιό HNO 3 NO 3 - + 3e - +4Η+=ΝΟ+2Η2Ο

(ο σχηματισμός N 2 O, N 2, NH 4 + είναι επίσης δυνατός)

Παραδείγματα αντιδράσεων μεταξύ μετάλλων και οξέων

Zn + H 2 SO 4 (αραιωμένο) " ZnSO 4 + H 2

8Al + 15H 2 SO 4 (k.) " 4Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 S + 12H 2 O

3Ni + 8HNO 3 (dil.) " 3Ni(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O

Cu + 4HNO 3 (k.) " Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Προϊόντα οξείδωσης μετάλλων σε όξινα διαλύματα

Τα αλκαλικά μέταλλα σχηματίζουν κατιόν τύπου Me +, τα μέταλλα s της δεύτερης ομάδας σχηματίζουν κατιόνταΕγώ 2+.

Όταν διαλύονται σε οξέα, τα μέταλλα του μπλοκ p σχηματίζουν τα κατιόντα που υποδεικνύονται στον πίνακα.

Τα μέταλλα Pb και Bi διαλύονται μόνο σε νιτρικό οξύ.

Μου	Ο Αλ	Ga	Σε	Tl	Sn	Pb	Bi
Mez+	Al 3+	Ga 3+	Σε 3+	Tl+	Sn 2+	Pb 2+	Bi 3+
Eo,B	-1,68	-0,55	-0,34	-0,34	-0,14	-0,13	+0,317

Όλα τα δ-μέταλλα των 4 περιόδων, εκτός Cu , μπορεί να οξειδωθεί με ιόνταΗ+ σε όξινα διαλύματα.

Τύποι κατιόντων που σχηματίζονται από μέταλλα περιόδου 4 d:

Εγώ 2+(σχηματίζουν d-μέταλλα που κυμαίνονται από Mn έως Cu)
εγω 3+ (από Sc, Ti, V, Cr και Fe σε νιτρικό οξύ).
Το Ti και το V σχηματίζουν επίσης κατιόντα MeO 2+

ρε-Τα στοιχεία των περιόδων 5 και 6 είναι πιο ανθεκτικά στην οξείδωση από τις περιόδους 4ρε- μέταλλα.

Σε όξινα διαλύματα, το H + μπορεί να οξειδώσει: Y, La, Cd.

Τα ακόλουθα μπορούν να διαλυθούν σε ΗΝΟ 3: Cd, Hg, Ag. Pd, Tc, Re διαλύονται σε ζεστό HNO 3.

Τα ακόλουθα διαλύονται σε θερμό H 2 SO 4: Ti, Zr, V, Nb, Tc, Re, Rh, Ag, Hg.

Μέταλλα: Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W συνήθως διαλύονται σε μείγμα HNO 3 + HF.

Σε aqua regia (μίγμα HNO 3 + HCl) τα Zr, Hf, Mo, Tc, Rh, Ir, Pt, Au και Os μπορούν να διαλυθούν με δυσκολία. Ο λόγος για τη διάλυση των μετάλλων σε aqua regia ή σε μείγμα HNO 3 + HF είναι ο σχηματισμός σύνθετων ενώσεων.

Παράδειγμα. Η διάλυση του χρυσού στο aqua regia καθίσταται δυνατή λόγω του σχηματισμού ενός συμπλέγματος -

Au + HNO 3 + 4HCl = H + NO + 2H 2 O

Αλληλεπίδραση μετάλλων με νερό

Οι οξειδωτικές ιδιότητες του νερού οφείλονται σεΗ(+1).

2H 2 O + 2e -" Ν 2 + 2OH -

Δεδομένου ότι η συγκέντρωση του H + στο νερό είναι χαμηλή, οι οξειδωτικές του ιδιότητες είναι χαμηλές. Τα μέταλλα μπορούν να διαλυθούν στο νερόμι< - 0,413 B. Число металлов, удовлетворяющих этому условию, значительно больше, чем число металлов, реально растворяющихся в воде. Причиной этого является образование на поверхности большинства металлов плотного слоя оксида, нерастворимого в воде. Если оксиды и гидроксиды металла растворимы в воде, то этого препятствия нет, поэтому щелочные и щелочноземельные металлы энергично растворяются в воде. Ολαμικρό-μέταλλα, εκτός Be και Mg διαλύεται εύκολα στο νερό.

