Elektrolüütiline laud. Mitmed standardsed elektroodide potentsiaalid (pinged)

Töö eesmärk: tutvuda metallide redoksomaduste sõltuvusega nende asukohast elektrokeemilises pingereas.

Seadmed ja reaktiivid: katseklaasid, katseklaasihoidjad, alkoholilamp, filterpaber, pipetid, 2n. lahendusi HCl Ja H2SO4, keskendunud H2SO4, lahjendatud ja kontsentreeritud HNO3, 0,5 miljonit lahendusi CuSO4, Pb(NO3)2 või Pb(CH3COO)2; metallitükid alumiinium, tsink, raud, vask, tina, rauast kirjaklambrid, destilleeritud vesi.

Teoreetilised seletused

Iga metalli keemilise iseloomu määrab suuresti see, kui kergesti see oksüdeerub, s.t. kui kergesti võivad selle aatomid muutuda positiivsete ioonide olekusse.

Metalle, millel on kerge oksüdeerumisvõime, nimetatakse mitteväärismetallideks. Metalle, mis oksüdeeruvad suurte raskustega, nimetatakse üllasteks.

Iga metalli iseloomustab elektroodi standardpotentsiaali teatud väärtus. Standardpotentsiaali jaoks j 0 antud metallelektroodilt võetakse vasakpoolsest standardsest vesinikelektroodist ja selle metalli soola lahusesse asetatud metallplaadist koosneva galvaanilise elemendi emf ning aktiivsus (lahjendatud lahustes võib kontsentratsioon olla kasutatud) metalli katioonide arv lahuses peaks olema võrdne 1-ga mol/l; T = 298 K; p = 1 atm.(standardtingimused). Kui reaktsioonitingimused erinevad standardsetest, tuleb arvestada elektroodide potentsiaalide sõltuvust metalliioonide kontsentratsioonidest (täpsemalt aktiivsusest) lahuses ja temperatuurist.

Elektroodide potentsiaalide sõltuvust kontsentratsioonist väljendab Nernsti võrrand, mis süsteemile rakendades:

mina n + + n e -→Mina

IN;

R- gaasikonstant, ;

F – Faraday konstant ("96500 C/mol);

n –

a mina n + - mol/l.

Tähenduse võtmine T=298TO, saame

mol/l.

j 0, redutseerimise poolreaktsioonile vastav, saadakse hulk metalli pingeid (mitu standardseid elektroodipotentsiaale). Vesiniku standardelektroodi potentsiaal, mis on null, selle süsteemi jaoks, milles protsess toimub, asetatakse samasse ritta:

2Н + +2е - = Н 2

Samal ajal on mitteväärismetallide standardsete elektroodide potentsiaalidel negatiivne väärtus ja väärismetallidel positiivne.

Metallide elektrokeemilised pingeread

Li; K; Ba; Sr; Ca; Na; Mg; Al; Mn; Zn; Cr; Fe; CD; Co; Ni; Sn; Pb; ( H) ; Sb; Bi; Cu; Hg; Ag; Pd; Pt; Au

See seeria iseloomustab "metall-metalliioonide" süsteemi redoksvõimet vesilahustes standardtingimustes. Mida kaugemal on metall pingereas (seda väiksem on j 0), mida võimsam on redutseerija ja seda lihtsam on metalliaatomitel elektronidest loobuda, muutudes katioonideks, kuid selle metalli katioonidel on elektrone raskem siduda, muutudes neutraalseteks aatomiteks.

Redoksreaktsioonid, milles osalevad metallid ja nende katioonid, kulgevad suunas, kus madalama elektroodipotentsiaaliga metall on redutseerija (st oksüdeerunud) ja suurema elektroodipotentsiaaliga metallikatioonid on oksüdeerivad ained (st redutseeritud). Sellega seoses on metallide elektrokeemilise pinge seeriale iseloomulikud järgmised mustrid:

1. iga metall tõrjub soolalahusest välja kõik teised metallid, mis asuvad metalli pingete elektrokeemilises reas temast paremal.

2. kõik metallid, mis on elektrokeemilises pingereas vesinikust vasakul, tõrjuvad vesinikku lahjendatud hapetest välja.

Eksperimentaalne metoodika

Katse 1: metallide interaktsioon vesinikkloriidhappega.

Valage 2–3 nelja katseklaasi ml vesinikkloriidhape ja asetage neisse eraldi tükk alumiiniumi, tsinki, rauda ja vaske. Milline võetud metallidest tõrjub happest välja vesiniku? Kirjutage reaktsioonivõrrandid.

Katse 2: metallide interaktsioon väävelhappega.

Asetage rauatükk katseklaasi ja lisage 1 ml 2n. väävelhape. Mida jälgitakse? Korrake katset vasetükiga. Kas reaktsioon toimub?

Kontrollige kontsentreeritud väävelhappe mõju rauale ja vasele. Selgitage tähelepanekuid. Kirjutage kõik reaktsioonivõrrandid.

Katse 3: vase interaktsioon lämmastikhappega.

Asetage vasetükk kahte katseklaasi. Valage ühte neist 2 ml lahjendatud lämmastikhape, teine - kontsentreeritud. Vajadusel soojendage katseklaaside sisu alkoholilambis. Milline gaas tekib esimeses katseklaasis ja milline teises? Kirjutage üles reaktsioonivõrrandid.

Katse 4: metallide koostoime sooladega.

