โต๊ะอิเล็กโทรไลต์ ช่วงของศักย์ไฟฟ้าอิเล็กโทรดมาตรฐาน (แรงดันไฟฟ้า)

วัตถุประสงค์ของงาน:ทำความคุ้นเคยกับการพึ่งพาคุณสมบัติรีดอกซ์ของโลหะกับตำแหน่งในชุดแรงดันไฟฟ้าเคมีไฟฟ้า

อุปกรณ์และรีเอเจนต์:หลอดทดลอง, ที่วางหลอดทดลอง, ตะเกียงแอลกอฮอล์, กระดาษกรอง, ปิเปต, 2น.โซลูชั่น เอชซีแอลและ H2SO4,เข้มข้น H2SO4เจือจางและเข้มข้น HNO3, 0.5Mโซลูชั่น CuSO 4 , Pb(NO 3) 2หรือ Pb(CH3COO)2- ชิ้นโลหะ อลูมิเนียม สังกะสี เหล็ก ทองแดง ดีบุก คลิปหนีบกระดาษเหล็ก น้ำกลั่น

คำอธิบายทางทฤษฎี

ลักษณะทางเคมีของโลหะจะขึ้นอยู่กับความง่ายในการออกซิไดซ์ของโลหะ เช่น อะตอมของมันสามารถเปลี่ยนสถานะเป็นไอออนบวกได้ง่ายเพียงใด

โลหะที่มีความสามารถในการออกซิไดซ์ได้ง่ายเรียกว่าโลหะฐาน โลหะที่ออกซิไดซ์ด้วยความยากลำบากมากเรียกว่ามีตระกูล

โลหะแต่ละชนิดมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าที่แน่นอนของศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน เพื่อศักยภาพมาตรฐาน เจ 0ของอิเล็กโทรดโลหะที่กำหนด แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์กัลวานิกที่ประกอบด้วยอิเล็กโทรดไฮโดรเจนมาตรฐานที่อยู่ด้านซ้ายและแผ่นโลหะที่วางอยู่ในสารละลายเกลือของโลหะนี้จะถูกนำไปใช้ และกิจกรรม (ในสารละลายเจือจางความเข้มข้นสามารถเป็นได้ ใช้แล้ว) ของไอออนบวกของโลหะในสารละลายควรเท่ากับ 1 นางสาว; ต=298K; พี=1 เอทีเอ็ม(เงื่อนไขมาตรฐาน) หากเงื่อนไขของปฏิกิริยาแตกต่างจากเงื่อนไขมาตรฐาน จำเป็นต้องคำนึงถึงการพึ่งพาศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดกับความเข้มข้น (กิจกรรมที่แม่นยำยิ่งขึ้น) ของไอออนของโลหะในสารละลายและอุณหภูมิ

การพึ่งพาศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดต่อความเข้มข้นแสดงโดยสมการ Nernst ซึ่งเมื่อนำไปใช้กับระบบ:

ฉัน n + + n e -→ฉัน

ใน;

ร– ค่าคงที่ของแก๊ส ;

เอฟ –ค่าคงที่ของฟาราเดย์ ("96500 C/โมล);

ไม่มี –

ฉัน + - นางสาว.

การเอาความหมาย ต=298ถึง,เราได้รับ

นางสาว.

เจ 0 ,สอดคล้องกับการลดปฏิกิริยาครึ่งหนึ่ง จะได้แรงดันไฟฟ้าของโลหะจำนวนหนึ่ง (ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานจำนวนหนึ่ง) ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของไฮโดรเจนซึ่งถือเป็นศูนย์ สำหรับระบบที่เกิดกระบวนการนั้นอยู่ในแถวเดียวกัน:

2Н + +2е - = Н 2

ในเวลาเดียวกัน ค่าศักย์ไฟฟ้าอิเล็กโทรดมาตรฐานของโลหะฐานมีค่าเป็นลบ และค่าศักย์ไฟฟ้าของโลหะมีตระกูลมีค่าเป็นบวก

อนุกรมแรงดันไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าของโลหะ

หลี่; เค; บา; ซีเนียร์; แคลิฟอร์เนีย; นา; มก.; อัล; มิน; สังกะสี; Cr; เฟ; ซีดี; บริษัท; พรรณี; สน; พีบี; ( ชม) - เอสบี; ไบ; ลูกบาศ์ก; ปรอท; เอจี; พีดี; พอยต์; ออสเตรเลีย

ซีรีส์นี้แสดงคุณลักษณะของความสามารถในการรีดอกซ์ของระบบ "โลหะ – ไอออนของโลหะ" ในสารละลายที่เป็นน้ำภายใต้สภาวะมาตรฐาน โลหะยิ่งอยู่ทางซ้ายสุดในชุดของแรงดันไฟฟ้า (ยิ่งน้อยกว่า เจ 0) ยิ่งมีฤทธิ์รีดิวซ์มากเท่าใด และอะตอมของโลหะก็จะปล่อยอิเล็กตรอนและกลายเป็นแคตไอออนได้ง่ายขึ้น แต่แคตไอออนของโลหะนี้จะเกาะติดอิเล็กตรอนได้ยากกว่า และกลายเป็นอะตอมที่เป็นกลาง

ปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกี่ยวข้องกับโลหะและแคตไอออนของพวกมันดำเนินไปในทิศทางที่โลหะที่มีศักยภาพของอิเล็กโทรดต่ำกว่าเป็นตัวรีดิวซ์ (เช่น ออกซิไดซ์) และแคตไอออนของโลหะที่มีศักยภาพของอิเล็กโทรดสูงกว่าจะเป็นตัวออกซิไดซ์ (เช่น รีดิวซ์) ในเรื่องนี้รูปแบบต่อไปนี้เป็นลักษณะของชุดแรงดันไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าของโลหะ:

1. โลหะแต่ละชนิดจะแทนที่โลหะอื่น ๆ ทั้งหมดที่อยู่ทางด้านขวาของสารละลายเกลือในชุดเคมีไฟฟ้าของแรงดันไฟฟ้าของโลหะ

2. โลหะทั้งหมดที่อยู่ด้านซ้ายของไฮโดรเจนในชุดแรงดันไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าจะแทนที่ไฮโดรเจนจากกรดเจือจาง

วิธีการทดลอง

การทดลองที่ 1: ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับกรดไฮโดรคลอริก

เท 2 - 3 ลงในหลอดทดลองสี่หลอด มลกรดไฮโดรคลอริกและวางชิ้นส่วนอลูมิเนียมสังกะสีเหล็กและทองแดงไว้ในนั้นแยกกัน โลหะชนิดใดที่แทนที่ไฮโดรเจนจากกรด เขียนสมการปฏิกิริยา

การทดลองที่ 2: ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับกรดซัลฟิวริก

วางชิ้นเหล็กลงในหลอดทดลองแล้วบวก 1 มล 2n.กรดซัลฟิวริก สังเกตอะไร? ทำซ้ำการทดลองด้วยทองแดงชิ้นหนึ่ง ปฏิกิริยาเกิดขึ้นหรือไม่?

ตรวจสอบผลกระทบของกรดซัลฟิวริกเข้มข้นต่อเหล็กและทองแดง อธิบายข้อสังเกต. เขียนสมการปฏิกิริยาทั้งหมด

การทดลองที่ 3: ปฏิกิริยาระหว่างทองแดงกับกรดไนตริก

วางทองแดงหนึ่งชิ้นลงในหลอดทดลองสองหลอด เท 2 ลงในหนึ่งในนั้น มลเจือจางกรดไนตริกที่สอง - เข้มข้น หากจำเป็น ให้อุ่นสิ่งที่อยู่ในหลอดทดลองในตะเกียงแอลกอฮอล์ หลอดทดลองอันแรกเกิดแก๊สใด และก๊าซใดก่อตัวในหลอดที่สอง เขียนสมการปฏิกิริยา

การทดลองที่ 4: ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับเกลือ

เท 2 – 3 ลงในหลอดทดลอง มลสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต (II) และลดลวดเหล็กลง เกิดอะไรขึ้น? ทำการทดลองซ้ำโดยเปลี่ยนลวดเหล็กเป็นแผ่นสังกะสี เขียนสมการปฏิกิริยา เทลงในหลอดทดลอง 2 มลสารละลายตะกั่ว (II) อะซิเตตหรือไนเตรตแล้วหยดสังกะสีหนึ่งชิ้น เกิดอะไรขึ้น? เขียนสมการปฏิกิริยา ระบุตัวออกซิไดซ์และตัวรีดิวซ์ ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นหรือไม่หากแทนที่สังกะสีด้วยทองแดง? ให้คำอธิบาย.