2 Να + 2 HOH = H 2 + 2 OH -

Το Na αντιδρά έντονα με το νερό, απελευθερώνοντας θερμότητα. Το απελευθερωμένο Η2 μπορεί να αναφλεγεί.

2Η 2 + Ο 2 = 2 Η 2 Ο

Το Mg διαλύεται μόνο σε βραστό νερό, το Be προστατεύεται από την οξείδωση από ένα αδρανές αδιάλυτο οξείδιο

Τα μέταλλα του μπλοκ P είναι λιγότερο ισχυροί αναγωγικοί παράγοντες από όμικρό.

Μεταξύ των p-μετάλλων, η αναγωγική δραστηριότητα είναι υψηλότερη στα μέταλλα της υποομάδας IIIA, το Sn και το Pb είναι ασθενείς αναγωγικοί παράγοντες, το Bi έχει Eo > 0.

Τα π-μέταλλα δεν διαλύονται στο νερό υπό κανονικές συνθήκες. Όταν το προστατευτικό οξείδιο διαλύεται από την επιφάνεια σε αλκαλικά διαλύματα με νερό, τα Al, Ga και Sn οξειδώνονται.

Μεταξύ των d-μετάλλων, οξειδώνονται από το νερόόταν θερμαίνονται τα Sc και Mn, La, Y Ο σίδηρος αντιδρά με τους υδρατμούς.

Αλληλεπίδραση μετάλλων με αλκαλικά διαλύματα

Σε αλκαλικά διαλύματα, το νερό δρα ως οξειδωτικός παράγοντας..

2H 2 O + 2e - =H 2 + 2OH - Eo = - 0,826 B (pH = 14)

Οι οξειδωτικές ιδιότητες του νερού μειώνονται με την αύξηση του pH, λόγω μείωσης της συγκέντρωσης H +. Παρ 'όλα αυτά, ορισμένα μέταλλα που δεν διαλύονται στο νερό διαλύονται σε αλκαλικά διαλύματα,για παράδειγμα, Al, Zn και μερικά άλλα. Ο κύριος λόγος για τη διάλυση τέτοιων μετάλλων σε αλκαλικά διαλύματα είναι ότι τα οξείδια και τα υδροξείδια αυτών των μετάλλων παρουσιάζουν αμφοτερικότητα και διαλύονται σε αλκάλια, εξαλείφοντας το φράγμα μεταξύ του οξειδωτικού και του αναγωγικού παράγοντα.

Παράδειγμα. Διάλυση του Al σε διάλυμα NaOH.

2Al + 3H 2 O + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na + 3H 2

Εάν από ολόκληρη τη σειρά των τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων επιλέξουμε μόνο εκείνες τις διεργασίες ηλεκτροδίων που αντιστοιχούν στη γενική εξίσωση

τότε παίρνουμε μια σειρά μεταλλικών τάσεων. Εκτός από τα μέταλλα, αυτή η σειρά θα περιλαμβάνει πάντα υδρογόνο, το οποίο σας επιτρέπει να δείτε ποια μέταλλα είναι ικανά να εκτοπίσουν το υδρογόνο από υδατικά διαλύματα οξέων.

Πίνακας 19. Σειρά τάσεων μετάλλων

Ένας αριθμός τάσεων για τα πιο σημαντικά μέταλλα δίνεται στον πίνακα. 19. Η θέση ενός συγκεκριμένου μετάλλου στη σειρά τάσεων χαρακτηρίζει την ικανότητά του να υφίσταται αλληλεπιδράσεις οξειδοαναγωγής σε υδατικά διαλύματα υπό τυπικές συνθήκες. Τα ιόντα μετάλλων είναι οξειδωτικοί παράγοντες και τα μέταλλα με τη μορφή απλών ουσιών είναι αναγωγικοί παράγοντες. Επιπλέον, όσο περισσότερο βρίσκεται ένα μέταλλο στη σειρά τάσης, τόσο ισχυρότερο είναι ο οξειδωτικός παράγοντας σε ένα υδατικό διάλυμα τα ιόντα του και αντίστροφα, όσο πιο κοντά είναι το μέταλλο στην αρχή της σειράς, τόσο ισχυρότερες είναι οι αναγωγικές ιδιότητες ενός απλού ουσία - το μέταλλο.