Valage 2–3 katseklaasi ml vask(II)sulfaadi lahusega ja langetage raudtraadi tükk. Mis toimub? Korrake katset, asendades raudtraadi tsingitükiga. Kirjutage reaktsioonivõrrandid. Valage katseklaasi 2 ml plii (II) atsetaadi või nitraadi lahusega ja tilgutage tükk tsinki. Mis toimub? Kirjutage reaktsioonivõrrand. Määrake oksüdeerija ja redutseerija. Kas reaktsioon toimub, kui tsink asendatakse vasega? Andke selgitus.

11.3 Õpilase ettevalmistuse nõutav tase

1. Teadke elektroodi standardpotentsiaali mõistet ja omage ettekujutust selle mõõtmisest.

2. Oskab kasutada Nernsti võrrandit elektroodi potentsiaali määramiseks tavatingimustest erinevalt.

3. Teadke, mis on metalli pingete jada ja mida see iseloomustab.

4. Oskab kasutada metallide ja nende katioonide, aga ka metallide ja hapetega seotud redoksreaktsioonide suuna määramiseks erinevaid metallide pingeid.

Enesekontrolli ülesanded

1. Kui suur mass sisaldab tehnilist rauda 18% lisandid, mis on vajalikud nikkelsulfaadi lahusest väljatõrjumiseks (II) 7,42 g nikkel?

2. Vaskplaadi kaalumine 28 g. Reaktsiooni lõppedes plaat eemaldati, pesti, kuivatati ja kaaluti. Selle mass osutus 32,52 g. Kui suur oli hõbenitraadi mass lahuses?

3. Määrake sisse sukeldatud vase elektroodi potentsiaali väärtus 0,0005 miljonit vasknitraadi lahus (II).

4. Sisse sukeldatud tsingi elektroodipotentsiaal 0,2 miljonit lahendus ZnSO4, on võrdne 0,8 V. määrake näiv dissotsiatsiooniaste ZnSO4 kindlaksmääratud kontsentratsiooniga lahuses.

5. Arvutage vesiniku elektroodi potentsiaal, kui vesinikioonide kontsentratsioon lahuses (H+) ulatub 3,8 10 -3 mol/l.

6. Arvutage raudelektroodi potentsiaal, mis on sukeldatud lahusesse, mis sisaldab 0,0699 g FeCl2 0,5 liitris.

7. Mida nimetatakse metalli standardseks elektroodipotentsiaaliks? Milline võrrand väljendab elektroodide potentsiaalide sõltuvust kontsentratsioonist?

Laboritöö nr 12

Teema: galvaaniline element

Töö eesmärk: galvaanilise elemendi tööpõhimõtetega tutvumine, arvutusmeetodite valdamine EMF galvaanilised elemendid.

Seadmed ja reaktiivid: juhtidega ühendatud vask- ja tsinkplaadid, juhtide abil vaskplaatidega ühendatud vask- ja tsinkplaadid, liivapaber, voltmeeter, 3 keemilised keeduklaasid peal 200-250 ml, gradueeritud silinder, U-kujulise toruga alus, soolasild, 0,1 miljonit vasksulfaadi, tsinksulfaadi, naatriumsulfaadi lahused, 0,1 % fenoolftaleiini lahus 50% etüülalkohol.

Teoreetilised seletused

Galvaanielement on keemiline vooluallikas, st seade, mis toodab elektrienergiat keemilise energia otsese muundamise tulemusena oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsioonist.

Elektrivool (laetud osakeste suunatud liikumine) edastatakse voolujuhtide kaudu, mis jagunevad esimest ja teist tüüpi juhtideks.

Esimest tüüpi juhid juhivad elektrivoolu koos oma elektronidega (elektroonilised juhid). Nende hulka kuuluvad kõik metallid ja nende sulamid, grafiit, kivisüsi ja mõned tahked oksiidid. Nende juhtide elektrijuhtivus on vahemikus 10 2 kuni 10 6 oomi -1 cm -1 (näiteks kivisüsi - 200 oomi -1 cm -1, hõbe 6 10 5 oomi -1 cm -1).

Teist tüüpi juhid juhivad elektrivoolu oma ioonidega (ioonjuhid). Neid iseloomustab madal elektrijuhtivus (näiteks H 2 O - 4 10 -8 Ohm -1 cm -1).

Kui esimest ja teist tüüpi juhte kombineerida, moodustub elektrood. See on enamasti oma soola lahusesse kastetud metall.

Kui metallplaat on vette kastetud, hüdraatuvad selle pinnakihis asuvad metalliaatomid polaarsete veemolekulide mõjul. Hüdratsiooni ja termilise liikumise tulemusena nõrgeneb nende ühendus kristallvõrega ja teatud arv aatomeid läheb hüdraatunud ioonide kujul metalli pinnaga külgnevasse vedelikukihti. Metallplaat saab negatiivselt laetud:

Me + m H 2 O = Me n + n H 2 O + ne -

Kus meh- metalli aatom; Me n + n H2O– hüdraatunud metalliioon; e-- elektron, n- metalliiooni laeng.

