Серија за оксидација на метал. Активни метали. Интеракција на метали со вода

08.02.2022 Видови

Гросе Е., Вајсмантел Х.

Хемија за љубопитните. Основи на хемијата и забавни експерименти.

Поглавје 3 (продолжение)

МАЛ ПРЕДМЕТ ПО ЕЛЕКТРОХЕМИЈА НА МЕТАЛИ

Веќе се запознавме со електролизата на растворите на хлоридите на алкалните метали и производството на метали со помош на топи. Сега да се обидеме да користиме неколку едноставни експерименти за да проучиме некои од законите на електрохемијата на водени раствори и галвански ќелии, а исто така да се запознаеме со производството на заштитни галвански премази.
Електрохемиските методи се користат во современата аналитичка хемија и служат за одредување на најважните количини на теоретската хемија.
Конечно, корозија метални предмети, што предизвикува голема штета на националната економија, во повеќето случаи е електрохемиски процес.

СЕРИЈА СТРЕС НА МЕТАЛИ

Основната врска за разбирање на електрохемиските процеси е напонската серија на метали. Металите можат да се подредат во серија која започнува со хемиски активните и завршува со најмалку активните благородни метали:
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.
Ова е, според најновите идеи, серија на напони за најважните метали и водородот. Ако електродите на галванска ќелија се направени од кои било два метали по ред, тогаш на материјалот што му претходи на редот ќе се појави негативен напон.
Вредност на напон ( електрохемиски потенцијал) зависи од положбата на елементот во напонската серија и од својствата на електролитот.
Ќе ја утврдиме суштината на напонската серија од неколку едноставни експерименти, за кои ќе ни треба извор на струја и електрични мерни инструменти. Растворете околу 10 g кристален бакар сулфат во 100 ml вода и потопете челична игла или парче железен лим во растворот. (Ви препорачуваме прво да ја исчистите пеглата додека не заблеска со фин шкурка.) После кратко времепеглата ќе биде покриена со црвеникав слој од ослободен бакар. Поактивното железо го поместува бакарот од растворот, при што железото се раствора како јони, а бакарот се ослободува како метал. Процесот продолжува се додека растворот е во контакт со железото. Откако бакарот ќе ја покрие целата површина на пеглата, тој практично ќе престане. Во овој случај, се формира прилично порозен слој од бакар, така што не може да се добијат заштитни облоги без употреба на струја.
Во следните експерименти, ќе спуштиме мали ленти од цинк и оловен лим во раствор од бакар сулфат. По 15 минути ги вадиме, ги миеме и ги испитуваме на микроскоп. Можеме да забележиме прекрасни обрасци слични на мраз, кои во рефлектираната светлина се црвени во боја и се состојат од ослободен бакар. И овде поактивни метали го претворале бакарот од јонска во метална состојба.
За возврат, бакарот може да ги помести металите кои се пониски во напонската серија, односно помалку активни. Нанесете неколку капки раствор од сребро нитрат на тенка лента од лим од бакар или сплескана бакарна жица (претходно исчистете ја површината до сјај). Со голо око можете да ја видите добиената црна обвивка, која под микроскоп во рефлектираната светлина изгледа како тенки игли и растителни обрасци (т.н. дендрити).
За да се изолира цинкот без струја, неопходно е да се користи поактивен метал. Исклучувајќи ги металите кои бурно реагираат со вода, наоѓаме магнезиум во напонската серија над цинкот. Ставете неколку капки раствор на цинк сулфат на парче магнезиумова лента или на тенки електронски струготини. Добиваме раствор од цинк сулфат со растворање на парче цинк во разредена сулфурна киселина. Заедно со цинк сулфат додадете неколку капки денатуриран алкохол. На магнезиумот, по краток временски период, ќе забележиме, особено под микроскоп, цинк што се ослободува во форма на тенки кристали.
Општо земено, секој член од напонската серија може да се помести од растворот, каде што постои како јон, и да се претвори во метална состојба. Меѓутоа, кога пробуваме секакви комбинации, може да се разочараме. Се чини дека ако лента од алуминиум се потопува во раствори на соли на бакар, железо, олово и цинк, овие метали треба да се ослободат на неа. Но, ова, сепак, не се случува. Причината за неуспехот не лежи во грешка во напонската серија, туку се заснова на посебна инхибиција на реакцијата, што во овој случај се должи на тенок оксиден филм на површината на алуминиумот. Во такви раствори, алуминиумот се нарекува пасивен.