11.3 ระดับการเตรียมความพร้อมของนักศึกษาที่ต้องการ

1. รู้แนวคิดเกี่ยวกับศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานและมีแนวคิดในการวัดค่า

2. สามารถใช้สมการ Nernst เพื่อกำหนดศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดภายใต้เงื่อนไขอื่นนอกเหนือจากเงื่อนไขมาตรฐาน

3. รู้ว่าชุดความเค้นของโลหะคืออะไร และมีลักษณะเฉพาะอย่างไร

4. สามารถใช้ความเค้นของโลหะได้หลากหลายเพื่อกำหนดทิศทางของปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกี่ยวข้องกับโลหะและแคตไอออนของโลหะ รวมถึงโลหะและกรด

งานการควบคุมตนเอง

1. มวลของเหล็กทางเทคนิคที่บรรจุอยู่คือเท่าใด 18% สิ่งเจือปนที่จำเป็นในการแทนที่นิกเกิลซัลเฟตจากสารละลาย (II) 7.42 กนิกเกิล?

2. แผ่นทองแดงชั่งน้ำหนัก 28 ก- เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา จานจะถูกถอดออก ล้าง ทำให้แห้ง และชั่งน้ำหนัก มวลของมันกลายเป็น 32.52 ก- สารละลายมีซิลเวอร์ไนเตรตเป็นจำนวนเท่าใด

3. กำหนดค่าศักย์ไฟฟ้าของทองแดงที่แช่อยู่ 0.0005 มสารละลายคอปเปอร์ไนเตรต (ครั้งที่สอง).

4. ศักย์ไฟฟ้าของสังกะสีที่แช่อยู่ 0.2 มสารละลาย สังกะสีSO4มีค่าเท่ากัน 0.8 โวลต์- กำหนดระดับความแตกแยกที่ชัดเจน สังกะสีSO4ในสารละลายที่มีความเข้มข้นที่กำหนด

5. คำนวณศักยภาพของอิเล็กโทรดไฮโดรเจนหากความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนในสารละลาย (เอช+)จำนวน 3.8 10 -3 โมล/ลิตร

6. คำนวณศักยภาพของอิเล็กโทรดเหล็กที่แช่อยู่ในสารละลายที่มี 0.0699 กรัม FeCI 2 ใน 0.5 ลิตร

7. ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของโลหะเรียกว่าอะไร? สมการข้อใดแสดงการพึ่งพาศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดกับความเข้มข้น

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 12

หัวข้อ:เซลล์กัลวานิก

วัตถุประสงค์ของงาน:ทำความคุ้นเคยกับหลักการทำงานของเซลล์กัลวานิกความเชี่ยวชาญในวิธีการคำนวณ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเซลล์กัลวานิก

อุปกรณ์และรีเอเจนต์:แผ่นทองแดงและสังกะสีที่ต่อกับตัวนำ แผ่นทองแดงและสังกะสีที่ต่อด้วยตัวนำกับแผ่นทองแดง กระดาษทราย โวลต์มิเตอร์ 3 บีกเกอร์เคมีเปิดอยู่ 200-250 มล, กระบอกตวง, ขาตั้งมีท่อรูปตัว U ยึดอยู่ในนั้น, สะพานเกลือ, 0.1 มสารละลายของคอปเปอร์ซัลเฟต, ซิงค์ซัลเฟต, โซเดียมซัลเฟต, 0,1 % สารละลายฟีนอล์ฟทาลีนใน 50% เอทิลแอลกอฮอล์

คำอธิบายทางทฤษฎี

เซลล์กัลวานิกเป็นแหล่งกระแสไฟฟ้าทางเคมี กล่าวคืออุปกรณ์ที่ผลิตพลังงานไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากการแปลงพลังงานเคมีโดยตรงจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดิวซ์

กระแสไฟฟ้า (การเคลื่อนที่ตามทิศทางของอนุภาคที่มีประจุ) จะถูกส่งผ่านตัวนำกระแสไฟฟ้า ซึ่งแบ่งออกเป็นตัวนำประเภทที่หนึ่งและที่สอง

ตัวนำชนิดที่ 1 นำกระแสไฟฟ้าด้วยอิเล็กตรอน (ตัวนำไฟฟ้า) ซึ่งรวมถึงโลหะและโลหะผสมทั้งหมด กราไฟท์ ถ่านหิน และออกไซด์ของแข็งบางชนิด ค่าการนำไฟฟ้าของตัวนำเหล่านี้มีตั้งแต่ 10 2 ถึง 10 6 โอห์ม -1 ซม. -1 (ตัวอย่างเช่นถ่านหิน - 200 โอห์ม -1 ซม. -1 เงิน 6 10 5 โอห์ม -1 ซม. -1).

ตัวนำประเภทที่สองนำกระแสไฟฟ้าด้วยไอออน (ตัวนำไอออนิก) มีลักษณะเป็นการนำไฟฟ้าต่ำ (เช่น H 2 O – 4 10 -8 โอห์ม -1 ซม. -1).

เมื่อนำตัวนำชนิดที่หนึ่งและที่สองมารวมกันจะเกิดอิเล็กโทรดขึ้น ส่วนใหญ่มักเป็นโลหะที่จุ่มลงในสารละลายเกลือของมันเอง

เมื่อแผ่นโลหะจุ่มลงในน้ำ อะตอมของโลหะที่อยู่ในชั้นผิวจะถูกทำให้ชุ่มชื้นภายใต้อิทธิพลของโมเลกุลของน้ำขั้วโลก อันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของความชื้นและความร้อนการเชื่อมต่อกับโครงตาข่ายคริสตัลจะลดลงและอะตอมจำนวนหนึ่งผ่านในรูปของไอออนไฮเดรตเข้าไปในชั้นของของเหลวที่อยู่ติดกับพื้นผิวของโลหะ แผ่นโลหะมีประจุลบ:

ฉัน + ม. H 2 O = ฉัน n + n H 2 O + ne -

ที่ไหน เอิ่ม.– อะตอมของโลหะ ฉัน n + n H 2 O– ไอออนของโลหะไฮเดรต อี-– อิเล็กตรอน n– ประจุของไอออนโลหะ

สภาวะสมดุลขึ้นอยู่กับกิจกรรมของโลหะและความเข้มข้นของไอออนในสารละลาย ในกรณีของโลหะที่ใช้งานอยู่ ( สังกะสี เฟ ซีดี นิ) ปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำขั้วโลกจบลงด้วยการแยกไอออนโลหะบวกออกจากพื้นผิวและการเปลี่ยนไอออนไฮเดรตเป็นสารละลาย (รูปที่ 1 ก- กระบวนการนี้เป็นออกซิเดชั่น เมื่อความเข้มข้นของแคตไอออนใกล้พื้นผิวเพิ่มขึ้น อัตราของกระบวนการย้อนกลับ—การลดลงของไอออนของโลหะ—จะเพิ่มขึ้น ท้ายที่สุดแล้ว อัตราของทั้งสองกระบวนการจะเท่ากัน ทำให้เกิดความสมดุลขึ้น โดยชั้นไฟฟ้าสองชั้นที่มีค่าศักย์โลหะที่แน่นอนจะปรากฏที่ส่วนต่อประสานระหว่างสารละลายกับโลหะ