Tasakaaluseisund sõltub metalli aktiivsusest ja selle ioonide kontsentratsioonist lahuses. Aktiivsete metallide puhul ( Zn, Fe, Cd, Ni) interaktsioon polaarsete veemolekulidega lõpeb positiivsete metalliioonide eraldumisega pinnalt ja hüdraatunud ioonide üleminekuga lahusesse (joon. 1 A). See protsess on oksüdatiivne. Kui katioonide kontsentratsioon pinna lähedal suureneb, suureneb pöördprotsessi – metalliioonide redutseerimise – kiirus. Lõppkokkuvõttes võrdsustuvad mõlema protsessi kiirused, tekib tasakaal, milles lahuse-metalli liidesele ilmub teatud metallipotentsiaali väärtusega kahekordne elektrikiht.

+ + + +

– – – –

‌

Zn 0 + mH 2 O → Zn 2+ mH 2 O + 2e - + + – – Cu 2+ nH 2 O+2e - → Cu 0 + nH 2 O

+ + + – – –

Riis. 1. Elektroodipotentsiaali esinemise skeem

Kui metall on kastetud mitte vette, vaid selle metalli soola lahusesse, nihkub tasakaal vasakule, st ioonide ülemineku suunas lahusest metalli pinnale. Sel juhul luuakse uus tasakaal metalli potentsiaali erineva väärtuse juures.

Mitteaktiivsete metallide puhul on metalliioonide tasakaalukontsentratsioon puhtas vees väga väike. Kui selline metall kastetakse selle soola lahusesse, vabanevad metalli katioonid lahusest kiiremini kui ioonide ülemineku kiirus metallist lahusesse. Sel juhul saab metalli pind positiivse laengu ja lahus negatiivse laengu soolaanioonide liigse tõttu (joonis 1. b).

Seega, kui metall sukeldatakse vette või antud metalli ioone sisaldavasse lahusesse, tekib metalli ja lahuse liidesele elektriline topeltkiht, millel on teatud potentsiaalide erinevus. Elektroodi potentsiaal sõltub metalli olemusest, selle ioonide kontsentratsioonist lahuses ja temperatuurist.

Elektroodi potentsiaali absoluutväärtus jühte elektroodi ei saa katseliselt määrata. Siiski on võimalik mõõta kahe keemiliselt erineva elektroodi potentsiaalide erinevust.

Leppisime kokku, et võtame standardse vesinikelektroodi potentsiaali võrdseks nulliga. Standardne vesinikelektrood on plaatinast käsnaga kaetud plaatinaplaat, mis on sukeldatud happelahusesse, mille vesinikioonide aktiivsus on 1 mol/l. Elektroodi pestakse gaasilise vesinikuga rõhul 1 atm. ja temperatuur 298 K. See loob tasakaalu:

2 N + + 2 e = N 2

Standardpotentsiaali jaoks j 0 sellest metallelektroodist võetakse EMF galvaaniline element, mis koosneb standardsest vesinikelektroodist ja selle metalli soola lahusesse asetatud metallplaadist ning lahuses olevate metallikatioonide aktiivsus (lahjendatud lahustes võib kasutada kontsentratsiooni) peaks olema võrdne 1-ga mol/l; T = 298 K; p = 1 atm.(standardtingimused). Elektroodi standardpotentsiaali väärtust nimetatakse alati reduktsiooni poolreaktsiooniks:

Me n + +n e - → Mina

Metallide järjestamine nende standardsete elektroodipotentsiaalide suurusjärgus j 0, redutseerimise poolreaktsioonile vastav, saadakse hulk metalli pingeid (mitu standardseid elektroodipotentsiaale). Süsteemi standardne elektroodi potentsiaal, mis on null, asetatakse samale reale:

Н + +2е - → Н 2

Metallelektroodi potentsiaali sõltuvus j temperatuur ja kontsentratsioon (aktiivsus) määratakse Nernsti võrrandiga, mis süsteemile rakendades:

mina n + + n e -→Mina

Võib kirjutada järgmisel kujul:

kus on elektroodi standardpotentsiaal, IN;

R- gaasikonstant, ;

F – Faraday konstant ("96500 C/mol);

n – protsessis osalevate elektronide arv;

a mina n + - metalliioonide aktiivsus lahuses, mol/l.

Tähenduse võtmine T=298TO, saame

Veelgi enam, aktiivsuse lahjendatud lahustes saab asendada ioonide kontsentratsiooniga, mis on väljendatud ühikutes mol/l.

EMF mis tahes galvaanielemendi võib defineerida kui erinevust katoodi ja anoodi elektroodipotentsiaalide vahel:

EMF = j katood -j anood

Elemendi negatiivset poolust nimetatakse anoodiks ja sellel toimub oksüdatsiooniprotsess:

Mina - ne - → Mina n +

Positiivset poolust nimetatakse katoodiks ja sellel toimub redutseerimisprotsess:

Mina n + + ne - → Mina

Galvaanielemendi saab kirjutada skemaatiliselt, järgides teatud reegleid:

1. Vasakpoolne elektrood tuleb kirjutada järjestuses metall - ion. Parempoolne elektrood on kirjutatud järjestuses ioon - metall. (-) Zn/Zn 2+ //Cu 2+ /Cu (+)

2. Vasakul elektroodil toimuv reaktsioon registreeritakse oksüdatiivsena ja parempoolse elektroodi reaktsioon redutseerivana.

3. Kui EMF element > 0, siis on galvaanilise elemendi töö spontaanne. Kui EMF< 0, то самопроизвольно будет работать обратный гальванический элемент.