ДА ГИ ПОГЛЕДНЕМЕ ЗАД СЦЕСИТЕ

За да ги формулираме законите на тековните процеси, можеме да се ограничиме на разгледување на катјоните и да ги исклучиме анјоните, бидејќи тие самите не учествуваат во реакцијата. (Меѓутоа, брзината на таложење е под влијание на типот на анјоните.) Ако, за едноставност, претпоставиме дека и таложените и растворените метали произведуваат двојно наелектризирани катјони, тогаш можеме да напишеме:

Јас 1 + Јас 2 2+ = Јас 1 2+ + Јас 2

Покрај тоа, за првиот експеримент Me 1 = Fe, Me 2 = Cu.
Значи, процесот се состои од размена на полнежи (електрони) помеѓу атомите и јоните на двата метали. Ако одделно го разгледаме (како посредни реакции) растворањето на железо или таложењето на бакар, ќе добиеме:

Fe = Fe 2+ + 2 д --

Cu 2+ + 2 д-- = Cu

Сега разгледајте го случајот кога металот е потопен во вода или во солен раствор, со катјон чија размена е невозможна поради неговата позиција во серијата на напрегања. И покрај ова, металот има тенденција да оди во раствор во форма на јон. Во овој случај, металниот атом се откажува од два електрони (ако металот е двовалентен), површината на металот потопена во растворот станува негативно наелектризирана во однос на растворот, а на интерфејсот се формира двоен електричен слој. Оваа потенцијална разлика го спречува понатамошното растворање на металот, така што процесот наскоро запира.
Ако два различни метали се потопат во раствор, и двата ќе се наполнат, но помалку активниот ќе биде нешто послаб, поради фактот што неговите атоми се помалку склони кон губење на електрони.
Ајде да ги поврземе двата метали со проводник. Поради потенцијалната разлика, проток на електрони ќе тече од поактивен метал кон помалку активниот, кој го формира позитивниот пол на елементот. Настанува процес во кој поактивниот метал оди во раствор, а катјоните од растворот се ослободуваат на поблагородниот метал. Дозволете ни сега да го илустрираме малку апстрактното расудување погоре (што, згора на тоа, претставува грубо поедноставување) со неколку експерименти.
Прво, наполнете чаша од 250 ml до средината со 10% раствор на сулфурна киселина и потопете не премногу мали парчиња цинк и бакар во неа. На двете електроди лемеме или занитуваме бакарна жица, чии краеви не треба да го допираат растворот.
Сè додека краевите на жицата не се поврзани едни со други, ќе го набљудуваме растворањето на цинкот, што е придружено со ослободување на водород. Цинкот, како што следува од серијата на напон, е поактивен од водородот, така што металот може да го измести водородот од јонската состојба. На двата метали се формира електричен двоен слој. Најлесен начин да се открие потенцијалната разлика помеѓу електродите е со волтметар. Веднаш по поврзувањето на уредот со колото, стрелката ќе покаже приближно 1 V, но потоа напонот брзо ќе падне. Ако поврзете мала сијалица која троши 1 V на елементот, таа ќе светне - на почетокот доста силно, а потоа сјајот ќе стане слаб.
Врз основа на поларитетот на терминалите на уредот, можеме да заклучиме дека бакарната електрода е позитивниот пол. Ова може да се докаже без уред со разгледување на електрохемијата на процесот. Ајде да подготвиме заситен раствор од кујнска сол во мала чаша или епрувета, да додадеме околу 0,5 ml алкохолен раствор на индикаторот за фенолфталеин и да ги потопиме двете електроди затворени со жица во растворот. Во близина на негативниот пол ќе се забележи слабо црвеникава боја, што е предизвикано од формирањето на натриум хидроксид на катодата.
Во други експерименти, може да се стават различни парови метали во ќелија и да се одреди добиениот напон. На пример, магнезиумот и среброто ќе дадат особено голема потенцијална разлика поради значителното растојание меѓу нив и низа напони, додека цинкот и железото, напротив, ќе дадат многу мал, помалку од десетина од волтот. Со користење на алуминиум, нема да примаме практично никаква струја поради пасивација.
Сите овие елементи или, како што велат електрохемичарите, кола, имаат недостаток што при мерење на струјата, напонот на нив многу брзо паѓа. Затоа, електрохемичарите секогаш ја мерат вистинската големина на напонот во де-енергирана состојба користејќи го методот на компензација на напонот, односно споредувајќи го со напонот на друг извор на струја.
Да ги разгледаме процесите во елементот бакар-цинк малку подетално. На катодата, цинкот влегува во раствор според следнава равенка:

Zn = Zn 2+ + 2 д --

Водородните јони на сулфурна киселина се испуштаат на бакарната анода. Тие прикачуваат електрони кои доаѓаат низ жицата од цинковата катода и како резултат на тоа, се формираат водородни меури:

2H + + 2 д-- = N 2

По краток временски период, бакарот ќе биде покриен со тенок слој од водородни меури. Во овој случај, бакарната електрода ќе се претвори во водородна, а потенцијалната разлика ќе се намали. Овој процес се нарекува поларизација на електродата. Поларизацијата на бакарната електрода може да се елиминира со додавање на малку раствор на калиум дихромат во ќелијата по падот на напонот. По ова, напонот повторно ќе се зголеми, бидејќи калиум дихромат ќе го оксидира водородот во вода. Калиум дихромат делува во овој случај како деполаризатор.
Во пракса, се користат галвански кола чии електроди не се поларизирани или кола чија поларизација може да се елиминира со додавање на деполаризатори.
Како пример за елемент кој не може да се поларизира, земете го елементот Даниел, кој често се користел во минатото како тековен извор. Ова е исто така бакар-цинк елемент, но и двата метали се потопуваат во различни раствори. Цинк електродата се става во порозна глинена ќелија исполнета со разредена (околу 20%) сулфурна киселина. Глинената ќелија е суспендирана во голема чаша која содржи концентриран раствор на бакар сулфат, а на дното има слој од кристали на бакар сулфат. Втората електрода во овој сад е цилиндар направен од бакарен лим.
Овој елемент може да се направи од стаклена тегла, комерцијално достапна глинена ќелија (во екстремни случаи, користиме саксија за цвеќе, затворајќи ја дупката на дното) и две електроди со соодветна големина.
За време на работата на елементот, цинкот се раствора за да формира цинк сулфат, а бакарните јони се ослободуваат на бакарната електрода. Но, во исто време бакарната електрода не е поларизирана и елементот произведува напон од околу 1 V. Всушност, теоретски, напонот на приклучоците е 1,10 V, но при собирање струја мериме малку помала вредност поради електричната отпорност на ќелијата.
Ако не ја отстраниме струјата од елементот, треба да ја отстраниме цинковата електрода од растворот на сулфурна киселина, бидејќи во спротивно таа ќе се раствори и ќе формира водород.
Дијаграм на едноставна ќелија која не бара порозна партиција е прикажан на сликата. Цинк електродата се наоѓа на врвот на стаклената тегла, а бакарната електрода се наоѓа во близина на дното. Целата клетка е исполнета со заситен раствор од кујнска сол. Ставете грст кристали од бакар сулфат на дното на теглата. Добиениот концентриран раствор на бакар сулфат ќе се меша со растворот на кујнска сол многу бавно. Затоа, кога ќелијата работи, бакарот ќе се ослободи на бакарната електрода, а цинкот ќе се раствори во форма на сулфат или хлорид во горниот дел од ќелијата.
Во денешно време батериите користат речиси исклучиво суви ќелии, кои се попогодни за употреба. Нивниот предок е елементот Лекланш. Електродите се цилиндар од цинк и јаглеродна прачка. Електролитот е паста која главно се состои од амониум хлорид. Цинкот се раствора во пастата, а водородот се ослободува на јагленот. За да се избегне поларизација, јаглеродната прачка се потопува во ленена кеса која содржи мешавина од јаглен во прав и пиролузит. Јаглеродниот прав ја зголемува површината на електродата, а пиролизитот делува како деполаризатор, полека оксидирајќи го водородот.
Навистина, деполаризирачката способност на пиролизитот е послаба од онаа на претходно споменатиот калиум дихромат. Затоа, кога се прима струја во суви ќелии, напонот брзо паѓа, тие " уморни се"поради поларизација. Само по некое време се случува оксидација на водородот со пиролузит. Така, елементите " одмарање", ако некое време не поминувате струја. Ајде да го провериме ова на батерија за фенерче, на која поврзуваме сијалица. Паралелно со светилката, односно директно до терминалите, поврзуваме волтметар.
На почетокот, напонот ќе биде околу 4,5 V. (Најчесто, таквите батерии имаат три ќелии поврзани во серија, секоја со теоретски напон од 1,48 V.) По некое време, напонот ќе падне и сјајот на сијалицата ќе ослабне. Врз основа на отчитувањата на волтметарот, можеме да процениме колку долго треба да мирува батеријата.
Посебно место заземаат регенерирачките елементи познати како батерии. Тие се подложени на реверзибилни реакции и може да се полнат откако ќелијата ќе се испразни со поврзување со надворешен извор на еднонасочна струја.
Во моментов, најчести се оловните батерии; Електролитот во нив е разредена сулфурна киселина, во која се потопени две оловни плочи. Позитивната електрода е обложена со олово диоксид PbO 2, негативната е метално олово. Напонот на терминалите е приближно 2,1 V. При празнење, на двете плочи се формира олово сулфат, кој повторно се претвора во метално олово и олово пероксид при полнење.

