Гросс Э., Вайсмантель Х.

Қызыққандар үшін химия. Химия негіздері және қызықты эксперименттер.

3-тарау (жалғасы)

МЕТАЛДАР ЭЛЕКТРОХИМИЯСЫ ШАҒЫН КУРС

Біз қазірдің өзінде сілтілі металдардың хлоридтерінің ерітінділерін электролиздеу және балқымалар көмегімен металдарды алумен таныстық. Енді сулы ерітінділер мен гальваникалық элементтердің электрохимиясының кейбір заңдылықтарын зерттеу үшін бірнеше қарапайым тәжірибелерді қолданып көрейік, сонымен қатар қорғаныш гальваникалық жабындардың өндірісімен танысайық.
Электрохимиялық әдістер қазіргі аналитикалық химияда қолданылады және теориялық химияның маңызды шамаларын анықтауға қызмет етеді.
Соңында, коррозия металл заттар, халық шаруашылығына үлкен зиян келтіреді, көп жағдайда электрохимиялық процесс болып табылады.

METALS STRESS СЕРИЯСЫ

Электрохимиялық процестерді түсінудің негізгі буыны металдардың кернеу қатары болып табылады. Металдар химиялық активтіден басталып, белсенділігі аз асыл металдармен аяқталатын қатарда орналасуы мүмкін:
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.
Бұл, соңғы идеяларға сәйкес, ең маңызды металдар мен сутегі үшін кернеулер сериясы. Егер гальваникалық элементтің электродтары қатарынан кез келген екі металдан жасалған болса, онда қатардың алдындағы материалда теріс кернеу пайда болады.
Кернеу мәні ( электрохимиялық потенциал) кернеу қатарындағы элементтің орнына және электролит қасиеттеріне байланысты.
Біз бірнеше қарапайым тәжірибелерден кернеу қатарының мәнін анықтаймыз, ол үшін бізге ток көзі және электрлік өлшеу құралдары қажет болады. 10 г кристалды мыс сульфатын 100 мл суда ерітіп, ерітіндіге болат инені немесе темір қаңылтырдың бір бөлігін батырыңыз. (Алдымен үтікті жұқа тегістеуішпен жылтыратылғанша тазалауды ұсынамыз.) Кейін қысқа уақытүтікті босаған мыстың қызғылт қабаты жауып тастайды. Белсендірек темір ерітіндідегі мысты ығыстырады, темір ион ретінде ериді, ал мыс металл ретінде бөлінеді. Процесс ерітінді үтікпен байланыста болғанша жалғасады. Мыс үтіктің бүкіл бетін жауып тастағаннан кейін, ол іс жүзінде тоқтайды. Бұл жағдайда мыстың жеткілікті кеуекті қабаты пайда болады, сондықтан токты пайдаланбай қорғаныс жабындарын алу мүмкін емес.
Келесі тәжірибелерде мырыш пен қорғасынның кішкене жолақтарын мыс сульфатының ерітіндісіне батырамыз. 15 минуттан кейін оларды шығарып, жуып, микроскоппен қараймыз. Біз шағылысқан жарықта қызыл түсті және бөлінген мыстан тұратын мұз тәрізді әдемі өрнектерді ажырата аламыз. Мұнда да белсендірек металдар мысты иондық күйден металдық күйге ауыстырды.
Өз кезегінде мыс кернеу қатарында төменірек, яғни белсенділігі аз металдарды ығыстыра алады. Күміс нитраты ерітіндісінің бірнеше тамшысын мыс қаңылтырының жіңішке жолағына немесе тегістелген мыс сымға жағыңыз (бетті жылтыр етіп тазартып алған). Жалаңаш көзбен микроскоппен шағылысқан жарықта жұқа инелер мен өсімдік үлгілеріне (дендриттер деп аталатын) ұқсайтын, нәтижесінде пайда болған қара жабынды көруге болады.
Мырышты токсыз оқшаулау үшін белсендірек металды қолдану қажет. Сумен қатты әрекеттесетін металдарды қоспағанда, біз магнийді мырыштың үстіндегі кернеу қатарында табамыз. Магний таспасының бөлігіне немесе жұқа электронды жоңқаларға бірнеше тамшы мырыш сульфаты ерітіндісін салыңыз. Мырыштың бір бөлігін сұйылтылған күкірт қышқылында еріту арқылы мырыш сульфатының ерітіндісін аламыз. Мырыш сульфатымен бір мезгілде денатуратталған спирттің бірнеше тамшысын қосыңыз. Магнийде аз уақыттан кейін, әсіресе микроскоппен қарағанда, жұқа кристалдар түрінде бөлінген мырышты байқаймыз.
Жалпы кернеу қатарының кез келген мүшесі ион ретінде бар ерітіндіден ығыстырылып, металдық күйге ауысуы мүмкін. Дегенмен, комбинациялардың барлық түрлерін қолданып көргенде, көңіліміз қалуы мүмкін. Алюминий жолағын мыс, темір, қорғасын және мырыш тұздарының ерітінділеріне батырса, онда бұл металдарды босату керек сияқты. Алайда, бұл болмайды. Ақаулықтың себебі кернеу қатарындағы қателікте емес, реакцияның ерекше тежелуіне негізделген, бұл жағдайда алюминий бетіндегі жұқа оксидті қабықшаға байланысты. Мұндай ерітінділерде алюминий пассивті деп аталады.