Katse läbiviimise metoodika

Kogemus 1: Vask-tsink-galvaanielemendi koostis

Vajalikud seadmed ja reaktiivid hankige laborandilt. Mahuga keeduklaasis 200 ml valada 100 ml 0,1 M vasksulfaadi lahus (II) ja langetage juhtmega ühendatud vaskplaat sellesse. Valage sama maht teise klaasi 0,1 miljonit tsinksulfaadi lahusega ja langetage sellesse juhiga ühendatud tsinkplaat. Plaadid tuleb esmalt puhastada liivapaberiga. Hankige laborandilt soolasild ja ühendage sellega kaks elektrolüüti. Soolasild on geeliga (agar-agar) täidetud klaastoru, mille mõlemad otsad suletakse vatitikuga. Silda hoitakse naatriumsulfaadi küllastunud vesilahuses, mille tulemusena geel paisub ja sellel on ioonjuhtivus.

Kinnitage õpetaja abiga saadud galvaanilise elemendi pooluste külge voltmeeter ja mõõtke pinge (kui mõõtmine toimub väikese takistusega voltmeetriga, siis väärtuse vahe EMF ja pinge on madal). Arvutage Nernsti võrrandi abil teoreetiline väärtus EMF galvaaniline element. Pinge on väiksem EMF galvaaniline element elektroodide polarisatsiooni ja oomiliste kadude tõttu.

Kogemus 2: Naatriumsulfaadi lahuse elektrolüüs

Katses, kasutades galvaanilise elemendi toodetud elektrienergiat, tehakse ettepanek viia läbi naatriumsulfaadi elektrolüüs. Selleks valage naatriumsulfaadi lahus U-kujulisse torusse ja asetage mõlemasse põlvedesse vaskplaadid, mis on lihvitud liivapaberiga ja ühendatud galvaanilise elemendi vask- ja tsinkelektroodidega, nagu näidatud joonisel fig. 2. Lisage 2-3 tilka fenoolftaleiini U-kujulise toru igasse küünarnukki. Mõne aja pärast muutub lahus elektrolüsaatori katoodruumis roosaks, kuna vee katoodsel redutseerimisel tekib leeline. See näitab, et galvaaniline element töötab vooluallikana.

Kirjutage üles katoodil ja anoodil naatriumsulfaadi vesilahuse elektrolüüsil toimuvate protsesside võrrandid.

(–) KATOODANOOD (+)

soolasild

→ Zn 2+ Cu 2+→

ZnSO 4 Cu SO 4

ANOOOD (-) KATOOD (+)

Zn – 2e - → Zn 2+ Сu 2+ + 2e - →Cu

oksüdatsiooni vähendamine

12.3 Õpilase ettevalmistuse nõutav tase

1. Teadma mõisteid: esimest ja teist tüüpi juhid, dielektrikud, elektrood, galvaaniline element, galvaanilise elemendi anood ja katood, elektroodi potentsiaal, elektroodi standardpotentsiaal. EMF galvaaniline element.

2. Omada ettekujutust elektroodide potentsiaalide tekkimise põhjustest ja nende mõõtmise meetoditest.

3. Omada ettekujutust galvaanilise elemendi tööpõhimõtetest.

4. Oskab kasutada Nernsti võrrandit elektroodide potentsiaalide arvutamiseks.

5. Oskab üles kirjutada galvaaniliste elementide diagramme, oskab arvutada EMF galvaanilised elemendid.

Enesekontrolli ülesanded

1. Kirjeldage juhte ja dielektrikuid.

2. Miks on galvaanilises elemendis anoodil negatiivne laeng, elektrolüsaatoris aga positiivse laenguga?

3. Millised on katoodide erinevused ja sarnasused elektrolüsaatoris ja galvaanilises elemendis?

4. Magneesiumiplaat kasteti selle soola lahusesse. Sel juhul osutus magneesiumi elektroodipotentsiaal võrdseks -2,41 V. Arvutage magneesiumiioonide kontsentratsioon mol/l. (4,17x10 -2).

5. Millise ioonikontsentratsiooni juures Zn 2+ (mol/l) tsinkelektroodi potentsiaal muutub 0,015 V vähem kui selle standardelektrood? (0,3 mol/l)

6. Nikli ja koobalti elektroodid langetatakse vastavalt lahustesse. Ni(NO3)2 Ja Co(NO3)2. Millises vahekorras peaks olema nende metallide ioonide kontsentratsioon, et mõlema elektroodi potentsiaalid oleksid samad? (CNi2+:CCo2+ = 1:0,117).

7. Millise ioonikontsentratsiooni juures Cu 2+ V mol/l kas vaskelektroodi potentsiaal muutub võrdseks vesinikelektroodi standardpotentsiaaliga? (1,89x10-6 mol/l).

8. Koostage skeem, kirjutage elektroodprotsesside elektroonilised võrrandid ja arvutage EMF galvaaniline element, mis koosneb kaadmiumi ja magneesiumi plaatidest, mis on sukeldatud nende soolade lahusesse kontsentratsiooniga = = 1,0 mol/l. Kas väärtus muutub EMF, kui iga iooni kontsentratsiooni vähendatakse väärtuseni 0,01 mol/l? (2,244 V).

Laboritöö nr 13

Kui kogu standardsete elektroodipotentsiaalide seeriast valime ainult need elektroodiprotsessid, mis vastavad üldvõrrandile

siis saame metalli pingete jada. Lisaks metallidele sisaldab see seeria alati ka vesinikku, mis võimaldab teil näha, millised metallid on võimelised hapete vesilahustest vesinikku välja tõrjuma.