ПРИМЕНА НА ГАЛВАНСКИ ПРЕГОВИ

Таложењето на метали од водени раствори со помош на електрична струја е обратен процес на електролитичко растворање, со кој се запознавме кога ги разгледувавме галванските ќелии. Пред сè, ќе го испитаме таложењето на бакар, кое се користи во бакарен кулометар за мерење на количината на електрична енергија.

Металот се депонира со струја

Свиткајќи ги краевите на две бакарни плочи со тенок лим, ги закачуваме на спротивните ѕидови на чашата или, уште подобро, на мал стаклен аквариум. Ги прицврстуваме жиците на плочите со терминали.
ЕлектролитДа се подготвиме по следниот рецепт: 125 g кристален бакар сулфат, 50 g концентрирана сулфурна киселина и 50 g алкохол (денатуриран алкохол), остатокот е вода до 1 литар. За да го направите ова, прво растворете бакар сулфат во 500 ml вода, а потоа внимателно додадете сулфурна киселина во мали делови ( Греење! Течноста може да прска!), потоа додадете алкохол и додадете вода до волумен од 1 литар.
Наполнете го кулометарот со подготвениот раствор и поврзете променлив отпор, амперметар и оловна батерија на колото. Користејќи отпор, ја прилагодуваме струјата така што нејзината густина е 0,02-0,01 A/cm 2 од површината на електродата. Ако бакарната плоча има површина од 50 cm2, тогаш струјата треба да биде во опсег од 0,5-1 А.
По некое време, светло црвен метален бакар ќе почне да таложи на катодата (негативна електрода), а бакарот ќе влезе во раствор на анодата (позитивна електрода). За да ги исчистиме бакарните плочи, ќе пуштаме струја во кулометарот околу половина час. Потоа ја вадиме катодата, внимателно ја сушиме со филтер-хартија и точно ја мериме. Ајде да инсталираме електрода во ќелијата, да го затвориме колото со помош на реостат и да одржуваме постојана струја, на пример 1 А. По еден час, отворете го колото и повторно измерете ја исушената катода. При струја од 1 А, неговата маса ќе се зголеми за 1,18 g на час работа.
Според тоа, количина на електрична енергија еднаква на 1 ампер час поминува низ раствор може да ослободи 1,18 g бакар. Или воопшто: количината на ослободена супстанција е директно пропорционална со количината на електрична енергија што минува низ растворот.
За да се изолира 1 еквивалент на јон, потребно е низ растворот да се помине количина електрична енергија еднаква на производот од полнежот на електродата e и бројот на Авогадро. НА:
e*N A = 1,6021 * 10 -19 * 6,0225 * 10 23 = 9,65 * 10 4 A * s * mol -1 Оваа вредност е означена со симболот Фи е именуван по откривачот на квантитативните закони на електролизата Број на Фарадеј(точна вредност Ф- 96.498 A*s*mol -1). Затоа, да се изолира даден број на еквиваленти од решение nд низ растворот треба да се помине количина електрична енергија еднаква на F*n e A*s*mol -1. Со други зборови,
I*t =F*nеве Јас- струја, т- време на поминување на струја низ растворот. во поглавјето " Основи на титрација„Веќе се покажа дека бројот на еквиваленти на супстанција n e е еднаков на производот од бројот на кртови и еквивалентниот број:
n e = n*ЗОттука:

Јас*т = F*n*Z

Во овој случај З- јонско полнење (за Ag + З= 1, за Cu 2+ З= 2, за Al 3+ З= 3, итн.). Ако го изразиме бројот на молови како однос на масата кон моларната маса ( n = m/M), тогаш добиваме формула која ни овозможува да ги пресметаме сите процеси што се случуваат за време на електролизата:

I*t =F*m*Z/M

Користејќи ја оваа формула, можете да ја пресметате струјата:

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

Ако ја воведеме релацијата за електрична работа Вел

Вел = U*I*tИ Ве-пошта/ У = I*t

Потоа, знаејќи ја тензијата У, можете да пресметате:

Вел = F*m*Z*U/M

Исто така, можно е да се пресмета колку време е потребно за одредено количество супстанција да се ослободи електролитски, или колку од супстанцијата ќе се ослободи во одредено време. За време на експериментот, густината на струјата мора да се одржува во одредени граници. Ако е помало од 0,01 A/cm2, тогаш ќе се ослободи премалку метал, бидејќи јоните на бакар (I) делумно ќе се формираат. Ако густината на струјата е превисока, адхезијата на облогата на електродата ќе биде слаба и кога електродата ќе се отстрани од растворот, може да се урне.
Во пракса, галванските премази на металите се користат првенствено за заштита од корозија и за добивање сјај како огледало.
Покрај тоа, металите, особено бакарот и оловото, се прочистуваат со анодна растворање и последователно одвојување на катодата (електролитичко рафинирање).
За да го обложите железото со бакар или никел, прво мора темелно да ја исчистите површината на предметот. За да го направите ова, полирајте го со измиена креда и последователно обезмастете го со разреден раствор на каустична сода, вода и алкохол. Ако предметот е покриен со 'рѓа, треба однапред да го киселите во 10-15% раствор на сулфурна киселина.
Исчистениот производ го закачуваме во електролитичка бања (мал аквариум или чаша), каде што ќе служи како катода.
Растворот за нанесување на бакарна обвивка содржи 250 g бакар сулфат и 80-100 g концентрирана сулфурна киселина во 1 литар вода (Внимание!). Во овој случај, бакарната плоча ќе служи како анода. Површината на анодата треба да биде приближно еднаква на површината на предметот што се обложува. Затоа, секогаш мора да се осигурате дека бакарната анода виси во бањата на иста длабочина како и катодата.
Процесот ќе се изведува на напон од 3-4 V (две батерии) и густина на струја од 0,02-0,4 A/cm 2. Температурата на растворот во бањата треба да биде 18-25 °C.
Да обрнеме внимание на фактот дека рамнината на анодата и површината што треба да се обложи се паралелни една со друга. Подобро е да не се користат предмети со сложени форми. Со менување на времетраењето на електролизата, можно е да се добијат бакарни облоги со различни дебелини.
Честопати тие прибегнуваат кон прелиминарно бакарно обложување со цел да нанесат издржлива обвивка од друг метал на овој слој. Ова особено често се користи при хромирање на железо, никелско леење со цинк и во други случаи. Точно, за оваа намена се користат многу отровни цијанидни електролити.
За да се подготви електролит за обложување со никел, растворете 25 g кристален никел сулфат, 10 g борна киселина или 10 g натриум цитрат во 450 ml вода. Можете сами да подготвите натриум цитрат со неутрализирање на раствор од 10 g лимонска киселинаразреден раствор на натриум хидроксид или раствор на сода. Нека анодата е плоча од никел со најголема можна површина и земете ја батеријата како извор на напон.
Користејќи променлив отпор, ќе ја одржиме густината на струјата еднаква на 0,005 A/cm 2. На пример, со површина на предметот од 20 cm 2, треба да работите со моментална јачина од 0,1 A. По половина час работа, предметот веќе ќе биде обложен со никел. Ајде да го извадиме од бањата и да го избришеме со крпа. Сепак, подобро е да не се прекине процесот на обложување со никел, бидејќи тогаш никелскиот слој може да се пасивизира и последователната обвивка од никел нема добро да се залепи.
За да постигнеме сјај на огледало без механичко полирање, во галванската бања внесуваме таканаречен додаток кој формира сјај. Таквите адитиви вклучуваат, на пример, лепак, желатин, шеќер. Можете да додадете, на пример, неколку грама шеќер во никел бања и да го проучите неговото дејство.
За да се подготви електролит за хромирање на железо (по прелиминарното бакарно обложување), растворете 40 g анхидрид на хромна киселина CrO 3 (Внимание! Отров!) и точно 0,5 g сулфурна киселина (во никој случај повеќе!) во 100 ml вода. . Процесот се случува со густина на струја од околу 0,1 A/cm 2, а како анода се користи оловна плоча, чија површина треба да биде нешто помала од површината на хромираната површина.
Никел и хром бањи најдобро се загреваат малку (до околу 35 ° C). Ве молиме имајте предвид дека електролитите за хромирање, особено за време на долг процес и висока јачинаструја, испуштаат испарувања кои содржат хромна киселина, кои се многу штетни за здравјето. Затоа, хромирањето треба да се врши под влечење или на отворено, на пример на балкон.
При хромирање (и во помала мера, обложување со никел), не се користи целата струја за таложење на метал. Во исто време, водородот се ослободува. Врз основа на голем број напони, би се очекувало металите пред водородот воопшто да не се ослободуваат од водените раствори, туку напротив да се ослободува помалку активен водород. Меѓутоа, овде, како и кај анодното растворање на металите, катодната еволуција на водородот често е инхибирана и се забележува само кога висок напон. Овој феномен се нарекува пренапон на водород и е особено голем, на пример, на олово. Благодарение на оваа околност, оловно-киселинската батерија може да функционира. При полнење на батеријата, наместо PbO 2, водородот треба да се појави на катодата, но, поради пренапон, еволуцијата на водородот започнува кога батеријата е речиси целосно наполнета.