Δυνατότητα διεργασίας ηλεκτροδίων

σε ουδέτερο περιβάλλον ισούται με Β (βλ. σελίδα 273). Τα ενεργά μέταλλα στην αρχή της σειράς, με δυναμικό σημαντικά πιο αρνητικό από -0,41 V, εκτοπίζουν το υδρογόνο από το νερό. Το μαγνήσιο εκτοπίζει το υδρογόνο μόνο από το ζεστό νερό. Τα μέταλλα που βρίσκονται μεταξύ μαγνησίου και καδμίου γενικά δεν εκτοπίζουν το υδρογόνο από το νερό. Στην επιφάνεια αυτών των μετάλλων σχηματίζονται μεμβράνες οξειδίου, οι οποίες έχουν προστατευτική δράση.

Τα μέταλλα που βρίσκονται μεταξύ μαγνησίου και υδρογόνου εκτοπίζουν το υδρογόνο από τα όξινα διαλύματα. Ταυτόχρονα, σχηματίζονται επίσης προστατευτικές μεμβράνες στην επιφάνεια ορισμένων μετάλλων, αναστέλλοντας την αντίδραση. Έτσι, το φιλμ οξειδίου στο αλουμίνιο καθιστά αυτό το μέταλλο σταθερό όχι μόνο στο νερό, αλλά και σε διαλύματα ορισμένων οξέων. Ο μόλυβδος δεν διαλύεται στο θειικό οξύ στη συγκέντρωση του κάτω, καθώς το άλας που σχηματίζεται όταν ο μόλυβδος αντιδρά με το θειικό οξύ είναι αδιάλυτο και δημιουργεί ένα προστατευτικό φιλμ στην επιφάνεια του μετάλλου. Το φαινόμενο της βαθιάς αναστολής της οξείδωσης του μετάλλου, λόγω της παρουσίας προστατευτικών μεμβρανών οξειδίου ή αλατιού στην επιφάνειά του, ονομάζεται παθητικότητα και η κατάσταση του μετάλλου σε αυτή την περίπτωση ονομάζεται παθητική κατάσταση.

Τα μέταλλα είναι ικανά να μετατοπίζουν το ένα το άλλο από τα διαλύματα αλάτων. Η κατεύθυνση της αντίδρασης καθορίζεται από τη σχετική θέση τους στη σειρά των τάσεων. Όταν εξετάζουμε συγκεκριμένες περιπτώσεις τέτοιων αντιδράσεων, θα πρέπει να θυμόμαστε ότι τα ενεργά μέταλλα εκτοπίζουν το υδρογόνο όχι μόνο από το νερό, αλλά και από οποιοδήποτε υδατικό διάλυμα. Επομένως, η αμοιβαία μετατόπιση των μετάλλων από τα διαλύματα των αλάτων τους συμβαίνει πρακτικά μόνο στην περίπτωση μετάλλων που βρίσκονται στη σειρά μετά το μαγνήσιο.

Ο Beketov ήταν ο πρώτος που μελέτησε λεπτομερώς τη μετατόπιση των μετάλλων από τις ενώσεις τους από άλλα μέταλλα. Ως αποτέλεσμα της δουλειάς του, τακτοποίησε τα μέταλλα ανάλογα με τη χημική τους δραστηριότητα σε μια σειρά μετατόπισης, η οποία είναι το πρωτότυπο μιας σειράς μεταλλικών τάσεων.