+ + + +

– – – –

‌

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

+ + + – – –

ข้าว. 1. โครงการการเกิดศักย์ไฟฟ้า

เมื่อโลหะไม่ได้จุ่มอยู่ในน้ำ แต่อยู่ในสารละลายเกลือของโลหะนี้ สมดุลจะเลื่อนไปทางซ้าย นั่นคือไปสู่การเปลี่ยนผ่านของไอออนจากสารละลายไปยังพื้นผิวของโลหะ ในกรณีนี้ สมดุลใหม่จะถูกสร้างขึ้นที่ค่าศักย์ของโลหะที่แตกต่างกัน

สำหรับโลหะที่ไม่ใช้งาน ความเข้มข้นของไอออนโลหะในน้ำบริสุทธิ์จะน้อยมาก หากโลหะดังกล่าวถูกจุ่มลงในสารละลายเกลือของมัน แคตไอออนของโลหะจะถูกปล่อยออกมาจากสารละลายในอัตราที่เร็วกว่าอัตราการเปลี่ยนผ่านของไอออนจากโลหะไปสู่สารละลาย ในกรณีนี้ พื้นผิวโลหะจะได้รับประจุบวก และสารละลายจะได้รับประจุลบเนื่องจากมีไอออนเกลือมากเกินไป (รูปที่ 1) ข).

ดังนั้น เมื่อโลหะถูกจุ่มลงในน้ำหรือในสารละลายที่มีไอออนของโลหะที่กำหนด จะเกิดชั้นไฟฟ้าสองชั้นขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างสารละลายโลหะ ซึ่งมีความต่างศักย์ที่แน่นอน ศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดขึ้นอยู่กับลักษณะของโลหะ ความเข้มข้นของไอออนในสารละลายและอุณหภูมิ

ค่าสัมบูรณ์ของศักย์ไฟฟ้า เจไม่สามารถกำหนดอิเล็กโทรดเดี่ยวในการทดลองได้ อย่างไรก็ตาม สามารถวัดความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดสองขั้วที่ต่างกันทางเคมีได้

เราตกลงที่จะใช้ศักยภาพของอิเล็กโทรดไฮโดรเจนมาตรฐานเท่ากับศูนย์ อิเล็กโทรดไฮโดรเจนมาตรฐานคือแผ่นแพลตตินัมที่เคลือบด้วยฟองน้ำแพลตตินัม แช่อยู่ในสารละลายกรดซึ่งมีฤทธิ์ของไฮโดรเจนไอออนเท่ากับ 1 นางสาว.อิเล็กโทรดจะถูกล้างด้วยก๊าซไฮโดรเจนที่ความดัน 1 ATM.และอุณหภูมิ 298 ก.สิ่งนี้สร้างความสมดุล:

2 ยังไม่มีข้อความ + + 2 อี = ยังไม่มีข้อความ 2

เพื่อศักยภาพมาตรฐาน เจ 0ของอิเล็กโทรดโลหะนี้ถูกนำไป แรงเคลื่อนไฟฟ้าเซลล์กัลวานิกที่ประกอบด้วยอิเล็กโทรดไฮโดรเจนมาตรฐานและแผ่นโลหะที่วางอยู่ในสารละลายเกลือของโลหะนี้ และกิจกรรม (ในสารละลายเจือจางสามารถใช้ความเข้มข้นได้) ของไอออนบวกของโลหะในสารละลายควรเท่ากับ 1 นางสาว; ต=298K; พี=1 เอทีเอ็ม(เงื่อนไขมาตรฐาน) ค่าของศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของอิเล็กโทรดจะเรียกว่าครึ่งปฏิกิริยารีดักชันเสมอ:

ฉัน n + +n e - → ฉัน

การจัดเรียงโลหะตามลำดับขนาดของศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของโลหะที่เพิ่มขึ้น เจ 0 ,สอดคล้องกับการลดปฏิกิริยาครึ่งหนึ่ง จะได้แรงดันไฟฟ้าของโลหะจำนวนหนึ่ง (ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานจำนวนหนึ่ง) ศักย์ไฟฟ้าอิเล็กโทรดมาตรฐานของระบบซึ่งถือเป็นศูนย์จะอยู่ในแถวเดียวกัน:

Н + +2е - → Н 2

การพึ่งพาศักย์ไฟฟ้าของโลหะ เจอุณหภูมิและความเข้มข้น (กิจกรรม) ถูกกำหนดโดยสมการ Nernst ซึ่งเมื่อนำไปใช้กับระบบ:

ฉัน n + + n e -→ฉัน

สามารถเขียนได้ในรูปแบบดังนี้

ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานอยู่ที่ไหน ใน;

ร– ค่าคงที่ของแก๊ส ;

เอฟ –ค่าคงที่ของฟาราเดย์ ("96500 C/โมล);

ไม่มี –จำนวนอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้

ฉัน + -กิจกรรมของไอออนของโลหะในสารละลาย นางสาว.

การเอาความหมาย ต=298ถึง,เราได้รับ

ยิ่งไปกว่านั้น กิจกรรมในสารละลายเจือจางสามารถแทนที่ได้ด้วยความเข้มข้นของไอออนที่แสดงออกมา นางสาว.

แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์กัลวานิกใดๆ สามารถกำหนดเป็นความแตกต่างระหว่างศักย์ไฟฟ้าของแคโทดและแอโนด:

EMF = j แคโทด -j ขั้วบวก

ขั้วลบขององค์ประกอบเรียกว่าขั้วบวกและเกิดกระบวนการออกซิเดชัน:

ฉัน - เน่ - → ฉัน n +

ขั้วบวกเรียกว่าแคโทด และกระบวนการลดเกิดขึ้น:

ฉัน n + + ne - → ฉัน

เซลล์กัลวานิกสามารถเขียนเป็นแผนผังได้ โดยมีการปฏิบัติตามกฎบางประการ:

1. อิเล็กโทรดทางด้านซ้ายจะต้องเขียนตามลำดับโลหะ - ไอออน อิเล็กโทรดทางด้านขวาเขียนตามลำดับไอออน - โลหะ (-) สังกะสี/สังกะสี 2+ //Cu 2+ /Cu (+)

2. ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่อิเล็กโทรดด้านซ้ายจะถูกบันทึกเป็นออกซิเดชัน และปฏิกิริยาที่อิเล็กโทรดด้านขวาจะถูกบันทึกเป็นการรีดิวซ์

3. ถ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าองค์ประกอบ > 0 ดังนั้นการทำงานของเซลล์กัลวานิกจะเกิดขึ้นเอง ถ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้า< 0, то самопроизвольно будет работать обратный гальванический элемент.

ระเบียบวิธีในการทำการทดลอง

ประสบการณ์ 1: องค์ประกอบของเซลล์กัลวานิกทองแดง-สังกะสี

รับอุปกรณ์และรีเอเจนต์ที่จำเป็นจากผู้ช่วยห้องปฏิบัติการ ในบีกเกอร์ที่มีปริมาตร 200 มลเท 100 มล. 0.1 มสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต (ครั้งที่สอง)และลดแผ่นทองแดงที่เชื่อมต่อกับตัวนำลงไป เทปริมาตรเดียวกันลงในแก้วที่สอง 0.1 มสารละลายซิงค์ซัลเฟตและลดแผ่นสังกะสีที่เชื่อมต่อกับตัวนำลงไป ต้องทำความสะอาดแผ่นด้วยกระดาษทรายก่อน รับสะพานเกลือจากผู้ช่วยห้องปฏิบัติการและเชื่อมต่ออิเล็กโทรไลต์ทั้งสองเข้าด้วยกัน สะพานเกลือเป็นหลอดแก้วที่เต็มไปด้วยเจล (วุ้น-วุ้น) ซึ่งปลายทั้งสองข้างปิดด้วยสำลี สะพานถูกเก็บไว้ในสารละลายโซเดียมซัลเฟตในน้ำอิ่มตัว ซึ่งเป็นผลมาจากการที่เจลขยายตัวและแสดงสภาพการนำไฟฟ้าแบบไอออนิก