Потенцијалната разлика „електродна супстанција – раствор“ точно служи како квантитативна карактеристика на способноста на супстанцијата (и метали инеметали) влегуваат во раствор во форма на јони, т.е. карактерстабилност на OB способноста на јонот и неговата соодветна супстанција.

Оваа потенцијална разлика се нарекуваелектродниот потенцијал.

Сепак, директни методи за мерење на таквите потенцијални разликине постои, па се договоривме да ги дефинираме во однос натаканаречена стандардна водородна електрода, потенцијаal што конвенционално се зема како нула (често се нарекува иреферентна електрода). Стандардна водородна електрода се состои одод платина плоча потопена во раствор од киселина која содржиконцентрација на H јони + 1 mol/l и се мијат со проток на гасовитиводород под стандардни услови.

Појавата на потенцијал на стандардна водородна електрода може да се замисли на следниов начин. Водородниот гас, адсорбиран од платина, оди во атомска состојба:

H22H.

Состојба на динамичка рамнотежа се остварува помеѓу атомскиот водород формиран на површината на плочата, водородните јони во растворот и платината (електрони!):

HH + + e.

Целокупниот процес се изразува со равенката:

H 2 2H + + 2e.

Платина не учествува во редокс реакцииИ тив процес, но е само носител на атомски водород.

Ако плоча од одреден метал, потопена во раствор од неговата сол со концентрација на метални јони еднаква на 1 mol/l, се приклучи на стандардна водородна електрода, се добива галванска ќелија. Електромоторна сила на овој елемент(EMF), мерено на 25° C, го карактеризира стандардниот електроден потенцијал на металот, обично означен како E 0 .

Во однос на системот H 2 / 2H +, некои супстанции ќе се однесуваат како оксидирачки агенси, други како редуцирачки агенси. Во моментов, стандардни потенцијали се добиени за речиси сите метали и многу неметали, кои ја карактеризираат релативната способност на редукционите или оксидирачките агенси да донираат или заробуваат електрони.

Потенцијалите на електродите кои делуваат како редуцирачки агенси во однос на водородот имаат знак „-“, а знакот „+“ ги означува потенцијалите на електродите кои се оксидирачки агенси.

Ако ги подредиме металите по зголемен редослед на нивните стандардни електродни потенцијали, тогаш т.н електрохемиска напонска серија на метали:

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.

Се карактеризираат голем број на стресови Хемиски својстваметали

1. Колку е понегативен електродниот потенцијал на металот, толку е поголема неговата редуцирачка способност.

2. Секој метал е способен да ги измести (намалува) од солените раствори оние метали кои се во низата метални напрегања по него. Единствен исклучок се алкалните и земноалкалните метали, кои нема да ги редуцираат јоните на другите метали од растворите на нивните соли. Ова се должи на фактот дека во овие случаи реакциите на металите со вода се случуваат со поголема брзина.

3. Сите метали кои имаат негативен стандарден електроден потенцијал, т.е. оние што се наоѓаат во напонската серија на метали лево од водородот се способни да го поместат од киселинските раствори.

Треба да се напомене дека презентираната серија го карактеризира однесувањето на металите и нивните соли само во водени раствори, бидејќи потенцијалите ги земаат предвид особеностите на интеракцијата на одреден јон со молекулите на растворувачите. Затоа електрохемиската серија започнува со литиум, додека хемиски поактивните рубидиум и калиум се наоѓаат десно од литиумот. Ова се должи на исклучително високата енергија на процесот на хидратација на јоните на литиум во споредба со јоните на другите алкални метали.