САХА АРТЫНА ҚАРАҢЫЗ

Ағымдағы процестердің заңдылықтарын тұжырымдау үшін катиондарды қарастырумен шектеліп, аниондарды алып тастауға болады, өйткені олардың өздері реакцияға қатыспайды. (Алайда тұндыру жылдамдығына аниондардың түрі әсер етеді.) Егер қарапайымдылық үшін тұнбаға түскен де, еріген металдар да қос зарядты катиондар түзеді деп есептесек, онда былай жазуға болады:

Мен 1 + Мен 2 2+ = Мен 1 2+ + Мен 2

Оның үстіне бірінші тәжірибе үшін Me 1 = Fe, Me 2 = Cu.
Сонымен, процесс екі металдың атомдары мен иондары арасындағы зарядтардың (электрондардың) алмасуынан тұрады. Темірдің еруін немесе мыстың тұнбасын (аралық реакциялар ретінде) бөлек қарастырсақ, мынаны аламыз:

Fe = Fe 2+ + 2 e --

Cu 2+ + 2 e-- = Cu

Енді металды суға немесе тұз ерітіндісіне батырған жағдайды қарастырайық, оның катионымен кернеу қатарындағы орнына байланысты алмасу мүмкін емес. Осыған қарамастан, металл ион түрінде ерітіндіге түсуге бейім. Бұл жағдайда металл атомы екі электроннан бас тартады (егер металл екі валентті болса), ерітіндіге батырылған металдың беті ерітіндіге қатысты теріс зарядталады және интерфейсте қос электр қабаты пайда болады. Бұл потенциалдар айырмашылығы металдың одан әрі еруіне жол бермейді, осылайша процесс көп ұзамай тоқтайды.
Егер екі түрлі металды ерітіндіге батырса, олардың екеуі де зарядталады, бірақ оның атомдары электрондарды жоғалтуға бейім емес болғандықтан, азырақ белсендісі біршама әлсіз болады.
Екі металды да өткізгішпен қосамыз. Потенциалдық айырмашылыққа байланысты электрондар ағыны элементтің оң полюсін құрайтын белсендірек металдан активті азыраққа қарай ағады. Белсендірек метал ерітіндіге түсетін процесс жүреді, ал ерітіндідегі катиондар неғұрлым асыл металға бөлінеді. Енді бірнеше тәжірибелер арқылы жоғарыда келтірілген біршама абстрактілі пайымдауды көрсетейік (оның үстіне бұл өрескел жеңілдетуді білдіреді).
Алдымен 250 мл стаканның ортасына күкірт қышқылының 10% ерітіндісін құйып, оған тым кішкентай емес мырыш пен мыстың кесектерін батырыңыз. Біз екі электродқа мыс сымды дәнекерлейміз немесе тойтарамыз, оның ұштары ерітіндіге тиіп кетпеуі керек.
Сымның ұштары бір-бірімен байланыспағанша, біз сутегінің бөлінуімен бірге жүретін мырыштың еруін байқаймыз. Кернеу қатарындағы мырыш сутегіге қарағанда белсендірек, сондықтан металл сутекті иондық күйден ығыстырып шығара алады. Екі металда да электрлік қос қабат түзіледі. Электродтар арасындағы потенциалдар айырмасын анықтаудың ең оңай жолы - вольтметр. Құрылғыны тізбекке қосқаннан кейін бірден көрсеткі шамамен 1 В көрсетеді, бірақ содан кейін кернеу тез төмендейді. Егер сіз элементке 1 В тұтынатын шағын шамды қоссаңыз, ол жанады - алдымен өте қатты, содан кейін жарқырау әлсіз болады.
Құрылғының терминалдарының полярлығына сүйене отырып, мыс электроды оң полюс болып табылады деп қорытынды жасауға болады. Бұл процестің электрохимиясын қарастыру арқылы құрылғысыз дәлелдеуге болады. Кішкене стаканға немесе пробиркаға ас тұзының қаныққан ерітіндісін дайындап, оған 0,5 мл шамасында фенолфталеин индикаторының спирттік ерітіндісін құйып, ерітіндіге сыммен жабылған екі электродты батырамыз. Теріс полюстің жанында әлсіз қызғылт түс байқалады, ол катодта натрий гидроксидінің түзілуінен туындайды.
Басқа тәжірибелерде ұяшыққа әртүрлі жұп металдарды орналастырып, нәтижесінде пайда болатын кернеуді анықтауға болады. Мысалы, магний мен күміс олардың арасындағы айтарлықтай қашықтыққа және бірқатар кернеулерге байланысты ерекше үлкен потенциалдар айырмасын береді, ал мырыш пен темір, керісінше, өте аз, вольттың оннан бір бөлігін береді. Алюминийді пайдалану арқылы біз пассивацияға байланысты іс жүзінде ешқандай ток алмаймыз.
Барлық осы элементтердің немесе электрохимиктер айтқандай, тізбектердің кемшілігі бар, токты өлшеген кезде олардағы кернеу өте тез төмендейді. Сондықтан электрохимиктер әрқашан кернеудің толық мәнін кернеуді өтеу әдісімен, яғни оны басқа ток көзінің кернеуімен салыстыра отырып, токсыз күйде өлшейді.
Мыс-мырыш элементіндегі процестерді толығырақ қарастырайық. Катодта мырыш ерітіндіге келесі теңдеу бойынша түседі:

Zn = Zn 2+ + 2 e --

Мыс анодында күкірт қышқылының сутегі иондары шығарылады. Олар мырыш катодынан сым арқылы келетін электрондарды бекітеді және нәтижесінде сутегі көпіршіктері пайда болады:

2H + + 2 e-- = N 2

Қысқа уақыттан кейін мыс сутегі көпіршіктерінің жұқа қабатымен жабылады. Бұл жағдайда мыс электроды сутегіге айналады және потенциалдар айырмасы азаяды. Бұл процесс электродтардың поляризациясы деп аталады. Мыс электродының поляризациясын кернеудің төмендеуінен кейін ұяшыққа аздап калий бихромат ерітіндісін қосу арқылы жоюға болады. Осыдан кейін кернеу қайтадан жоғарылайды, өйткені калий бихроматы сутегін суға дейін тотықтырады. Бұл жағдайда калий бихроматы деполяризатор ретінде әрекет етеді.
Практикада электродтары поляризацияланбаған гальваникалық тізбектер немесе поляризациясын деполяризаторларды қосу арқылы жоюға болатын тізбектер қолданылады.
Поляризацияланбайтын элементтің мысалы ретінде бұрын ағымдағы көз ретінде жиі қолданылған Даниел элементін қарастырыңыз. Бұл да мыс-мырыш элементі, бірақ екі метал да әртүрлі ерітінділерге батырылады. Мырыш электроды сұйылтылған (шамамен 20%) күкірт қышқылымен толтырылған кеуекті саз ұяшыққа орналастырылады. Балшық ұяшық мыс сульфатының концентрлі ерітіндісі бар үлкен стақанға суспензияланған, ал төменгі жағында мыс сульфатының кристалдарының қабаты бар. Бұл ыдыстағы екінші электрод мыс парақтан жасалған цилиндр болып табылады.
Бұл элементті шыны құмырадан, сатылымдағы саз ұяшықтан (төтенше жағдайларда біз гүл құмырасын қолданамыз, түбіндегі тесікті жабамыз) және қолайлы өлшемдегі екі электродтан жасалуы мүмкін.
Элементтің жұмысы кезінде мырыш ерітіліп, мырыш сульфатын түзеді, ал мыс электродында мыс иондары бөлінеді. Бірақ сонымен бірге мыс электроды поляризацияланбайды және элемент шамамен 1 В кернеуді шығарады. Іс жүзінде, теориялық тұрғыдан, терминалдардағы кернеу 1,10 В құрайды, бірақ ток жинаған кезде біз электрлік әсерге байланысты сәл төмен мәнді өлшейміз. жасушаның кедергісі.
Элементтен токты алып тастамасақ, күкірт қышқылы ерітіндісінен мырыш электродты алып тастау керек, өйткені олай болмаған жағдайда ол сутегін түзу үшін еріп кетеді.
Кеуекті бөлімді қажет етпейтін қарапайым ұяшықтың диаграммасы суретте көрсетілген. Мырыш электроды шыны ыдыстың жоғарғы жағында, ал мыс электроды төменгі жағында орналасқан. Бүкіл ұяшық ас тұзының қаныққан ерітіндісімен толтырылады. Құмыраның түбіне бір уыс мыс сульфатының кристалдарын салыңыз. Алынған концентрлі мыс сульфатының ерітіндісі ас тұзының ерітіндісімен өте баяу араласады. Сондықтан ұяшық жұмыс істеген кезде мыс электродта мыс бөлінеді, ал мырыш жасушаның жоғарғы бөлігінде сульфат немесе хлорид түрінде ериді.
Қазіргі уақытта аккумуляторлар тек дерлік құрғақ ұяшықтарды пайдаланады, оларды пайдалану ыңғайлы. Олардың арғы тегі - Лекланш элементі. Электродтар мырыш цилиндрі және көміртекті таяқша болып табылады. Электролит - бұл негізінен аммоний хлоридінен тұратын паста. Мырыш пастада ериді, ал көмірде сутегі бөлінеді. Поляризацияны болдырмау үшін көміртекті таяқша көмір ұнтағы мен пиролизит қоспасы бар зығыр қапшыққа батырылады. Көміртекті ұнтақ электрод бетін ұлғайтады, ал пиролюзит сутегін баяу тотықтыратын деполяризатор қызметін атқарады.
Рас, пиролизиттің деполяризациялау қабілеті бұрын айтылған калий бихроматына қарағанда әлсіз. Сондықтан, құрғақ ұяшықтарда ток қабылданған кезде, кернеу тез төмендейді, олар « шаршау"поляризацияға байланысты. Тек біраз уақыттан кейін сутегінің тотығуы пиролюзитпен жүреді. Осылайша, элементтер " демалу", егер сіз біраз уақыт ток өткізбесеңіз. Мұны фонарь үшін батареяда тексеріп көрейік, оған біз шамды қосамыз. Шаммен параллельді, яғни тікелей терминалдарға вольтметрді қосамыз.
Алдымен кернеу шамамен 4,5 В болады. (Көбінесе мұндай аккумуляторларда әрқайсысының теориялық кернеуі 1,48 В болатын үш ұяшық тізбектей жалғанған.) Біраз уақыттан кейін кернеу төмендеп, шамның жарқырауы болады. әлсірету. Вольтметрдің көрсеткіштеріне сүйене отырып, біз аккумулятордың қанша уақыт демалу керектігін анықтай аламыз.
деп аталатын қалпына келтіретін элементтер ерекше орын алады батареялар. Олар қайтымды реакциялардан өтеді және сыртқы тұрақты ток көзіне қосылу арқылы ұяшық зарядсызданғаннан кейін қайта зарядталады.
Қазіргі уақытта қорғасын-қышқылды аккумуляторлар ең көп таралған; Олардағы электролит сұйылтылған күкірт қышқылы болып табылады, оған екі қорғасын пластинасы батырылады. Оң электрод PbO 2 қорғасын диоксидімен қапталған, теріс металл қорғасын. Терминалдардағы кернеу шамамен 2,1 В. Зарядтау кезінде екі пластинада қорғасын сульфаты пайда болады, ол зарядтау кезінде қайтадан металл қорғасынға және қорғасын пероксидіне айналады.

ГАЛЬВАНИКАЛЫҚ ҚАБЫЛДАУЛАРДЫ ҚОЛДАНУ

Металдардың су ерітінділерінен электр тогын қолдану арқылы тұндыру электролиттік ерітудің кері процесі болып табылады, ол гальваникалық элементтерді қарастырғанда бізге таныс болды. Ең алдымен, біз электр қуатын өлшеу үшін мыс кулометрінде қолданылатын мыс шөгіндісін зерттейміз.