Tabel 19. Metalli pingete jada

Tabelis on toodud rida kõige olulisemate metallide pingeid. 19. Konkreetse metalli asukoht pingereas iseloomustab selle võimet läbida standardtingimustes vesilahustes redoks-interaktsioone. Metalliioonid on oksüdeerivad ained ja metallid lihtainete kujul on redutseerijad. Veelgi enam, mida kaugemal metall pingereas paikneb, seda tugevamad on vesilahuses oleva oksüdeerija ioonid ja vastupidi, mida lähemal metall seeria algusele on, seda tugevamad on lihtsa metalli redutseerivad omadused. aine - metall.

Elektroodi protsessipotentsiaal

neutraalses keskkonnas on see võrdne B-ga (vt lk 273). Seeria alguses olevad aktiivsed metallid, mille potentsiaal on oluliselt negatiivsem kui -0,41 V, tõrjuvad veest välja vesiniku. Magneesium tõrjub vesinikku välja ainult kuumast veest. Magneesiumi ja kaadmiumi vahel asuvad metallid ei tõrju üldjuhul veest välja vesinikku. Nende metallide pinnale moodustuvad oksiidkiled, millel on kaitsev toime.

Magneesiumi ja vesiniku vahel asuvad metallid tõrjuvad vesinikku happelahustest välja. Samal ajal tekivad mõnede metallide pinnale ka kaitsekiled, mis pärsivad reaktsiooni. Seega muudab alumiiniumil olev oksiidkile selle metalli stabiilseks mitte ainult vees, vaid ka teatud hapete lahustes. Plii ei lahustu madalamal kontsentratsioonil väävelhappes, kuna plii reageerimisel väävelhappega tekkiv sool on lahustumatu ja loob metalli pinnale kaitsekile. Metalli oksüdatsiooni sügava pärssimise nähtust, mis on tingitud kaitsvate oksiidi- või soolakilede olemasolust selle pinnal, nimetatakse passiivsuseks ja metalli olekut nimetatakse sel juhul passiivseks olekuks.

Metallid on võimelised üksteist soolalahustest välja tõrjuma. Reaktsiooni suuna määrab nende suhteline asukoht pingete reas. Selliste reaktsioonide konkreetsete juhtude kaalumisel tuleb meeles pidada, et aktiivsed metallid tõrjuvad vesinikku välja mitte ainult veest, vaid ka mis tahes vesilahusest. Seetõttu toimub metallide vastastikune nihkumine nende soolade lahustest praktiliselt ainult nende metallide puhul, mis asuvad magneesiumi järel.

Beketov oli esimene, kes uuris üksikasjalikult metallide väljatõrjumist nende ühenditest teiste metallide poolt. Oma töö tulemusena järjestas ta metallid vastavalt nende keemilisele aktiivsusele nihkeseeriaks, mis on metallide pingete jada prototüüp.

Mõnede metallide suhteline asend pingereas ja perioodilisustabelis esmapilgul ei vasta üksteisele. Näiteks perioodilise tabeli positsiooni järgi peaks kaaliumi keemiline aktiivsus olema suurem kui naatrium ja naatriumi - suurem kui liitium. Pingete seerias on liitium kõige aktiivsem ja kaalium on liitiumi ja naatriumi vahel keskmisel positsioonil. Tsingil ja vasel peaks vastavalt oma positsioonile perioodilisustabelis olema ligikaudu võrdne keemiline aktiivsus, kuid pingereas paikneb tsink palju varem kui vask. Sellise ebakõla põhjus on järgmine.

Perioodilises tabelis ühel või teisel positsioonil olevate metallide võrdlemisel võetakse vabade aatomite ionisatsioonienergiat nende keemilise aktiivsuse - redutseerimisvõime - mõõdupuuks. Tõepoolest, liikudes näiteks ülalt alla mööda perioodilise süsteemi I rühma peamist alarühma, väheneb aatomite ionisatsioonienergia, mis on seotud nende raadiuse suurenemisega (st väliste elektronide suurema kaugusega). tuumast) ja tuuma positiivse laengu suureneva skriinimisega vaheelektrooniliste kihtide abil (vt § 31). Seetõttu on kaaliumiaatomitel suurem keemiline aktiivsus – neil on tugevamad redutseerivad omadused – kui naatriumiaatomitel ja naatriumiaatomitel on suurem aktiivsus kui liitiumiaatomitel.

Kui võrrelda metalle pingereas, siis võetakse keemilise aktiivsuse mõõduks töö, mis toimub tahkes olekus metalli muundamisel vesilahuses hüdraatunud ioonideks. Seda tööd võib esitada kolme termini summana: pihustusenergia – metallikristalli muundumine isoleeritud aatomiteks, vabade metalliaatomite ionisatsioonienergia ja tekkivate ioonide hüdratatsioonienergia. Pihustamise energia iseloomustab antud metalli kristallvõre tugevust. Aatomite ioniseerimise energia – valentselektronide eemaldamine neist – on otseselt määratud metalli asukohaga perioodilisustabelis. Hüdratatsiooni käigus vabanev energia sõltub iooni elektronstruktuurist, selle laengust ja raadiusest.

Liitiumi- ja kaaliumiioonid, millel on sama laeng, kuid erinevad raadiused, loovad enda ümber ebavõrdsed elektriväljad. Väikeste liitiumioonide lähedal tekkiv väli on tugevam kui väli suurte kaaliumiioonide läheduses. Sellest on selge, et liitiumioonid hüdreerivad, vabastades rohkem energiat kui kaaliumiioonid.