ด้วยความช่วยเหลือของครูให้ติดโวลต์มิเตอร์เข้ากับขั้วของเซลล์กัลวานิกที่เกิดขึ้นแล้ววัดแรงดันไฟฟ้า (หากทำการวัดด้วยโวลต์มิเตอร์ที่มีความต้านทานเล็กน้อยจากนั้นความแตกต่างระหว่างค่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าต่ำ) ใช้สมการของ Nernst คำนวณค่าทางทฤษฎี แรงเคลื่อนไฟฟ้าเซลล์กัลวานิก แรงดันไฟฟ้าก็น้อยลง แรงเคลื่อนไฟฟ้าเซลล์กัลวานิกเนื่องจากโพลาไรเซชันของอิเล็กโทรดและการสูญเสียโอห์มมิก

ประสบการณ์ 2: อิเล็กโทรไลซิสของสารละลายโซเดียมซัลเฟต

ในการทดลอง เสนอให้ดำเนินการอิเล็กโทรไลซิสของโซเดียมซัลเฟตโดยใช้พลังงานไฟฟ้าที่สร้างโดยเซลล์กัลวานิก เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้เทสารละลายโซเดียมซัลเฟตลงในท่อรูปตัว U แล้ววางแผ่นทองแดงไว้ที่ข้อศอกทั้งสองข้าง ขัดด้วยกระดาษทรายและเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดทองแดงและสังกะสีของเซลล์กัลวานิก ดังแสดงในรูปที่ 1 2. เติมฟีนอล์ฟทาลีน 2-3 หยดที่ข้อศอกแต่ละข้างของท่อรูปตัวยู หลังจากนั้นครู่หนึ่ง สารละลายจะเปลี่ยนเป็นสีชมพูในพื้นที่แคโทดของอิเล็กโตรไลเซอร์ เนื่องจากการก่อตัวของอัลคาไลระหว่างการลดแคโทดของน้ำ สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเซลล์กัลวานิกทำงานเป็นแหล่งกระแส

เขียนสมการสำหรับกระบวนการที่เกิดขึ้นที่แคโทดและแอโนดระหว่างอิเล็กโทรลิซิสของสารละลายโซเดียมซัลเฟตที่เป็นน้ำ

(–) แคโทดแอโนด (+)

สะพานเกลือ

→ สังกะสี 2+ Cu 2+→

สังกะสี SO 4 Cu SO 4

ขั้วบวก (-) แคโทด (+)

สังกะสี – 2e - → สังกะสี 2+ Сu 2+ + 2e - →ลูกบาศก์

การลดการเกิดออกซิเดชัน

12.3 ระดับการเตรียมความพร้อมของนักศึกษาที่ต้องการ

1. รู้แนวคิด: ตัวนำประเภทที่หนึ่งและสอง ไดอิเล็กทริก อิเล็กโทรด เซลล์กัลวานิก แอโนดและแคโทดของเซลล์กัลวานิก ศักย์ไฟฟ้า อิเล็กโทรด ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน แรงเคลื่อนไฟฟ้าเซลล์กัลวานิก

2. มีแนวคิดเกี่ยวกับสาเหตุของการเกิดศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดและวิธีการวัด

3. มีแนวคิดหลักการทำงานของเซลล์กัลวานิก

4. สามารถใช้สมการ Nernst ในการคำนวณศักย์ไฟฟ้าได้

5. สามารถเขียนไดอะแกรมของเซลล์กัลวานิก, สามารถคำนวณได้ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเซลล์กัลวานิก

งานการควบคุมตนเอง

1. อธิบายตัวนำและไดอิเล็กทริก

2. เหตุใดแอโนดในเซลล์กัลวานิกจึงมีประจุลบ แต่ในอิเล็กโตรไลเซอร์มีประจุบวก

3. อะไรคือความแตกต่างและความคล้ายคลึงระหว่างแคโทดในอิเล็กโทรไลเซอร์และเซลล์กัลวานิก?

4. จุ่มแผ่นแมกนีเซียมลงในสารละลายเกลือ ในกรณีนี้ศักย์ไฟฟ้าของแมกนีเซียมจะเท่ากับ -2.41 วี- คำนวณความเข้มข้นของแมกนีเซียมไอออนใน นางสาว. (4.17x10 -2)

5. ความเข้มข้นของไอออนเท่าใด สังกะสี 2+ (โมล/ลิตร)ศักยภาพของอิเล็กโทรดสังกะสีจะกลายเป็น 0.015 โวลต์น้อยกว่าอิเล็กโทรดมาตรฐานหรือไม่? (0.3 โมล/ลิตร)

6. อิเล็กโทรดนิกเกิลและโคบอลต์จะถูกลดระดับลงในสารละลายตามลำดับ พรรณี(NO3)2และ โค(NO3)2- ความเข้มข้นของไอออนของโลหะเหล่านี้ควรอยู่ในอัตราส่วนเท่าใดเพื่อให้ศักยภาพของอิเล็กโทรดทั้งสองเท่ากัน (ซี ไน 2+ :ซี โค 2+ = 1:0.117)

7. ความเข้มข้นของไอออนเท่าไร คิว 2+วี นางสาวศักยภาพของอิเล็กโทรดทองแดงจะเท่ากับศักย์มาตรฐานของอิเล็กโทรดไฮโดรเจนหรือไม่? (1.89x 10 -6 โมล/ลิตร)

8. สร้างแผนภาพ เขียนสมการทางอิเล็กทรอนิกส์ของกระบวนการอิเล็กโทรด และคำนวณ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเซลล์กัลวานิกประกอบด้วยแผ่นแคดเมียมและแมกนีเซียมที่แช่อยู่ในสารละลายเกลือที่มีความเข้มข้น = = 1.0 โมล/ลิตรมูลค่าจะเปลี่ยนไปไหม. แรงเคลื่อนไฟฟ้าถ้าความเข้มข้นของไอออนแต่ละตัวลดลงเหลือ 0.01 โมล/ลิตร? (2.244 โวลต์).

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 13

หากจากทั้งชุดของศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน เราเลือกเฉพาะกระบวนการอิเล็กโทรดที่สอดคล้องกับสมการทั่วไป

จากนั้นเราจะได้ความเค้นโลหะชุดหนึ่ง นอกจากโลหะแล้ว ซีรี่ส์นี้ยังรวมไฮโดรเจนไว้ด้วยเสมอ ซึ่งช่วยให้คุณเห็นว่าโลหะชนิดใดที่สามารถแทนที่ไฮโดรเจนจากสารละลายกรดที่เป็นน้ำได้

ตารางที่ 19. ชุดของความเค้นของโลหะ

ตารางแสดงความเค้นจำนวนหนึ่งสำหรับโลหะที่สำคัญที่สุด 19. ตำแหน่งของโลหะชนิดใดชนิดหนึ่งในชุดความเค้นแสดงถึงความสามารถในการรับปฏิกิริยารีดอกซ์ในสารละลายที่เป็นน้ำภายใต้สภาวะมาตรฐาน ไอออนของโลหะเป็นตัวออกซิไดซ์และโลหะในรูปของสารธรรมดาเป็นตัวรีดิวซ์ ยิ่งไปกว่านั้น ยิ่งโลหะอยู่ในอนุกรมแรงดันไฟฟ้ามากเท่าไร ตัวออกซิไดซ์ในสารละลายที่เป็นน้ำก็จะยิ่งมีไอออนมากขึ้นเท่านั้น และในทางกลับกัน ยิ่งโลหะอยู่ใกล้จุดเริ่มต้นของอนุกรมมากเท่าไร คุณสมบัติรีดิวซ์ของโลหะธรรมดาก็จะยิ่งแข็งแกร่งเท่านั้น สาร - โลหะ