Металл токпен тұндырылады

Екі жұқа парақ мыс пластинаның ұштарын бүгіп, біз оларды стаканның немесе, жақсырақ, кішкене шыны аквариумның қарама-қарсы қабырғаларына ілеміз. Біз сымдарды терминалдармен пластиналарға бекітеміз.
ЭлектролитКелесі рецепт бойынша дайындаймыз: 125 г кристалды мыс сульфаты, 50 г концентрлі күкірт қышқылы және 50 г спирт (денатуратталған спирт), қалғаны 1 литрге дейін су. Мұны істеу үшін алдымен мыс сульфатын 500 мл суда ерітіңіз, содан кейін кішкене бөліктерде абайлап күкірт қышқылын қосыңыз ( Жылыту! Сұйықтық шашырауы мүмкін!), содан кейін алкогольді қосып, 1 литр көлемге су қосыңыз.
Кулометрді дайындалған ерітіндімен толтырып, тізбекке айнымалы кедергіні, амперметрді және қорғасын батареясын қосыңыз. Қарсылықты пайдалана отырып, біз токты оның тығыздығы электрод бетінің 0,02-0,01 А/см 2 болатындай етіп реттейміз. Егер мыс пластинасының ауданы 50 см2 болса, онда ток күші 0,5-1 А диапазонында болуы керек.
Біраз уақыттан кейін ашық қызыл металл мыс катодта (теріс электрод) тұндыра бастайды, ал мыс анодта (оң электрод) ерітіндіге түседі. Мыс пластиналарын тазалау үшін кулометрдегі токты шамамен жарты сағат бойы жүргіземіз. Содан кейін катодты алып, сүзгі қағазымен мұқият кептіріп, дәл өлшеп аламыз. Ұяшыққа электрод орнатып, реостат көмегімен тізбекті жауып, тұрақты токты ұстап тұрайық, мысалы 1 А. Бір сағаттан кейін контурды ашып, кептірілген катодты қайтадан өлшейміз. 1 А ток кезінде оның массасы жұмыс сағатына 1,18 г артады.
Сондықтан ерітіндіден өткен 1 ампер сағатқа тең электр мөлшері 1,18 г мыс шығаруы мүмкін. Немесе жалпы: бөлінетін зат мөлшері ерітінді арқылы өтетін электр энергиясының мөлшеріне тура пропорционал.
Ионның 1 эквивалентін бөліп алу үшін ерітінді арқылы электрод зарядының e және Авогадро санының көбейтіндісіне тең электр мөлшерін өткізу керек. Н A:
e*N A = 1,6021 * 10 -19 * 6,0225 * 10 23 = 9,65 * 10 4 A * s * моль -1 Бұл мән таңбамен көрсетіледі Фжәне электролиздің сандық заңдарын ашушының құрметіне аталған Фарадей саны(нақты мән Ф- 96 498 А*с*моль -1). Сондықтан шешімнен эквиваленттердің берілген санын оқшаулау n e тең электр мөлшері ерітінді арқылы өтуі керек F*n e A*s*моль -1 . Басқаша айтқанда,
Мен*т =F*nміне I- ағымдағы, т- ерітінді арқылы токтың өту уақыты. тарауында Титрлеу негіздері«Заттың эквиваленттерінің саны қазірдің өзінде көрсетілді n e моль саны мен эквивалентті санның көбейтіндісіне тең:
n e = n*ЗДемек:

I*т = F*n*Z

Бұл жағдайда З- ион заряды (Ag + үшін З= 1, Cu 2+ үшін З= 2, Al 3+ үшін З= 3 және т.б.). Моль санын массаның молярлық массаға қатынасы ретінде өрнектесек ( n = м/М), онда электролиз кезінде болатын барлық процестерді есептеуге мүмкіндік беретін формуланы аламыз:

Мен*т =F*m*Z/M

Осы формуланы пайдаланып токты есептеуге болады:

I = F*m*Z/(t*M)= 9,65*10 4 *1,18*2 / (3600*63,54) А*с*г*моль/(с*моль*г) = 0,996 А

Егер электр жұмысына қатынасты енгізсек Вэл

В el = U*I*tЖәне Вэлектрондық пошта/ У = Мен*т

Содан кейін, шиеленісті білу У, есептей аласыз:

В el = F*m*Z*U/M

Сондай-ақ белгілі бір заттың электролиттік жолмен бөлінуіне қанша уақыт кететінін немесе белгілі бір уақытта қанша зат бөлінетінін есептеуге болады. Тәжірибе кезінде токтың тығыздығы белгіленген шектерде сақталуы керек. Егер ол 0,01 А/см2-ден аз болса, онда мыс (I) иондары ішінара түзілетіндіктен тым аз металл бөлінеді. Токтың тығыздығы тым жоғары болса, жабынның электродқа адгезиясы әлсіз болады және электрод ерітіндіден шығарылғанда, оның ыдырауы мүмкін.
Тәжірибеде металдарға гальваникалық жабындар ең алдымен коррозиядан қорғау және айна тәрізді жылтыр алу үшін қолданылады.
Сонымен қатар, металдар, әсіресе мыс пен қорғасын, анодты еріту және одан кейін катодта бөлу (электролиттік тазарту) арқылы тазартылады.
Үтікті мыс немесе никельмен қаптау үшін алдымен заттың бетін мұқият тазалау керек. Мұны істеу үшін оны жуылған бормен жылтыратып, каустикалық сода, су және спирттің сұйылтылған ерітіндісімен дәйекті түрде майсыздандыру керек. Егер зат тотпен жабылған болса, оны күкірт қышқылының 10-15% ерітіндісінде алдын ала маринадтау керек.
Біз тазартылған өнімді электролиттік ваннаға (кішкентай аквариум немесе стакан) іліп қоямыз, онда ол катод ретінде қызмет етеді.
Мыс қаптамасын жағуға арналған ерітіндіде 1 литр суда 250 г мыс сульфаты және 80-100 г концентрлі күкірт қышқылы бар (Абайлаңыз!). Бұл жағдайда мыс пластина анод ретінде қызмет етеді. Анодтың беті шамамен қапталған объектінің бетіне тең болуы керек. Сондықтан сіз әрқашан мыс анодының ваннада катодпен бірдей тереңдікте ілініп тұруын қамтамасыз етуіңіз керек.
Процесс кернеуі 3-4 В (екі батарея) және ток тығыздығы 0,02-0,4 А/см 2 кезінде жүзеге асырылады. Ваннадағы ерітіндінің температурасы 18-25 ° C болуы керек.
Анод жазықтығы мен қапталатын беттің бір-біріне параллель екендігіне назар аударайық. Күрделі пішіні бар заттарды қолданбаған дұрыс. Электролиздің ұзақтығын өзгерту арқылы әртүрлі қалыңдықтағы мыс жабындарын алуға болады.
Көбінесе олар осы қабатқа басқа металдың берік жабынын жағу үшін алдын ала мыс қаптауға жүгінеді. Бұл әсіресе темірді хромдау, мырыш құюды никельмен қаптау және басқа жағдайларда жиі қолданылады. Рас, бұл үшін өте улы цианидті электролиттер қолданылады.
Никельмен қаптау үшін электролит дайындау үшін 25 г кристалды никель сульфатын, 10 г бор қышқылын немесе 10 г натрий цитратын 450 мл суда ерітеді. 10 г ерітіндіні бейтараптандыру арқылы натрий цитратын өзіңіз дайындауға болады лимон қышқылысұйылтылған натрий гидроксиді ерітіндісі немесе сода ерітіндісі. Анод мүмкін болатын ең үлкен аймақтың никель пластинасы болсын, ал батареяны кернеу көзі ретінде алайық.
Айнымалы кедергіні пайдаланып, біз 0,005 А/см 2 тең ток тығыздығын сақтаймыз. Мысалы, нысанның беті 20 см 2 болса, сіз 0,1 А ток күшімен жұмыс істеуіңіз керек. Жарты сағаттық жұмыстан кейін нысан никельмен қапталған болады. Ваннадан шығарып, шүберекпен сүртейік. Дегенмен, никельмен қаптау процесін үзбеу керек, өйткені никель қабаты пассивтеніп, кейінгі никель жабыны жақсы жабыспайды.
Механикалық жылтыратусыз айна жылтырына қол жеткізу үшін гальваникалық ваннаға жылтыр түзетін қоспаны енгіземіз. Мұндай қоспаларға, мысалы, желім, желатин, қант жатады. Сіз, мысалы, никель ваннасына бірнеше грамм қант қосып, оның әсерін зерттей аласыз.
Темірді хромдау үшін электролит дайындау үшін (алдын ала мыс қаптаудан кейін) 40 г хром ангидридін CrO 3 (Абайлаңыз! У!) және дәл 0,5 г күкірт қышқылын (артық емес!) 100 мл суда ерітіңіз. Процесс шамамен 0,1 А/см 2 ток тығыздығында жүреді және анод ретінде қорғасын пластина қолданылады, оның ауданы хромдалған бетінің ауданынан сәл аз болуы керек.
Никель және хром ванналары жақсы қыздырылады (шамамен 35 ° C дейін). Пожалуйста, назар аударыңыз, электролиттер хромдау үшін, әсіресе ұзақ процесс кезінде және жоғары беріктігіток, денсаулыққа өте зиянды хром қышқылы бар түтін шығарады. Сондықтан, хромдауды тартқышпен немесе ашық ауада, мысалы, балконда жүргізу керек.
Хромдау кезінде (және аз дәрежеде никельмен қаптау) металды тұндыру үшін барлық ток пайдаланылмайды. Сонымен бірге сутегі бөлінеді. Бірқатар кернеулерге сүйене отырып, сутегінің алдындағы металдар сулы ерітінділерден мүлдем бөлінбеуі керек, керісінше, азырақ белсенді сутегі бөлінуі керек деп күтуге болады. Алайда, мұнда металдардың анодтық еруіндегі сияқты, сутегінің катодтық эволюциясы жиі тежеледі және тек осы жағдайда ғана байқалады. жоғары кернеу. Бұл құбылыс сутегі асқын кернеуі деп аталады және ол әсіресе үлкен, мысалы, қорғасында. Осы жағдайдың арқасында қорғасын-қышқылды аккумулятор жұмыс істей алады. Аккумуляторды зарядтау кезінде PbO 2 орнына сутегі катодта пайда болуы керек, бірақ шамадан тыс кернеуге байланысты сутегінің эволюциясы батарея толығымен дерлік зарядталған кезде басталады.

«Электродты зат – ерітінді» потенциалдар айырымы заттың (металлдардың да,бейметалдар) иондар түрінде ерітіндіге түседі, яғни. кейіпкерионның және оған сәйкес заттың ОБ қабілетінің тұрақтылығы.

Бұл потенциалдар айырымы деп аталадыэлектродтық потенциал.

Дегенмен, мұндай потенциалдық айырмашылықтарды өлшеудің тікелей әдістеріжоқ, сондықтан біз оларды қатысты анықтауға келістістандартты сутегі электроды деп аталатын, потенциалal шартты түрде нөлге тең қабылданады (көбінесе ол деп те аталадыанықтамалық электрод). Стандартты сутегі электродынан тұрадықұрамында қышқыл бар ерітіндіге батырылған платина пластинасынанH иондарының концентрациясы + 1 моль/л және газ тәріздес ағынмен жуыладыстандартты жағдайларда сутегі.

Стандартты сутегі электродында потенциалдың пайда болуын келесідей елестетуге болады. Платинамен адсорбцияланған сутегі газы атомдық күйге өтеді:

H22H.

Динамикалық тепе-теңдік күйі пластинаның бетінде түзілген атомдық сутегі, ерітіндідегі сутегі иондары және платина (электрондар!) арасында жүзеге асады:

HH + + e.

Жалпы процесс мына теңдеумен өрнектеледі:

H 2 2H + + 2e.

Платина тотығу-тотықсыздану реакцияларына қатыспайдыЖәне процесс, бірақ тек атомдық сутегінің тасымалдаушысы болып табылады.

Егер металл иондарының концентрациясы 1 моль/л-ге тең оның тұзының ерітіндісіне батырылған белгілі бір металдың пластинасын стандартты сутегі электродына қосса, гальваникалық элемент алынады. Бұл элементтің электр қозғаушы күші(ЭМӨ), 25°С-та өлшенген металдың стандартты электродтық потенциалын сипаттайды, әдетте E 0 ретінде белгіленеді.

H 2 /2H + жүйесіне қатысты кейбір заттар тотықтырғыш, басқалары тотықсыздандырғыш ретінде әрекет етеді. Қазіргі уақытта барлық дерлік металдар мен көптеген бейметалдар үшін стандартты потенциалдар алынды, олар тотықсыздандырғыштардың немесе тотықтырғыштардың электрондарды беру немесе ұстау салыстырмалы қабілетін сипаттайды.

Сутегіге қатысты тотықсыздандырғыш ретінде әрекет ететін электродтардың потенциалдары «-» таңбасына ие, ал «+» таңбасы тотықтырғыштар болып табылатын электродтардың потенциалдарын көрсетеді.

Егер металдарды олардың стандартты электродтық потенциалдарының өсу ретімен орналастырсақ, онда деп аталады металдардың электрохимиялық кернеу қатары:

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.