Η σχετική θέση ορισμένων μετάλλων στη σειρά τάσεων και στον περιοδικό πίνακα με την πρώτη ματιά δεν ανταποκρίνεται μεταξύ τους. Για παράδειγμα, σύμφωνα με τη θέση στον περιοδικό πίνακα, η χημική δραστηριότητα του καλίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το νάτριο και το νάτριο - μεγαλύτερη από το λίθιο. Στη σειρά των τάσεων, το λίθιο είναι το πιο ενεργό και το κάλιο καταλαμβάνει μια μεσαία θέση μεταξύ λιθίου και νατρίου. Ο ψευδάργυρος και ο χαλκός, ανάλογα με τη θέση τους στον περιοδικό πίνακα, θα πρέπει να έχουν περίπου ίση χημική δραστηριότητα, αλλά στη σειρά τάσης, ο ψευδάργυρος βρίσκεται πολύ νωρίτερα από τον χαλκό. Ο λόγος για αυτό το είδος ασυνέπειας είναι ο εξής.

Κατά τη σύγκριση των μετάλλων που καταλαμβάνουν τη μία ή την άλλη θέση στον περιοδικό πίνακα, η ενέργεια ιονισμού των ελεύθερων ατόμων λαμβάνεται ως μέτρο της χημικής τους δραστηριότητας - αναγωγικής ικανότητας. Πράγματι, όταν κινείται, για παράδειγμα, από πάνω προς τα κάτω κατά μήκος της κύριας υποομάδας της ομάδας Ι του περιοδικού συστήματος, η ενέργεια ιονισμού των ατόμων μειώνεται, η οποία σχετίζεται με αύξηση των ακτίνων τους (δηλ. με μεγαλύτερη απόσταση των εξωτερικών ηλεκτρονίων από τον πυρήνα) και με αυξανόμενο έλεγχο του θετικού φορτίου του πυρήνα από ενδιάμεσα ηλεκτρονικά στρώματα (βλ. § 31). Επομένως, τα άτομα καλίου παρουσιάζουν μεγαλύτερη χημική δραστηριότητα - έχουν ισχυρότερες αναγωγικές ιδιότητες - από τα άτομα νατρίου και τα άτομα νατρίου παρουσιάζουν μεγαλύτερη δραστηριότητα από τα άτομα λιθίου.

Όταν συγκρίνουμε μέταλλα σε μια σειρά τάσεων, το έργο της μετατροπής ενός μετάλλου σε στερεή κατάσταση σε ενυδατωμένα ιόντα σε ένα υδατικό διάλυμα λαμβάνεται ως μέτρο της χημικής δραστηριότητας. Αυτό το έργο μπορεί να αναπαρασταθεί ως το άθροισμα τριών όρων: η ενέργεια ψεκασμού - ο μετασχηματισμός ενός κρυστάλλου μετάλλου σε μεμονωμένα άτομα, η ενέργεια ιονισμού των ελεύθερων ατόμων μετάλλου και η ενέργεια ενυδάτωσης των ιόντων που προκύπτουν. Η ενέργεια ψεκασμού χαρακτηρίζει την αντοχή του κρυσταλλικού πλέγματος ενός δεδομένου μετάλλου. Η ενέργεια ιονισμού των ατόμων - η απομάκρυνση των ηλεκτρονίων σθένους από αυτά - καθορίζεται άμεσα από τη θέση του μετάλλου στον περιοδικό πίνακα. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την ενυδάτωση εξαρτάται από την ηλεκτρονική δομή του ιόντος, το φορτίο και την ακτίνα του.

Τα ιόντα λιθίου και καλίου, που έχουν το ίδιο φορτίο αλλά διαφορετικές ακτίνες, θα δημιουργήσουν άνισα ηλεκτρικά πεδία γύρω τους. Το πεδίο που δημιουργείται κοντά σε μικρά ιόντα λιθίου θα είναι ισχυρότερο από το πεδίο κοντά σε μεγάλα ιόντα καλίου. Από αυτό είναι σαφές ότι τα ιόντα λιθίου θα ενυδατωθούν με την απελευθέρωση περισσότερης ενέργειας από τα ιόντα καλίου.