Seega kulutatakse vaadeldava transformatsiooni käigus energiat pihustamisele ja ionisatsioonile ning energia vabaneb hüdratatsiooni käigus. Mida väiksem on kogu energiakulu, seda lihtsam on kogu protsess ja seda lähemal pingerea algusele antud metall paikneb. Kuid üldise energiabilansi kolmest liikmest ainult üks - ionisatsioonienergia - on otseselt määratud metalli positsiooniga perioodilisuse tabelis. Järelikult ei ole põhjust eeldada, et teatud metallide suhteline positsioon pingereas vastab alati nende positsioonile perioodilisuse tabelis. Seega osutub liitiumi puhul energia kogukulu väiksemaks kui kaaliumi puhul, mille kohaselt on liitium pingereas kaaliumi ees.

Vase ja tsingi puhul on energiakulu vabade aatomite ioniseerimiseks ja energia juurdekasv ioonide hüdratatsioonil lähedased. Kuid metalliline vask moodustab tugevama kristallvõre kui tsink, nagu on näha nende metallide sulamistemperatuuride võrdlusest: tsink sulab temperatuuril ja vask ainult temperatuuril. Seetõttu on nende metallide pihustamisele kuluv energia oluliselt erinev, mistõttu on kogu protsessi energiakulu vase puhul palju suurem kui tsingi puhul, mis seletab nende suhtelist asendit. metallid pingereas.

Veest mittevesilahustitesse üleminekul võivad metallide suhtelised positsioonid pingereas muutuda. Põhjus on selles, et erinevate metalliioonide solvatatsioonienergia muutub ühest lahustist teise liikudes erinevalt.

Eelkõige lahustub vase ioon mõnes orgaanilises lahustis üsna jõuliselt; See toob kaasa asjaolu, et sellistes lahustites paikneb vask pingereas enne vesinikku ja tõrjub selle välja happelahustest.

Seega, erinevalt perioodilisest elementide süsteemist, ei ole metallide pingete jada mingi üldise mustri peegeldus, mille põhjal on võimalik anda metallide keemiliste omaduste põhjalik karakteristik. Pingete jada iseloomustab ainult elektrokeemilise süsteemi "metall-metalliioon" redoksvõimet rangelt määratletud tingimustes: selles toodud väärtused viitavad vesilahusele, temperatuurile ja metalliioonide kontsentratsioonile (aktiivsusele).

Millist teavet saab pingete jadatest?

Anorgaanilises keemias kasutatakse laialdaselt mitmesuguseid metallide pingeid. Eelkõige sõltuvad paljude reaktsioonide tulemused ja isegi nende teostamise võimalus teatud metalli positsioonist NER-is. Arutame seda küsimust üksikasjalikumalt.

Metallide koostoime hapetega

Metallid, mis asuvad pingereas vesinikust vasakul, reageerivad hapetega – mitteoksüdeerivate ainetega. NER-is H paremal asuvad metallid interakteeruvad ainult oksüdeerivate hapetega (eriti HNO 3 ja kontsentreeritud H 2 SO 4-ga).

Näide 1. Tsink asub NER-is vesinikust vasakul, seetõttu on see võimeline reageerima peaaegu kõigi hapetega:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

Näide 2. Vask asub ERN-is H paremal; see metall ei reageeri "tavaliste" hapetega (HCl, H 3 PO 4, HBr, orgaanilised happed), kuid see reageerib oksüdeerivate hapetega (lämmastik, kontsentreeritud väävel):

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

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

Tahaksin juhtida teie tähelepanu olulisele punktile: kui metallid interakteeruvad oksüdeerivate hapetega, ei eraldu mitte vesinik, vaid mõned muud ühendid. Selle kohta saate rohkem lugeda!

Metallide koostoime veega

Metallid, mis asuvad pingereas Mg-st vasakul, reageerivad kergesti veega juba toatemperatuuril, vabastades vesiniku ja moodustades leeliselahuse.

Näide 3. Naatrium, kaalium, kaltsium lahustuvad kergesti vees, moodustades leeliselahuse:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

2K + 2H2O = 2KOH + H2

Ca + 2H 2O = Ca(OH)2 + H2

Pingevahemikus vesinikust magneesiumini (kaasa arvatud) asuvad metallid interakteeruvad mõnel juhul veega, kuid reaktsioonid nõuavad spetsiifilisi tingimusi. Näiteks alumiinium ja magneesium hakkavad H 2 O-ga suhtlema alles pärast oksiidkile eemaldamist metalli pinnalt. Raud ei reageeri toatemperatuuril veega, küll aga reageerib veeauruga. Koobalt, nikkel, tina ja plii praktiliselt ei suhtle H 2 O-ga mitte ainult toatemperatuuril, vaid ka kuumutamisel.

ERN-i paremal küljel asuvad metallid (hõbe, kuld, plaatina) ei reageeri mingil juhul veega.

Metallide koostoime soolade vesilahustega

Räägime järgmist tüüpi reaktsioonidest:

metall (*) + metallisool (**) = metall (**) + metallisool (*)

Tahaksin rõhutada, et tärnid ei näita antud juhul metalli oksüdatsiooniastet ega valentsi, vaid võimaldavad lihtsalt eristada metalli nr 1 ja metalli nr 2.