Бірқатар кернеулер сипатталады Химиялық қасиеттеріметалдар

1. Металдың электродтық потенциалы неғұрлым теріс болса, оның редукциялық қабілеті соғұрлым жоғары болады.

2. Әрбір металл тұз ерітінділерінен өзінен кейінгі металдық кернеулер қатарында тұрған металдарды ығыстыруға (тотықсыздандыруға) қабілетті. Жалғыз ерекшеліктер - сілтілі және сілтілі жер металдары, олар басқа металдардың иондарын олардың тұздарының ерітінділерінен азайтпайды. Себебі бұл жағдайларда металдардың сумен әрекеттесу реакциялары жоғары жылдамдықпен жүреді.

3. Теріс стандартты электродтық потенциалы бар барлық металдар, яғни. сутегінің сол жағындағы металдардың кернеу қатарында орналасқандар оны қышқыл ерітінділерінен ығыстыруға қабілетті.

Айта кету керек, ұсынылған қатар металдар мен олардың тұздарының тек сулы ерітінділердегі әрекетін сипаттайды, өйткені потенциалдар белгілі бір ионның еріткіш молекулаларымен әрекеттесу ерекшеліктерін ескереді. Сондықтан электрохимиялық қатар литийден басталады, ал химиялық белсенді рубидий мен калий литийдің оң жағында орналасқан. Бұл басқа сілтілік металдардың иондарымен салыстырғанда литий иондарының гидратация процесінің ерекше жоғары энергиясымен түсіндіріледі.

Стандартты тотықсыздану потенциалының алгебралық мәні сәйкес тотыққан түрдің тотығу белсенділігін сипаттайды. Сондықтан стандартты тотығу-тотықсыздану потенциалдарының мәндерін салыстыру бізге сұраққа жауап беруге мүмкіндік береді: осы немесе басқа тотығу-тотықсыздану реакциясы бола ма?

Осылайша галогенид иондарының бос галогендерге тотығуының барлық жартылай реакциялары

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

2 Br – -2e = V r 2 E 0 = -1,07 В (2)

2I – -2 e = I 2 E 0 = -0,54 В (3)

тотықтырғыш ретінде қорғасын оксидін пайдаланған кезде стандартты жағдайларда жүзеге асырылуы мүмкін ( IV ) (E 0 = 1,46 В) немесе калий перманганаты (E 0 = 1,52 В). Калий бихроматын қолданғанда ( E 0 = 1,35 В) тек (2) және (3) реакцияларды жүргізуге болады. Соңында, азот қышқылын тотықтырғыш ретінде пайдалану ( E 0 = 0,96 В) йодид иондары (3) қатысатын жартылай реакцияға ғана мүмкіндік береді.

Осылайша, белгілі бір тотығу-тотықсыздану реакциясының болу мүмкіндігін бағалаудың сандық критерийі болып табылады оң мәнтотығу және тотықсыздану жартылай реакцияларының стандартты тотығу-тотықсыздану потенциалдарының айырмашылығы.

Жеңіл реакцияға түсетін металдарды белсенді металдар деп атайды. Оларға сілтілі, сілтілі жер металдары және алюминий жатады.

Периодтық жүйедегі орны

Периодтық жүйеде элементтердің металлдық қасиеттері солдан оңға қарай төмендейді. Сондықтан I және II топтардың элементтері ең белсенді болып саналады.

Күріш. 1. Периодтық жүйедегі белсенді металдар.

Барлық металдар тотықсыздандырғыш болып табылады және сыртқы энергия деңгейінде электрондармен оңай бөлінеді. Белсенді металдарда тек бір немесе екі валенттік электрон болады. Бұл жағдайда металлдық қасиеттер жоғарыдан төменге қарай энергетикалық деңгейлердің санының өсуіне қарай артады, өйткені Электрон атом ядросынан неғұрлым алыс болса, соғұрлым оның бөлінуі оңайырақ болады.

Сілтілік металдар ең белсенді болып саналады:

• литий;
• натрий;
• калий;
• рубидий;
• цезий;
• француз

Сілтілік жер металдарына мыналар жатады:

• бериллий;
• магний;
• кальций;
• стронций;
• барий;
• радий.

Металдың белсенділік дәрежесін металл кернеулерінің электрохимиялық қатары арқылы анықтауға болады. Элемент сутегінің сол жағында неғұрлым алыс орналасса, соғұрлым ол белсендірек болады. Сутегінің оң жағындағы металдар белсенді емес және тек концентрлі қышқылдармен әрекеттесе алады.

Күріш. 2. Металл кернеулерінің электрохимиялық қатары.

Химиядағы белсенді металдар тізіміне III топта және сутегінің сол жағында орналасқан алюминий де кіреді. Бірақ алюминий белсенді және аралық белсенді металдар шекарасында болады және қалыпты жағдайда кейбір заттармен әрекеттеспейді.

Қасиеттер

Белсенді металдар жұмсақ (пышақпен кесуге болады), жеңіл, балқу температурасы төмен.

Металдардың негізгі химиялық қасиеттері кестеде берілген.

Реакция	теңдеу	Ерекшелік
Сілтілік металдар оттегімен әрекеттескенде ауада өздігінен жанады	K + O 2 → KO 2	Литий оттегімен тек жоғары температурада әрекеттеседі
Сілтілік жер металдары мен алюминий ауада оксидті қабықшалар түзеді және қызған кезде өздігінен тұтанады.	2Ca + O 2 → 2CaO
Қарапайым заттармен әрекеттесіп, тұз түзеді	Ca + Br 2 → CaBr 2; - 2Al + 3S → Al 2 S 3	Алюминий сутегімен әрекеттеспейді
Сумен қатты әрекеттесіп, сілтілер мен сутегі түзеді	- Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2	Литиймен реакция баяу жүреді. Алюминий оксидті қабықшаны алып тастағаннан кейін ғана сумен әрекеттеседі
Қышқылдармен әрекеттесіп, тұз түзеді	Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2; 2K + 2HMnO 4 → 2KMnO 4 + H 2
Тұз ерітінділерімен әрекеттеседі, алдымен сумен, содан кейін тұзбен әрекеттеседі	2Na + CuCl 2 + 2H 2 O: 2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2; - 2NaOH + CuCl 2 → Cu(OH) 2 ↓ + 2NaCl

Белсенді металдар оңай әрекеттеседі, сондықтан табиғатта олар тек қоспаларда – минералдарда, тау жыныстарында кездеседі.