Алгебарската вредност на стандардниот редокс потенцијал ја карактеризира оксидативната активност на соодветната оксидирана форма. Затоа, споредбата на вредностите на стандардните редокс потенцијали ни овозможува да одговориме на прашањето: дали се случува оваа или онаа редокс реакција?

Така, сите полу-реакции на оксидација на халидни јони до слободни халогени

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

2 Br – -2e = V r 2 E 0 = -1,07 V (2)

2I – -2 e = I 2 E 0 = -0,54 V (3)

може да се имплементира под стандардни услови кога се користи оловниот оксид како оксидирачки агенс ( IV ) (E 0 = 1,46 V) или калиум перманганат (E 0 = 1,52 V). Кога се користи калиум дихромат (Е 0 = 1,35 V) може да се спроведат само реакциите (2) и (3). Конечно, употребата на азотна киселина како оксидирачки агенс (Е 0 = 0,96 V) дозволува само полу-реакција која вклучува јодидни јони (3).

Така, квантитативниот критериум за проценка на можноста за појава на одредена редокс реакција е позитивна вредностразлики во стандардните редокс потенцијали на полуреакции на оксидација и редукција.

Металите кои лесно реагираат се нарекуваат активни метали. Тие вклучуваат алкали, метали од алкална земја и алуминиум.

Позиција во периодниот систем

Металните својства на елементите се намалуваат од лево кон десно во периодниот систем. Затоа, елементите на групите I и II се сметаат за најактивни.

Ориз. 1. Активни метали во периодниот систем.

Сите метали се редуцирачки агенси и лесно се разделуваат со електроните на надворешното енергетско ниво. Активните метали имаат само еден или два валентни електрони. Во овој случај, металните својства се зголемуваат од врвот до дното со зголемување на бројот на нивоа на енергија, бидејќи Колку електронот е подалеку од јадрото на атомот, толку полесно ќе се оддели.

Алкалните метали се сметаат за најактивни:

литиум;
натриум;
калиум;
рубидиум;
цезиум;
француски

Алкалните земјени метали вклучуваат:

берилиум;
магнезиум;
калциум;
стронциум;
бариум;
радиум.

Степенот на активност на металот може да се определи со електрохемиската серија на метални напони. Колку подалеку од водородот се наоѓа елементот, толку е поактивен. Металите десно од водородот се неактивни и можат да реагираат само со концентрирани киселини.

Ориз. 2. Електрохемиска серија на напони на метали.

Списокот на активни метали во хемијата го вклучува и алуминиумот, кој се наоѓа во групата III и лево од водородот. Сепак, алуминиумот е на границата на активните и средно активните метали и не реагира со некои супстанции во нормални услови.

Својства

Активните метали се меки (може да се сечат со нож), лесни и имаат ниска точка на топење.

Главните хемиски својства на металите се претставени во табелата.

Реакција	Равенката	Исклучок
Алкалните метали спонтано се палат во воздухот кога се во интеракција со кислород	K + O 2 → KO 2	Литиумот реагира со кислород само на високи температури
Земјено алкалните метали и алуминиумот формираат оксидни фолии во воздухот и спонтано се палат кога се загреваат	2Ca + O 2 → 2CaO
Реагирајте со едноставни материи за да формирате соли	Ca + Br 2 → CaBr 2; - 2Al + 3S → Al 2 S 3	Алуминиумот не реагира со водород
Бурно реагирајте со вода, формирајќи алкалии и водород	- Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2	Реакцијата со литиум е бавна. Алуминиумот реагира со вода само по отстранувањето на оксидниот филм
Реагирајте со киселини за да формирате соли	Ca + 2HCl → CaCl2 + H2; 2K + 2HMnO 4 → 2KMnO 4 + H 2
Интеракција со раствори на сол, прво реагирајќи со вода, а потоа со сол	2Na + CuCl 2 + 2H 2 O: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; - 2NaOH + CuCl 2 → Cu(OH) 2 ↓ + 2NaCl

Активните метали лесно реагираат, па во природата ги има само во мешавини - минерали, карпи.

Ориз. 3. Минерали и чисти метали.

Што научивме?

Активните метали вклучуваат елементи од групите I и II - алкални и земноалкални метали, како и алуминиум. Нивната активност е одредена од структурата на атомот - неколку електрони лесно се одвојуваат од надворешното енергетско ниво. Тоа се меки лесни метали кои брзо реагираат со едноставни и сложени материи, формирајќи оксиди, хидроксиди и соли. Алуминиумот е поблиску до водородот и неговата реакција со супстанции бара дополнителни услови - високи температури, уништување на оксидниот филм.