Sellise reaktsiooni läbiviimiseks peab üheaegselt olema täidetud kolm tingimust:

protsessis osalevad soolad tuleb lahustada vees (seda saab kergesti kontrollida lahustuvuse tabeli abil);
metall (*) peab olema metallist (**) vasakul olevas pingereas;
metall (*) ei tohiks reageerida veega (mida on ka ESI lihtne kontrollida).

Näide 4. Vaatame mõningaid reaktsioone:

Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu

K + Ni(NO 3) 2 ≠

Esimene reaktsioon on kergesti teostatav, kõik ülaltoodud tingimused on täidetud: vasksulfaat lahustub vees, tsink on NER-is vasest vasakul, Zn ei reageeri veega.

Teine reaktsioon on võimatu, kuna esimene tingimus ei ole täidetud (vask(II)sulfiid on vees praktiliselt lahustumatu). Kolmas reaktsioon ei ole teostatav, kuna plii on vähem aktiivne metall kui raud (asub ESR-is paremal). Lõpuks, neljas protsess EI too kaasa nikli sadenemist, kuna kaalium reageerib veega; tekkiv kaaliumhüdroksiid võib reageerida soolalahusega, kuid see on täiesti erinev protsess.

Nitraatide termiline lagunemisprotsess

Lubage mul teile meelde tuletada, et nitraadid on lämmastikhappe soolad. Kõik nitraadid lagunevad kuumutamisel, kuid lagunemissaaduste koostis võib varieeruda. Koostise määrab metalli asukoht pingereas.

NER-is magneesiumist vasakul asuvate metallide nitraadid moodustavad kuumutamisel vastava nitriti ja hapniku:

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2

Pingevahemikus Mg kuni Cu (kaasa arvatud) asuvate metallinitraatide termilise lagunemise käigus moodustuvad metallioksiid, NO 2 ja hapnik:

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

Lõpuks moodustub kõige vähem aktiivsete metallide (mis asuvad ERN-is vasest paremal) nitraatide lagunemisel metall, lämmastikdioksiid ja hapnik.

metallid

Paljud keemilised reaktsioonid hõlmavad lihtsaid aineid, eriti metalle. Kuid erinevatel metallidel on keemilistes interaktsioonides erinev aktiivsus ja see määrab, kas reaktsioon toimub või mitte.

Mida suurem on metalli aktiivsus, seda jõulisemalt see reageerib teiste ainetega. Tegevuse järgi saab kõiki metalle järjestada jada, mida nimetatakse metallide aktiivsusreaks ehk metallide nihkereaks ehk metalli pingereaks, samuti metallide pingete elektrokeemilisteks jadateks. Seda seeriat uuris esmakordselt silmapaistev Ukraina teadlane M.M. Beketov, seetõttu nimetatakse seda sarja ka Beketovi sarjaks.

Beketovi metallide tegevusseerial on järgmine vorm (toodud on levinumad metallid):

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > > H 2 > Cu > Hg > Ag > Au.

Selles seerias on metallid paigutatud nende aktiivsuse vähenemisega. Antud metallidest on kõige aktiivsem kaalium ja kõige vähem aktiivne kuld. Selle seeria abil saate määrata, milline metall on teisest aktiivsem. Selles seerias on ka vesinik. Loomulikult ei ole vesinik metall, kuid selles seerias võetakse lähtepunktiks selle aktiivsus (mingi null).

Metallide koostoime veega

Metallid on võimelised vesinikku välja tõrjuma mitte ainult happelahustest, vaid ka veest. Nii nagu hapete puhul, suureneb metallide ja veega interaktsiooni aktiivsus vasakult paremale.

Metallid aktiivsussarjast kuni magneesiumini on normaalsetes tingimustes võimelised reageerima veega. Nende metallide koosmõjul tekivad leelised ja vesinik, näiteks:

Teised metallid, mis on aktiivsussarjas enne vesinikku, võivad samuti suhelda veega, kuid see juhtub raskemates tingimustes. Koostoimeks juhitakse ülekuumenenud veeaur läbi kuumade metallviilide. Sellistes tingimustes ei saa hüdroksiidid enam eksisteerida, seega on reaktsioonisaadused vastava metallielemendi oksiid ja vesinik:

Metallide keemiliste omaduste sõltuvus nende kohast tegevusreas

← metallide aktiivsus suureneb

Tõrjub vesiniku hapetest välja

Ei tõrju vesinikku hapetest välja

Tõrjub veest välja vesiniku, moodustades leelised

Tõrjub kõrgel temperatuuril veest välja vesiniku, moodustades oksiide

3 ei suhtle veega

Soola on vesilahusest võimatu välja tõrjuda

Võib saada aktiivsema metalli väljatõrjumisel soolalahusest või oksiidisulamist

Metallide koostoime sooladega

Kui sool on vees lahustuv, saab selles sisalduva metallielemendi aatomi asendada aktiivsema elemendi aatomiga. Kui kastate raudplaadi vask(II)sulfaadi lahusesse, vabaneb sellele mõne aja pärast punase katte kujul vask:

Kui aga hõbeplaat kastetakse vask(II)sulfaadi lahusesse, siis reaktsiooni ei toimu:

Cuprumi saab asendada mis tahes metalliga, mis on metallitegevuse reas vasakul. Kuid metallid, mis on seeria alguses, on naatrium, kaalium jne. - ei sobi selleks, kuna need on nii aktiivsed, et ei suhtle mitte soolaga, vaid veega, milles see sool on lahustunud.