ศักยภาพกระบวนการอิเล็กโทรด

ในสภาพแวดล้อมที่เป็นกลางจะเท่ากับ B (ดูหน้า 273) โลหะที่มีฤทธิ์ในตอนต้นของอนุกรมซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบมากกว่า -0.41 V อย่างมีนัยสำคัญ จะเข้ามาแทนที่ไฮโดรเจนจากน้ำ แมกนีเซียมจะแทนที่ไฮโดรเจนจากน้ำร้อนเท่านั้น โลหะที่อยู่ระหว่างแมกนีเซียมและแคดเมียมโดยทั่วไปจะไม่แทนที่ไฮโดรเจนจากน้ำ ฟิล์มออกไซด์จะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของโลหะเหล่านี้ซึ่งมีผลในการป้องกัน

โลหะที่อยู่ระหว่างแมกนีเซียมและไฮโดรเจนจะเข้ามาแทนที่ไฮโดรเจนจากสารละลายกรด ในขณะเดียวกัน ฟิล์มป้องกันก็จะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของโลหะบางชนิดด้วย เพื่อยับยั้งปฏิกิริยา ดังนั้นฟิล์มออกไซด์บนอะลูมิเนียมทำให้โลหะนี้มีความเสถียรไม่เพียงแต่ในน้ำเท่านั้น แต่ยังอยู่ในสารละลายของกรดบางชนิดด้วย ตะกั่วไม่ละลายในกรดซัลฟิวริกที่ความเข้มข้นต่ำกว่า เนื่องจากเกลือที่เกิดขึ้นเมื่อตะกั่วทำปฏิกิริยากับกรดซัลฟิวริกจะไม่ละลายน้ำ และสร้างฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวโลหะ ปรากฏการณ์ของการยับยั้งอย่างลึกซึ้งของการเกิดออกซิเดชันของโลหะเนื่องจากการมีออกไซด์ป้องกันหรือฟิล์มเกลือบนพื้นผิวเรียกว่าความเฉื่อยและสถานะของโลหะในกรณีนี้เรียกว่าสถานะที่ไม่โต้ตอบ

โลหะสามารถแทนที่กันและกันจากสารละลายเกลือได้ ทิศทางของปฏิกิริยาถูกกำหนดโดยตำแหน่งสัมพัทธ์ในชุดของความเค้น เมื่อพิจารณากรณีเฉพาะของปฏิกิริยาดังกล่าว ควรจำไว้ว่าโลหะที่ออกฤทธิ์จะแทนที่ไฮโดรเจนไม่เพียงแต่จากน้ำเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสารละลายที่เป็นน้ำด้วย ดังนั้นการแทนที่โลหะร่วมกันจากสารละลายเกลือจึงเกิดขึ้นได้จริงเฉพาะในกรณีของโลหะที่อยู่ในซีรีส์หลังแมกนีเซียม

Beketov เป็นคนแรกที่ศึกษารายละเอียดเกี่ยวกับการแทนที่โลหะจากสารประกอบด้วยโลหะอื่น จากผลงานของเขา เขาได้จัดเรียงโลหะตามกิจกรรมทางเคมีของพวกมันให้เป็นอนุกรมการกระจัด ซึ่งเป็นต้นแบบของอนุกรมความเค้นของโลหะ

ตำแหน่งสัมพัทธ์ของโลหะบางชนิดในอนุกรมความเค้นและในตารางธาตุเมื่อมองแวบแรกไม่สอดคล้องกัน ตัวอย่างเช่น ตามตำแหน่งในตารางธาตุ กิจกรรมทางเคมีของโพแทสเซียมควรมากกว่าโซเดียม และโซเดียม - มากกว่าลิเธียม ในชุดแรงดันไฟฟ้า ลิเธียมมีความกระตือรือร้นมากที่สุด และโพแทสเซียมจะอยู่ในตำแหน่งตรงกลางระหว่างลิเธียมกับโซเดียม สังกะสีและทองแดงตามตำแหน่งในตารางธาตุควรมีฤทธิ์ทางเคมีเท่ากันโดยประมาณ แต่ในชุดแรงดันไฟฟ้า สังกะสีจะอยู่เร็วกว่าทองแดงมาก สาเหตุของความไม่สอดคล้องกันประเภทนี้มีดังนี้

เมื่อเปรียบเทียบโลหะที่อยู่ในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งในตารางธาตุ พลังงานไอออไนเซชันของอะตอมอิสระจะถูกใช้เป็นการวัดกิจกรรมทางเคมี - ความสามารถลดลง ตัวอย่างเช่นเมื่อเคลื่อนที่จากบนลงล่างตามกลุ่มย่อยหลักของกลุ่ม I ของระบบธาตุพลังงานไอออไนเซชันของอะตอมจะลดลงซึ่งสัมพันธ์กับการเพิ่มขึ้นของรัศมี (เช่นด้วยระยะห่างของอิเล็กตรอนด้านนอกที่มากขึ้น จากนิวเคลียส) และด้วยการคัดกรองประจุบวกของนิวเคลียสที่เพิ่มขึ้นโดยชั้นอิเล็กทรอนิกส์ระดับกลาง (ดูมาตรา 31) ดังนั้นอะตอมโพแทสเซียมจึงมีฤทธิ์ทางเคมีมากกว่า - พวกมันมีคุณสมบัติรีดิวซ์ได้ดีกว่าอะตอมโซเดียม และอะตอมโซเดียมมีฤทธิ์มากกว่าอะตอมลิเธียม

เมื่อเปรียบเทียบโลหะในชุดแรงดันไฟฟ้า การวัดกิจกรรมทางเคมีจะถือเป็นการวัดกิจกรรมทางเคมีในการแปลงโลหะในสถานะของแข็งให้เป็นไอออนไฮเดรตในสารละลายที่เป็นน้ำ งานนี้สามารถแสดงเป็นผลรวมของสามเทอม ได้แก่ พลังงานการทำให้เป็นอะตอม - การเปลี่ยนผลึกโลหะเป็นอะตอมที่แยกได้ พลังงานไอออไนเซชันของอะตอมโลหะอิสระ และพลังงานไฮเดรชันของไอออนที่เกิดขึ้น พลังงานการทำให้เป็นละอองแสดงถึงความแข็งแกร่งของโครงตาข่ายคริสตัลของโลหะที่กำหนด พลังงานของการไอออไนเซชันของอะตอม - การกำจัดเวเลนซ์อิเล็กตรอนออกจากพวกมัน - ถูกกำหนดโดยตรงจากตำแหน่งของโลหะในตารางธาตุ พลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการให้ความชุ่มชื้นนั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของไอออน ประจุ และรัศมี

ลิเธียมและโพแทสเซียมไอออนซึ่งมีประจุเท่ากันแต่มีรัศมีต่างกัน จะสร้างสนามไฟฟ้ารอบตัวไม่เท่ากัน สนามที่สร้างขึ้นใกล้กับลิเธียมไอออนขนาดเล็กจะแข็งแกร่งกว่าสนามที่อยู่ใกล้โพแทสเซียมไอออนขนาดใหญ่ เห็นได้ชัดเจนว่าลิเธียมไอออนจะให้ความชุ่มชื้นโดยปล่อยพลังงานออกมามากกว่าโพแทสเซียมไอออน