Күріш. 3. Минералдар және таза металдар.

Біз не үйрендік?

Белсенді металдарға I және II топтың элементтері – сілтілік және сілтілік жер металдары, сонымен қатар алюминий жатады. Олардың белсенділігі атомның құрылымымен анықталады – бірнеше электрондар сыртқы энергетикалық деңгейден оңай бөлінеді. Бұл жай және күрделі заттармен тез әрекеттесіп, оксидтер, гидроксидтер және тұздар түзетін жұмсақ жеңіл металдар. Алюминий сутегіге жақын және оның заттармен реакциясы қажет қосымша шарттар - жоғары температуралар, оксидті қабықтың бұзылуы.

Тақырып бойынша тест

Есепті бағалау

Орташа рейтинг: 4.4. Алынған жалпы рейтингтер: 388.

Металдардың электрохимиялық белсенділік қатары(кернеу қатары, стандартты электродтық потенциалдар тізбегі) – металдар металл катионының Me n+ тотықсыздануының жартылай реакциясына сәйкес келетін олардың стандартты электрохимиялық потенциалдарының φ 0 өсу ретімен орналасатын реттілігі: Me n+ + nē → Мен

Металдардың белсенділік қатарын практикалық қолдану

Тұздар мен қышқылдардың сулы ерітінділерімен реакциялардағы металдардың химиялық белсенділігін салыстырмалы бағалау үшін және электролиз кезіндегі катодтық және анодтық процестерді бағалау үшін тәжірибеде бірқатар кернеулер қолданылады:

• Сутегінің сол жағындағы металдар оң жақтағы металдарға қарағанда күшті тотықсыздандырғыштар болып табылады: олар соңғысын тұз ерітінділерінен ығыстырады. Мысалы, Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu әрекеттесуі тек тура бағытта мүмкін.
• Сутегінің сол жағындағы қатардағы металдар тотықтырмайтын қышқылдардың сулы ерітінділерімен әрекеттесу кезінде сутегін ығыстырады; ең белсенді металдар (алюминийге дейін және оның ішінде) - және сумен әрекеттесу кезінде.
• Сутегінің оң жағындағы қатардағы металдар қалыпты жағдайда тотықтырмайтын қышқылдардың сулы ерітінділерімен әрекеттеспейді.
• Электролиз кезінде катодта сутегінің оң жағындағы металдар бөлінеді; орташа белсенді металдардың тотықсыздануы сутегінің бөлінуімен бірге жүреді; Ең белсенді металдарды (алюминийге дейін) қалыпты жағдайда тұздың сулы ерітінділерінен бөліп алу мүмкін емес.

Сілтілік металдар ең белсенді болып саналады:

• литий;
• натрий;
• калий;
• рубидий;
• цезий;
• француз

Барлық металдар тотығу-тотықсыздану белсенділігіне байланысты электрохимиялық металл кернеу қатары деп аталатын қатарға біріктіріледі (өйткені ондағы металдар стандартты электрохимиялық потенциалдардың өсу ретімен орналасады) немесе металдық белсенділік қатары:

Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Pt, Au

Ең химиялық белсенді металдар сутегіге дейінгі белсенділік қатарында, ал металл неғұрлым сол жақта орналасса, соғұрлым белсенді болады. Белсенділік қатарында сутектен кейінгі орынды алатын металдар белсенді емес болып саналады.

Алюминий

Алюминий - күміс-ақ түсті. Негізгі физикалық қасиеттеріалюминий – жеңілдігі, жоғары жылу және электр өткізгіштігі. Бос күйде, ауаға ұшыраған кезде алюминий Al 2 O 3 оксидінің берік қабығымен жабылады, бұл оны концентрлі қышқылдардың әсеріне төзімді етеді.

Алюминий p-отбасылық металдарға жатады. Сыртқы энергия деңгейінің электрондық конфигурациясы 3s 2 3p 1. Өзінің қосылыстарында алюминий «+3» тотығу дәрежесін көрсетеді.

Алюминий осы элементтің балқыған оксидінің электролизі арқылы алынады:

2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2

Бірақ өнімнің төмен шығымдылығына байланысты Na 3 және Al 2 O 3 қоспасын электролиздеу арқылы алюминий алу әдісі жиі қолданылады. Реакция 960С дейін қыздырғанда және катализаторлардың – фторидтердің (AlF 3, CaF 2 және т.б.) қатысуымен жүреді, ал алюминийдің бөлінуі катодта жүреді, ал оттегі анодта бөлінеді.

Алюминий оның бетінен оксидті қабықшаны алып тастағаннан кейін сумен әрекеттесе алады (1), қарапайым заттармен (оттегі, галогендер, азот, күкірт, көміртек) (2-6), қышқылдармен (7) және негіздермен (8) әрекеттеседі:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 (1)

2Al +3/2O 2 = Al 2 O 3 (2)

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 (3)

2Al + N 2 = 2AlN (4)

2Al +3S = Al 2 S 3 (5)

4Al + 3C = Al 4 C 3 (6)

2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 (7)

2Al +2NaOH +3H 2 O = 2Na + 3H 2 (8)

Кальций

Еркін түрінде Са күмістей ақ металл. Ауа әсер еткенде, ол бірден ауаның құрамдас бөліктерімен әрекеттесу өнімдері болып табылатын сарғыш қабықпен жабылады. Кальций өте қатты металл және бетке бағытталған текше кристалды торға ие.

Сыртқы энергия деңгейінің электрондық конфигурациясы 4s 2. Оның қосылыстарында кальций «+2» тотығу дәрежесін көрсетеді.