Έτσι, κατά τη διάρκεια του εξεταζόμενου μετασχηματισμού, η ενέργεια δαπανάται για ψεκασμό και ιονισμό και απελευθερώνεται ενέργεια κατά την ενυδάτωση. Όσο μικρότερη είναι η συνολική κατανάλωση ενέργειας, τόσο πιο εύκολη θα είναι η όλη διαδικασία και όσο πιο κοντά στην αρχή της σειράς τάσεων θα βρίσκεται το δεδομένο μέταλλο. Αλλά από τους τρεις όρους του γενικού ενεργειακού ισοζυγίου, μόνο ένας - η ενέργεια ιονισμού - καθορίζεται άμεσα από τη θέση του μετάλλου στον περιοδικό πίνακα. Συνεπώς, δεν υπάρχει λόγος να αναμένεται ότι η σχετική θέση ορισμένων μετάλλων στη σειρά τάσεων θα αντιστοιχεί πάντα στη θέση τους στον περιοδικό πίνακα. Έτσι, για το λίθιο, η συνολική κατανάλωση ενέργειας αποδεικνύεται μικρότερη από ό,τι για το κάλιο, σύμφωνα με την οποία το λίθιο προηγείται του καλίου στη σειρά τάσης.

Για τον χαλκό και τον ψευδάργυρο, η ενεργειακή δαπάνη για τον ιονισμό των ελεύθερων ατόμων και το ενεργειακό κέρδος κατά την ενυδάτωση των ιόντων είναι κοντά. Αλλά ο μεταλλικός χαλκός σχηματίζει ένα ισχυρότερο κρυσταλλικό πλέγμα από τον ψευδάργυρο, όπως φαίνεται από μια σύγκριση των θερμοκρασιών τήξης αυτών των μετάλλων: ο ψευδάργυρος λιώνει στο , και ο χαλκός μόνο στο . Επομένως, η ενέργεια που δαπανάται για τον ψεκασμό αυτών των μετάλλων είναι σημαντικά διαφορετική, με αποτέλεσμα το συνολικό ενεργειακό κόστος για ολόκληρη τη διαδικασία στην περίπτωση του χαλκού να είναι πολύ μεγαλύτερο από ό,τι στην περίπτωση του ψευδαργύρου, γεγονός που εξηγεί τη σχετική θέση αυτών των μετάλλων. μέταλλα στη σειρά τάσεων.

Κατά τη μετάβαση από το νερό σε μη υδατικούς διαλύτες, οι σχετικές θέσεις των μετάλλων στη σειρά τάσης μπορεί να αλλάξουν. Ο λόγος για αυτό είναι ότι η ενέργεια διαλυτοποίησης διαφορετικών μεταλλικών ιόντων αλλάζει διαφορετικά όταν μετακινούνται από τον ένα διαλύτη στον άλλο.

Συγκεκριμένα, το ιόν χαλκού επιδιαλυτώνεται αρκετά έντονα σε ορισμένους οργανικούς διαλύτες. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι σε τέτοιους διαλύτες ο χαλκός βρίσκεται στη σειρά τάσης πριν από το υδρογόνο και τον εκτοπίζει από όξινα διαλύματα.

Έτσι, σε αντίθεση με το περιοδικό σύστημα στοιχείων, μια σειρά από τάσεις μετάλλων δεν είναι αντανάκλαση ενός γενικού σχεδίου, βάσει του οποίου είναι δυνατό να δοθεί ένα ολοκληρωμένο Χαρακτηριστικό των χημικών ιδιοτήτων των μετάλλων. Μια σειρά τάσεων χαρακτηρίζει μόνο την ικανότητα οξειδοαναγωγής του Ηλεκτροχημικού συστήματος «ιόν μετάλλου - μετάλλου» υπό αυστηρά καθορισμένες συνθήκες: οι τιμές που δίνονται σε αυτό αναφέρονται σε υδατικό διάλυμα, θερμοκρασία και μονάδα συγκέντρωσης (δραστηριότητα) μεταλλικών ιόντων.