ดังนั้น ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงที่กำลังพิจารณา พลังงานจะถูกใช้ไปกับการทำให้เป็นอะตอมและการเกิดไอออไนเซชัน และพลังงานจะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการให้ความชุ่มชื้น ยิ่งการใช้พลังงานทั้งหมดต่ำลง กระบวนการทั้งหมดก็จะง่ายขึ้น และโลหะที่กำหนดก็จะยิ่งเข้าใกล้จุดเริ่มต้นของซีรีส์ความเค้นมากขึ้นเท่านั้น แต่จากสามเงื่อนไขของสมดุลพลังงานทั่วไป มีเพียงตำแหน่งเดียวเท่านั้น - พลังงานไอออไนเซชัน - ที่กำหนดโดยตรงจากตำแหน่งของโลหะในตารางธาตุ ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลที่จะคาดหวังว่าตำแหน่งสัมพัทธ์ของโลหะบางชนิดในชุดความเค้นจะสอดคล้องกับตำแหน่งในตารางธาตุเสมอ ดังนั้นสำหรับลิเธียมการใช้พลังงานทั้งหมดจะน้อยกว่าโพแทสเซียมตามที่ลิเธียมมาก่อนโพแทสเซียมในชุดแรงดันไฟฟ้า

สำหรับทองแดงและสังกะสี ค่าใช้จ่ายด้านพลังงานสำหรับการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมอิสระและพลังงานที่ได้รับระหว่างการให้น้ำด้วยไอออนจะใกล้เคียงกัน แต่ทองแดงที่เป็นโลหะจะสร้างโครงผลึกที่แข็งแรงกว่าสังกะสี ดังที่เห็นได้จากการเปรียบเทียบอุณหภูมิหลอมเหลวของโลหะเหล่านี้: สังกะสีละลายที่ และทองแดงเท่านั้นที่ ดังนั้น พลังงานที่ใช้ไปกับการทำให้เป็นอะตอมของโลหะเหล่านี้จึงแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนพลังงานทั้งหมดสำหรับกระบวนการทั้งหมดในกรณีของทองแดงมีค่ามากกว่าในกรณีของสังกะสีมาก ซึ่งอธิบายตำแหน่งสัมพัทธ์ของสิ่งเหล่านี้ โลหะในชุดความเค้น

เมื่อผ่านจากน้ำไปยังตัวทำละลายที่ไม่มีน้ำ ตำแหน่งสัมพัทธ์ของโลหะในชุดแรงดันไฟฟ้าอาจเปลี่ยนแปลง เหตุผลก็คือพลังงานการละลายของไอออนโลหะต่างๆ จะเปลี่ยนไปแตกต่างกันเมื่อเคลื่อนที่จากตัวทำละลายหนึ่งไปยังอีกตัวทำละลายหนึ่ง

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไอออนของทองแดงจะถูกละลายได้ค่อนข้างแรงในตัวทำละลายอินทรีย์บางชนิด สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าในตัวทำละลายดังกล่าวทองแดงจะอยู่ในซีรีย์แรงดันไฟฟ้าก่อนไฮโดรเจนและแทนที่จากสารละลายกรด

ดังนั้นในทางตรงกันข้ามกับระบบองค์ประกอบเป็นระยะชุดของความเค้นของโลหะไม่ได้สะท้อนถึงรูปแบบทั่วไปบนพื้นฐานที่สามารถให้คุณลักษณะที่ครอบคลุมของคุณสมบัติทางเคมีของโลหะได้ ชุดแรงดันไฟฟ้าแสดงลักษณะเฉพาะความสามารถในการรีดอกซ์ของระบบไฟฟ้าเคมี "โลหะ - ไอออนโลหะ" ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด: ค่าที่กำหนดในนั้นหมายถึงสารละลายในน้ำ อุณหภูมิ และความเข้มข้นของหน่วย (กิจกรรม) ของไอออนโลหะ

ข้อมูลใดบ้างที่สามารถได้รับจากชุดแรงดันไฟฟ้า?

แรงดันไฟฟ้าของโลหะหลายประเภทมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเคมีอนินทรีย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผลลัพธ์ของปฏิกิริยาหลายอย่างและความเป็นไปได้ในการใช้งานนั้นขึ้นอยู่กับตำแหน่งของโลหะบางชนิดใน NER เรามาหารือเกี่ยวกับปัญหานี้โดยละเอียด

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับกรด

โลหะที่อยู่ในลำดับแรงดันไฟฟ้าทางด้านซ้ายของไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับกรดซึ่งเป็นสารที่ไม่ออกซิไดซ์ โลหะที่อยู่ใน ERN ทางด้านขวาของ H จะทำปฏิกิริยากับกรดออกซิไดซ์เท่านั้น (โดยเฉพาะกับ HNO 3 และ H 2 SO 4 ที่เข้มข้น)

ตัวอย่างที่ 1- สังกะสีอยู่ใน NER ทางด้านซ้ายของไฮโดรเจน ดังนั้นจึงสามารถทำปฏิกิริยากับกรดได้เกือบทั้งหมด:

สังกะสี + 2HCl = สังกะสี 2 + H 2

สังกะสี + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2

ตัวอย่างที่ 2- ทองแดงตั้งอยู่ใน ERN ทางด้านขวาของ H; โลหะนี้ไม่ทำปฏิกิริยากับกรด "ธรรมดา" (HCl, H 3 PO 4, HBr, กรดอินทรีย์) แต่ทำปฏิกิริยากับกรดออกซิไดซ์ (ไนตริก, ซัลฟิวริกเข้มข้น):

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

Cu + 2H 2 SO 4 (เข้มข้น) = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

ฉันอยากจะดึงความสนใจของคุณไปยังจุดสำคัญ: เมื่อโลหะทำปฏิกิริยากับกรดออกซิไดซ์ จะไม่ใช่ไฮโดรเจนที่ถูกปล่อยออกมา แต่เป็นสารประกอบอื่นๆ บางส่วน คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ได้!

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับน้ำ

โลหะที่อยู่ในอนุกรมแรงดันไฟฟ้าทางด้านซ้ายของ Mg จะทำปฏิกิริยากับน้ำที่อุณหภูมิห้องได้อย่างง่ายดาย จากนั้นจะปล่อยไฮโดรเจนออกมาและเกิดเป็นสารละลายอัลคาไล

ตัวอย่างที่ 3- โซเดียม โพแทสเซียม แคลเซียม ละลายในน้ำได้ง่ายจนเกิดเป็นสารละลายด่าง:

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

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

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

โลหะที่อยู่ในช่วงแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ไฮโดรเจนไปจนถึงแมกนีเซียม (รวมอยู่ด้วย) ในบางกรณีจะมีปฏิกิริยากับน้ำ แต่ปฏิกิริยาต้องมีเงื่อนไขเฉพาะ ตัวอย่างเช่น อลูมิเนียมและแมกนีเซียมเริ่มทำปฏิกิริยากับ H 2 O หลังจากที่ลอกฟิล์มออกไซด์ออกจากพื้นผิวโลหะแล้วเท่านั้น เหล็กไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำที่อุณหภูมิห้อง แต่ทำปฏิกิริยากับไอน้ำ โคบอลต์ นิกเกิล ดีบุก และตะกั่วแทบไม่มีปฏิกิริยากับ H 2 O ไม่เพียงแต่ที่อุณหภูมิห้องเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเมื่อถูกความร้อนด้วย

โลหะที่อยู่ทางด้านขวาของ ERN (เงิน ทอง แพลทินัม) จะไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำในทุกสภาวะ

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับสารละลายเกลือที่เป็นน้ำ

เราจะพูดถึงปฏิกิริยาประเภทต่อไปนี้:

โลหะ (*) + เกลือของโลหะ (**) = โลหะ (**) + เกลือของโลหะ (*)

ฉันอยากจะย้ำว่าเครื่องหมายดอกจันในกรณีนี้ไม่ได้ระบุสถานะออกซิเดชันหรือความจุของโลหะ แต่เพียงให้แยกแยะระหว่างโลหะหมายเลข 1 และโลหะหมายเลข 2

ในการดำเนินการปฏิกิริยาดังกล่าว จะต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขสามประการพร้อมกัน:

1. เกลือที่เกี่ยวข้องในกระบวนการจะต้องละลายในน้ำ (สามารถตรวจสอบได้อย่างง่ายดายโดยใช้ตารางความสามารถในการละลาย)
2. โลหะ (*) ต้องอยู่ในชุดความเค้นทางด้านซ้ายของโลหะ (**)
3. โลหะ (*) ไม่ควรทำปฏิกิริยากับน้ำ (ซึ่งได้รับการตรวจสอบอย่างง่ายดายโดย ESI)