Кальций балқытылған тұздардың, көбінесе хлоридтердің электролизі арқылы алынады:

CaCl 2 = Ca + Cl 2

Кальций суда еріп, гидроксидтер түзеді, күшті негіздік қасиет көрсетеді (1), оттегімен әрекеттеседі (2), оксидтер түзеді, бейметалдармен әрекеттеседі (3-8), қышқылдарда ериді (9):

Ca + H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2 (1)

2Ca + O 2 = 2CaO (2)

Ca + Br 2 = CaBr 2 (3)

3Ca + N2 = Ca3N2 (4)

2Ca + 2C = Ca 2 C 2 (5)

2Ca + 2P = Ca 3 P 2 (7)

Ca + H 2 = CaH 2 (8)

Ca + 2HCl = CaCl 2 + H 2 (9)

Темір және оның қосылыстары

Темір сұр түсті металл. IN таза пішінол өте жұмсақ, иілгіш және тұтқыр. Сыртқы энергия деңгейінің электрондық конфигурациясы 3d 6 4s 2. Өзінің қосылыстарында темір «+2» және «+3» тотығу күйлерін көрсетеді.

Металл темір су буымен әрекеттесіп, аралас оксид (II, III) Fe 3 O 4 түзеді:

3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2

Ауада темір оңай тотығады, әсіресе ылғал (тот) болған кезде:

3Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3

Басқа металдар сияқты, темір қарапайым заттармен, мысалы, галогендермен (1) әрекеттеседі және қышқылдарда (2) ериді:

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 (2)

Темір қосылыстардың тұтас спектрін құрайды, өйткені ол бірнеше тотығу күйлерін көрсетеді: темір (II) гидроксиді, темір (III) гидроксиді, тұздар, оксидтер және т.б. Сонымен, темір (II) гидроксидін сілтілі ерітінділердің темір (II) тұздарына ауасыз әсер ету арқылы алуға болады:

FeSO 4 + 2NaOH = Fe(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4

Темір (II) гидроксиді қышқылдарда ериді және оттегінің қатысуымен темір (III) гидроксидіне дейін тотығады.

Темір (II) тұздары тотықсыздандырғыш қасиет көрсетеді және темір (III) қосылыстарына айналады.

Темір (III) оксиді темірді оттегімен жағу арқылы алынбайды, оны алу үшін темір сульфидтерін күйдіру немесе басқа темір тұздарын күйдіру қажет:

4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 +8SO 2

2FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 2 + 3H 2 O

Темір (III) қосылыстары әлсіз тотықтырғыш қасиет көрсетеді және күшті тотықсыздандырғыштармен тотығу-тотықсыздану реакцияларына түсуге қабілетті:

2FeCl 3 + H 2 S = Fe(OH) 3 ↓ + 3NaCl

Шойын және болат өндірісі

Болаттар мен шойындар темір мен көміртектің қорытпалары болып табылады, болаттағы көміртегі мөлшері 2% дейін, шойында 2-4%. Болаттар мен шойындарда легирленген қоспалар бар: болаттар – Cr, V, Ni, шойын – Si.

Бөлектеу Әртүрлі түрлеріБолаттар, мысалы, тағайындалуына қарай құрылымдық, тот баспайтын, аспаптық, ыстыққа төзімді және криогенді болаттар болып бөлінеді. Химиялық құрамына қарай олар көміртекті (төмен-, орташа- және жоғары көміртекті) және легирленген (төмен-, орташа- және жоғары қорытпалы) болып бөлінеді. Құрылымына қарай аустениттік, ферритті, мартенситті, перлиттік және бейнитті болаттар бөлінеді.

Болат құрылыс, химия, мұнай-химия, қауіпсіздік сияқты халық шаруашылығының көптеген салаларында қолданыс тапты қоршаған орта, көлік энергетикасы және басқа да салалар.

Шойын – цементит немесе графит құрамындағы көміртегінің формасына, сондай-ақ олардың мөлшеріне қарай шойынның бірнеше түрі бөлінеді: ақ (цементит түріндегі көміртегінің болуына байланысты сынудың ашық түсі), сұр. (графит түріндегі көміртегінің болуына байланысты сынықтың сұр түсі ), иілгіш және ыстыққа төзімді. Шойындар өте сынғыш қорытпалар болып табылады.

Шойынның қолданылу аясы кең - көркем әшекейлер (қоршаулар, қақпалар), шкаф бөліктері, сантехникалық жабдықтар, тұрмыстық заттар (қуырғыштар) шойыннан жасалады және ол автомобиль өнеркәсібінде қолданылады.

Есептерді шешу мысалдары

МЫСАЛ 1

Жаттығу	Массасы 26,31 г магний мен алюминий қорытпасы тұз қышқылында ерітілді. Бұл жағдайда 31,024 литр түссіз газ бөлінді. Қорытпадағы металдардың массалық үлестерін анықтаңыз.
Шешім	Екі метал да тұз қышқылымен әрекеттесуге қабілетті, нәтижесінде сутегі бөлінеді: Mg +2HCl = MgCl 2 + H 2 2Al +6HCl = 2AlCl3 + 3H2 Бөлінген сутегінің жалпы моль санын табайық: v(H 2) =V(H 2)/V м v(H 2) = 31,024/22,4 = 1,385 моль Mg затының мөлшері х моль, ал Al у моль болсын. Содан кейін реакция теңдеулеріне сүйене отырып, сутегі мольдерінің жалпы санының өрнегін жаза аламыз: x + 1,5y = 1,385 Қоспадағы металдардың массасын өрнектеп көрейік: Содан кейін қоспаның массасы мына теңдеумен өрнектеледі: 24x + 27y = 26,31 Біз теңдеулер жүйесін алдық: x + 1,5y = 1,385 24x + 27y = 26,31 Оны шешейік: 33,24 -36ж+27ж = 26,31 v(Al) = 0,77 моль v(Mg) = 0,23 моль Сонда қоспадағы металдардың массасы: м(Mg) = 24×0,23 = 5,52 г m(Al) = 27×0,77 = 20,79 г Қоспадағы металдардың массалық үлестерін табайық: ώ =m(Me)/m қосынды ×100% ώ(Mg) = 5,52/26,31 ×100%= 20,98% ώ(Al) = 100 – 20,98 = 79,02%
Жауап	Қорытпадағы металдардың массалық үлестері: 20,98%, 79,02%