Metallide väljatõrjumist sooladest aktiivsemate metallidega kasutatakse väga laialdaselt metallide ekstraheerimiseks.

Metallide koostoime oksiididega

Metallelementide oksiidid on võimelised metallidega interakteeruma. Aktiivsemad metallid tõrjuvad oksiididest välja vähemaktiivsed:

Kuid erinevalt metallide reaktsioonist sooladega peavad oksiidid sellisel juhul reaktsiooni toimumiseks sulama. Metalli oksiidist eraldamiseks võite kasutada mis tahes metalli, mis asub vasakpoolses aktiivsusreas, isegi kõige aktiivsemat naatriumi ja kaaliumi, sest sula oksiid ei sisalda vett.

Metallide koostoimet oksiididega kasutatakse tööstuses teiste metallide ekstraheerimiseks. Selle meetodi kõige praktilisem metall on alumiinium. Looduses on see üsna laialt levinud ja odav toota. Võib kasutada ka aktiivsemaid metalle (kaltsium, naatrium, kaalium), kuid esiteks on need alumiiniumist kallimad ja teiseks on neid ülikõrge keemilise aktiivsuse tõttu tehastes väga raske säilitada. Seda metallide ekstraheerimise meetodit alumiiniumi abil nimetatakse aluminotermiaks.

Kergesti reageerivaid metalle nimetatakse aktiivseteks metallideks. Nende hulka kuuluvad leelis-, leelismuldmetallid ja alumiinium.

Asukoht perioodilisuse tabelis

Elementide metallilised omadused vähenevad perioodilisustabelis vasakult paremale. Seetõttu peetakse I ja II rühma elemente kõige aktiivsemaks.

Riis. 1. Aktiivsed metallid perioodilisustabelis.

Kõik metallid on redutseerivad ained ja eralduvad välisel energiatasemel kergesti elektronidega. Aktiivsetel metallidel on ainult üks või kaks valentselektroni. Sel juhul suurenevad metalliomadused energiatasemete suurenemisega ülalt alla, kuna Mida kaugemal on elektron aatomi tuumast, seda lihtsam on tal eralduda.

Leelismetalle peetakse kõige aktiivsemaks:

liitium;
naatrium;
kaalium;
rubiidium;
tseesium;
prantsuse keel

Leelismuldmetallide hulka kuuluvad:

berüllium;
magneesium;
kaltsium;
strontsium;
baarium;
raadium.

Metalli aktiivsuse määra saab määrata metalli pingete elektrokeemilise jada abil. Mida kaugemal vesinikust vasakul asub element, seda aktiivsem see on. Vesinikust paremal asuvad metallid on passiivsed ja saavad reageerida ainult kontsentreeritud hapetega.

Riis. 2. Metallide pingete elektrokeemiline jada.

Keemias kasutatavate aktiivsete metallide loetelus on ka alumiinium, mis asub III rühmas ja vesinikust vasakul. Alumiinium asub aga aktiivsete ja keskmise aktiivsusega metallide piirimail ega reageeri tavatingimustes mõne ainega.

Omadused

Aktiivsed metallid on pehmed (noaga lõigatavad), kerged ja madala sulamistemperatuuriga.

Metallide peamised keemilised omadused on toodud tabelis.

Reaktsioon	Võrrand	Erand
Leelismetallid süttivad hapnikuga suhtlemisel õhus spontaanselt	K + O 2 → KO 2	Liitium reageerib hapnikuga ainult kõrgel temperatuuril
Leelismuldmetallid ja alumiinium moodustavad õhus oksiidkile ja süttivad kuumutamisel spontaanselt	2Ca + O 2 → 2CaO
Reageerige lihtsate ainetega soolade moodustamiseks	Ca + Br2 → CaBr2; - 2Al + 3S → Al 2S 3	Alumiinium ei reageeri vesinikuga
Reageerib ägedalt veega, moodustades leelised ja vesinik	- Ca + 2H 2O → Ca(OH)2 + H2	Reaktsioon liitiumiga on aeglane. Alumiinium reageerib veega alles pärast oksiidkile eemaldamist
Reageerige hapetega, moodustades soolasid	Ca + 2HCl → CaCl2 + H2; 2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2
Suhelge soolalahustega, reageerides esmalt veega ja seejärel soolaga	2Na + CuCl2 + 2H2O: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; - 2NaOH + CuCl 2 → Cu(OH) 2 ↓ + 2NaCl

Aktiivsed metallid reageerivad kergesti, nii et looduses leidub neid ainult segudes - mineraalides, kivimites.

Riis. 3. Mineraalid ja puhtad metallid.

Mida me õppisime?

Aktiivsete metallide hulka kuuluvad I ja II rühma elemendid - leelis- ja leelismuldmetallid, samuti alumiinium. Nende aktiivsuse määrab aatomi struktuur – üksikud elektronid on välisest energiatasemest kergesti eraldatavad. Need on pehmed kergmetallid, mis reageerivad kiiresti lihtsate ja keeruliste ainetega, moodustades oksiide, hüdroksiide ja sooli. Alumiinium on vesinikule lähemal ja selle reaktsioon ainetega nõuab lisatingimusi - kõrgeid temperatuure, oksiidkile hävimist.

Test teemal

Aruande hindamine

Keskmine hinne: 4.4. Kokku saadud hinnanguid: 339.