ตัวอย่างที่ 4- มาดูปฏิกิริยากัน:

สังกะสี + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu

K + Ni(หมายเลข 3) 2 ≠

ปฏิกิริยาแรกเกิดขึ้นได้ง่าย โดยเป็นไปตามเงื่อนไขข้างต้นทั้งหมด: คอปเปอร์ซัลเฟตละลายได้ในน้ำ สังกะสีอยู่ใน NER ทางด้านซ้ายของทองแดง Zn ไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ

ปฏิกิริยาที่สองเป็นไปไม่ได้เนื่องจากไม่ตรงตามเงื่อนไขแรก (คอปเปอร์ (II) ซัลไฟด์แทบไม่ละลายในน้ำ) ปฏิกิริยาที่สามไม่สามารถทำได้ เนื่องจากตะกั่วเป็นโลหะที่มีฤทธิ์น้อยกว่าเหล็ก (อยู่ทางด้านขวาใน ESR) ในที่สุด กระบวนการที่สี่จะไม่ส่งผลให้เกิดการตกตะกอนของนิกเกิล เนื่องจากโพแทสเซียมทำปฏิกิริยากับน้ำ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ที่เกิดขึ้นสามารถทำปฏิกิริยากับสารละลายเกลือได้ แต่นี่เป็นกระบวนการที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

กระบวนการสลายตัวด้วยความร้อนของไนเตรต

ฉันขอเตือนคุณว่าไนเตรตเป็นเกลือของกรดไนตริก ไนเตรตทั้งหมดสลายตัวเมื่อถูกความร้อน แต่องค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวอาจแตกต่างกันไป ส่วนประกอบจะถูกกำหนดโดยตำแหน่งของโลหะในชุดความเค้น

ไนเตรตของโลหะที่อยู่ใน NER ทางด้านซ้ายของแมกนีเซียม เมื่อถูกความร้อน จะเกิดไนไตรต์และออกซิเจนที่สอดคล้องกัน:

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2

ในระหว่างการสลายตัวด้วยความร้อนของโลหะไนเตรตซึ่งอยู่ในช่วงแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ Mg ถึง Cu รวมโลหะออกไซด์ NO 2 และออกซิเจนจะเกิดขึ้น:

2Cu(หมายเลข 3) 2 = 2CuO + 4NO 2 + O 2

ในที่สุดในระหว่างการสลายตัวของไนเตรตของโลหะที่มีฤทธิ์น้อยที่สุด (อยู่ใน ERN ทางด้านขวาของทองแดง) โลหะจะเกิดขึ้น ไนโตรเจนไดออกไซด์ และออกซิเจน

โลหะ

ปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างเกี่ยวข้องกับสารธรรมดา โดยเฉพาะโลหะ อย่างไรก็ตาม โลหะชนิดต่างๆ ก็มีปฏิกิริยาทางเคมีที่แตกต่างกันออกไป และเป็นตัวกำหนดว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นหรือไม่

ยิ่งมีกิจกรรมของโลหะมากเท่าใด โลหะก็จะยิ่งทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ ได้มากขึ้นเท่านั้น ตามกิจกรรม โลหะทั้งหมดสามารถจัดเรียงเป็นอนุกรมได้ ซึ่งเรียกว่าซีรีส์กิจกรรมของโลหะ หรือซีรีส์การกระจัดของโลหะ หรือซีรีส์แรงดันไฟฟ้าของโลหะ รวมถึงซีรีส์เคมีไฟฟ้าของแรงดันไฟฟ้าของโลหะ ซีรีส์นี้ได้รับการศึกษาครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวยูเครนผู้มีชื่อเสียง M.M. Beketov ดังนั้นซีรีส์นี้จึงเรียกว่าซีรีส์ Beketov

ชุดกิจกรรมของโลหะ Beketov มีรูปแบบดังต่อไปนี้ (โลหะที่พบมากที่สุดจะได้รับ):

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

ในซีรีส์นี้ โลหะจะถูกจัดเรียงโดยมีกิจกรรมลดลง ในบรรดาโลหะที่ให้มานั้น โพแทสเซียมมีกัมมันตภาพมากที่สุด และธาตุที่มีกัมมันตภาพน้อยที่สุดคือทองคำ เมื่อใช้ซีรี่ส์นี้ คุณสามารถระบุได้ว่าโลหะชนิดใดมีฤทธิ์มากกว่าโลหะอื่น ไฮโดรเจนก็มีอยู่ในซีรี่ส์นี้ด้วย แน่นอนว่าไฮโดรเจนไม่ใช่โลหะ แต่ในชุดนี้กิจกรรมของไฮโดรเจนถือเป็นจุดเริ่มต้น (ซึ่งเป็นศูนย์ชนิดหนึ่ง)

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับน้ำ

โลหะมีความสามารถในการแทนที่ไฮโดรเจนไม่เพียงแต่จากสารละลายกรดเท่านั้น แต่ยังมาจากน้ำด้วย เช่นเดียวกับกรด กิจกรรมของปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับน้ำจะเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวา

โลหะในกลุ่มกิจกรรมจนถึงแมกนีเซียมสามารถทำปฏิกิริยากับน้ำได้ภายใต้สภาวะปกติ เมื่อโลหะเหล่านี้ทำปฏิกิริยากัน จะเกิดอัลคาไลและไฮโดรเจนขึ้น เช่น:

โลหะอื่นๆ ที่อยู่ก่อนไฮโดรเจนในชุดกิจกรรมก็สามารถทำปฏิกิริยากับน้ำได้เช่นกัน แต่จะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่รุนแรงกว่า ในการโต้ตอบ ไอน้ำร้อนยวดยิ่งจะถูกส่งผ่านตะไบโลหะร้อน ภายใต้สภาวะดังกล่าว ไฮดรอกไซด์จะไม่สามารถดำรงอยู่ได้อีกต่อไป ดังนั้น ผลิตภัณฑ์ที่เกิดปฏิกิริยาจึงเป็นออกไซด์ของธาตุโลหะและไฮโดรเจนที่เกี่ยวข้อง:

การขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีของโลหะในตำแหน่งในชุดกิจกรรม

← กิจกรรมของโลหะเพิ่มขึ้น

แทนที่ไฮโดรเจนจากกรด

ไม่แทนที่ไฮโดรเจนจากกรด

แทนที่ไฮโดรเจนจากน้ำ กลายเป็นด่าง

แทนที่ไฮโดรเจนจากน้ำที่อุณหภูมิสูงทำให้เกิดออกไซด์

3 ไม่โต้ตอบกับน้ำ

เป็นไปไม่ได้ที่จะแทนที่เกลือออกจากสารละลายที่เป็นน้ำ

สามารถรับได้โดยการแทนที่โลหะที่มีฤทธิ์มากกว่าจากสารละลายเกลือหรือจากการหลอมออกไซด์

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับเกลือ

หากเกลือละลายในน้ำได้อะตอมของธาตุโลหะที่อยู่ในนั้นสามารถถูกแทนที่ด้วยอะตอมของธาตุที่มีฤทธิ์มากกว่า หากคุณจุ่มแผ่นเหล็กลงในสารละลายคิวรัม (II) ซัลเฟต หลังจากนั้นไม่นาน ทองแดงจะถูกปล่อยออกมาในรูปของการเคลือบสีแดง:

แต่หากแผ่นเงินจุ่มอยู่ในสารละลายคิวรัม (II) ซัลเฟต ก็จะไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้น:

คิวรัมสามารถถูกแทนที่ด้วยโลหะใดๆ ที่อยู่ทางด้านซ้ายในแถวของกิจกรรมของโลหะ อย่างไรก็ตาม โลหะที่อยู่ตอนต้นของอนุกรม ได้แก่ โซเดียม โพแทสเซียม ฯลฯ - ไม่เหมาะสำหรับสิ่งนี้เนื่องจากมีการใช้งานมากจนไม่สามารถทำปฏิกิริยากับเกลือ แต่กับน้ำที่เกลือนี้ละลาย

การแทนที่โลหะจากเกลือด้วยโลหะที่มีฤทธิ์มากกว่านั้นมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมสำหรับการสกัดโลหะ

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับออกไซด์

ออกไซด์ขององค์ประกอบโลหะสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะได้ โลหะที่มีฤทธิ์มากกว่าจะเข้ามาแทนที่โลหะที่มีฤทธิ์น้อยกว่าจากออกไซด์:

แต่ต่างจากปฏิกิริยาของโลหะกับเกลือ ในกรณีนี้ ออกไซด์จะต้องละลายจึงจะเกิดปฏิกิริยา หากต้องการแยกโลหะออกจากออกไซด์ คุณสามารถใช้โลหะใดก็ได้ที่อยู่ในแถวกิจกรรมทางด้านซ้าย แม้แต่โซเดียมและโพแทสเซียมที่มีฤทธิ์มากที่สุด เนื่องจากออกไซด์ที่หลอมละลายไม่มีน้ำ

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับออกไซด์ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อสกัดโลหะอื่นๆ โลหะที่ใช้งานได้จริงที่สุดสำหรับวิธีนี้คืออะลูมิเนียม แพร่หลายในธรรมชาติและผลิตได้ราคาถูก คุณยังสามารถใช้โลหะที่ออกฤทธิ์ได้มากกว่า (แคลเซียม โซเดียม โพแทสเซียม) แต่ประการแรก มันมีราคาแพงกว่าอลูมิเนียม และอย่างที่สอง เนื่องจากมีฤทธิ์ทางเคมีสูงเป็นพิเศษ จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะเก็บรักษาในโรงงาน วิธีการสกัดโลหะโดยใช้อะลูมิเนียมนี้เรียกว่าอะลูมิเนียมอเทอร์มี

โลหะที่ทำปฏิกิริยาได้ง่ายเรียกว่าโลหะแอคทีฟ ซึ่งรวมถึงโลหะอัลคาไล โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ และอะลูมิเนียม

ตำแหน่งในตารางธาตุ

คุณสมบัติโลหะของธาตุลดลงจากซ้ายไปขวาในตารางธาตุ ดังนั้นองค์ประกอบของกลุ่ม I และ II จึงถือว่ามีการเคลื่อนไหวมากที่สุด

ข้าว. 1. โลหะที่ใช้งานอยู่ในตารางธาตุ

โลหะทุกชนิดเป็นตัวรีดิวซ์และแยกตัวกับอิเล็กตรอนในระดับพลังงานภายนอกได้อย่างง่ายดาย โลหะแอคทีฟจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงหนึ่งหรือสองตัวเท่านั้น ในกรณีนี้คุณสมบัติของโลหะจะเพิ่มขึ้นจากบนลงล่างตามจำนวนระดับพลังงานที่เพิ่มขึ้นเพราะว่า ยิ่งอิเล็กตรอนอยู่ห่างจากนิวเคลียสของอะตอมมากเท่าใด การแยกตัวก็จะง่ายขึ้นเท่านั้น

โลหะอัลคาไลถือเป็นโลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุด:

• ลิเธียม;
• โซเดียม;
• โพแทสเซียม;
• รูบิเดียม;
• ซีเซียม;
• ภาษาฝรั่งเศส

โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธได้แก่:

• เบริลเลียม;
• แมกนีเซียม;
• แคลเซียม;
• ธาตุโลหะชนิดหนึ่ง;
• แบเรียม;
• เรเดียม

ระดับของกิจกรรมของโลหะสามารถกำหนดได้จากชุดแรงดันไฟฟ้าของโลหะไฟฟ้าเคมี ยิ่งธาตุอยู่ทางด้านซ้ายของไฮโดรเจนมากเท่าไรก็ยิ่งมีความว่องไวมากขึ้นเท่านั้น โลหะทางด้านขวาของไฮโดรเจนจะไม่ใช้งานและสามารถทำปฏิกิริยากับกรดเข้มข้นเท่านั้น

ข้าว. 2. ชุดแรงดันไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าของโลหะ

รายชื่อโลหะออกฤทธิ์ในเคมียังรวมถึงอะลูมิเนียม ซึ่งอยู่ในกลุ่ม III และทางด้านซ้ายของไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม อะลูมิเนียมอยู่บริเวณขอบของโลหะที่มีฤทธิ์และมีปฏิกิริยาปานกลาง และไม่ทำปฏิกิริยากับสารบางชนิดภายใต้สภาวะปกติ

คุณสมบัติ

โลหะที่แอคทีฟมีความอ่อน (สามารถตัดด้วยมีดได้) น้ำหนักเบา และมีจุดหลอมเหลวต่ำ

คุณสมบัติทางเคมีหลักของโลหะแสดงอยู่ในตาราง

ปฏิกิริยา	สมการ	ข้อยกเว้น
โลหะอัลคาไลติดไฟในอากาศได้เองเมื่อมีปฏิกิริยากับออกซิเจน	K + O 2 → เกาะ 2	ลิเธียมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น
โลหะอัลคาไลน์เอิร์ทและอะลูมิเนียมจะเกิดฟิล์มออกไซด์ในอากาศและติดไฟได้เองเมื่อถูกความร้อน	2Ca + O 2 → 2CaO
ทำปฏิกิริยากับสารธรรมดาจนเกิดเป็นเกลือ	Ca + Br 2 → CaBr 2; - 2อัล + 3S → อัล 2 ส 3	อลูมิเนียมไม่ทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน
ทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับน้ำ ทำให้เกิดเป็นด่างและไฮโดรเจน	- Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2	ปฏิกิริยากับลิเธียมจะช้า อลูมิเนียมจะทำปฏิกิริยากับน้ำหลังจากเอาฟิล์มออกไซด์ออกเท่านั้น
ทำปฏิกิริยากับกรดให้เกิดเกลือ	Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2; 2K + 2HMnO 4 → 2KMnO 4 + H 2
ทำปฏิกิริยากับสารละลายเกลือ โดยทำปฏิกิริยากับน้ำก่อนแล้วจึงทำปฏิกิริยากับเกลือ	2Na + CuCl 2 + 2H 2 O: 2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 ; - 2NaOH + CuCl 2 → Cu(OH) 2 ↓ + 2NaCl

โลหะที่มีฤทธิ์ทำปฏิกิริยาได้ง่าย ดังนั้นโดยธรรมชาติแล้วจะพบได้ในสารผสมเท่านั้น - แร่ธาตุหิน

ข้าว. 3. แร่ธาตุและโลหะบริสุทธิ์

เราได้เรียนรู้อะไรบ้าง?

โลหะที่แอคทีฟประกอบด้วยองค์ประกอบของกลุ่ม I และ II - โลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ทรวมถึงอะลูมิเนียม กิจกรรมของพวกมันถูกกำหนดโดยโครงสร้างของอะตอม - อิเล็กตรอนสองสามตัวถูกแยกออกจากระดับพลังงานภายนอกได้อย่างง่ายดาย เหล่านี้เป็นโลหะเบาอ่อนที่ทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วกับสารที่เรียบง่ายและซับซ้อน เกิดเป็นออกไซด์ ไฮดรอกไซด์ และเกลือ อลูมิเนียมอยู่ใกล้กับไฮโดรเจนมากขึ้นและการทำปฏิกิริยากับสารต้องมีเงื่อนไขเพิ่มเติม - อุณหภูมิสูง การทำลายฟิล์มออกไซด์

ทดสอบในหัวข้อ

การประเมินผลการรายงาน

คะแนนเฉลี่ย: 4.4. คะแนนรวมที่ได้รับ: 339