Тест на темата

Евалуација на извештајот

Просечна оцена: 4.4. Вкупно добиени оценки: 388.

Електрохемиска активност серија на метали(серија на напони, низа стандардни електродни потенцијали) - низа во која металите се распоредени по зголемен редослед на нивните стандардни електрохемиски потенцијали φ 0, што одговара на полуреакција на редукција на металниот катјон Me n+: Me n+ + nē → Јас

Практична употреба на серијата активности на метали

Во практиката се користат голем број на напони за компаративна проценка на хемиската активност на металите при реакции со водени раствори на соли и киселини и за проценка на катодни и анодни процеси при електролиза:

Металите лево од водородот се посилни редукциони агенси од металите десно: тие го поместуваат вториот од растворите на сол. На пример, интеракцијата Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu е можна само во насока напред.
Металите во редот лево од водородот го поместуваат водородот кога се во интеракција со водени раствори на неоксидирачки киселини; најактивните метали (до и вклучувајќи алуминиум) - и при интеракција со вода.
Металите од серијата десно од водородот не комуницираат со водени раствори на неоксидирачки киселини во нормални услови.
За време на електролизата, металите десно од водородот се ослободуваат на катодата; намалувањето на умерено активните метали е придружено со ослободување на водород; Најактивните метали (до алуминиум) не можат да се изолираат од водени раствори на сол во нормални услови.

Алкалните метали се сметаат за најактивни:

литиум;
натриум;
калиум;
рубидиум;
цезиум;
француски

Сите метали, во зависност од нивната редокс активност, се комбинираат во серија наречена електрохемиска метална напонска серија (бидејќи металите во неа се распоредени по редослед на зголемување на стандардните електрохемиски потенцијали) или серија на метална активност:

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

Хемиски најактивните метали се во сериите на активност до водород, а колку повеќе лево се наоѓа металот, толку е поактивен. Металите кои го заземаат местото по водородот во серијата активности се сметаат за неактивни.

Алуминиум

Алуминиумот е сребрено-бела боја. Основни физички својстваалуминиум - леснотија, висока топлинска и електрична спроводливост. Во слободна состојба, кога е изложен на воздух, алуминиумот е покриен со издржлив филм од Al 2 O 3 оксид, што го прави отпорен на дејството на концентрирани киселини.

Алуминиумот припаѓа на п-фамилијата на метали. Електронската конфигурација на надворешното енергетско ниво е 3s 2 3p 1. Во неговите соединенија, алуминиумот покажува состојба на оксидација од „+3“.

Алуминиумот се произведува со електролиза на стопениот оксид на овој елемент:

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

Меѓутоа, поради нискиот принос на производот, почесто се користи методот на производство на алуминиум со електролиза на мешавина од Na 3 и Al 2 O 3. Реакцијата се јавува при загревање на 960C и во присуство на катализатори - флуориди (AlF 3, CaF 2 итн.), додека ослободувањето на алуминиум се случува на катодата, а кислородот се ослободува на анодата.

Алуминиумот е способен да комуницира со вода откако ќе го отстрани оксидниот филм од неговата површина (1), да комуницира со едноставни супстанции (кислород, халогени, азот, сулфур, јаглерод) (2-6), киселини (7) и бази (8):

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)

Калциум

Во својата слободна форма, Ca е сребрено-бел метал. Кога е изложен на воздух, тој веднаш се покрива со жолтеникава фолија, што е производ на неговата интеракција со компонентите на воздухот. Калциумот е прилично тврд метал и има кубна кристална решетка насочена кон лицето.

Електронската конфигурација на надворешното енергетско ниво е 4s 2. Во неговите соединенија, калциумот покажува состојба на оксидација од „+2“.

Калциумот се добива со електролиза на стопени соли, најчесто хлориди:

CaCl 2 = Ca + Cl 2

Калциумот е способен да се раствори во вода за да формира хидроксиди, покажувајќи силни основни својства (1), реагира со кислород (2), формира оксиди, комуницира со неметали (3-8), се раствора во киселини (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)

Железото и неговите соединенија

Железото е сив метал. ВО чиста форматој е прилично мек, податлив и вискозен. Електронската конфигурација на надворешното енергетско ниво е 3d 6 4s 2. Во неговите соединенија, железото покажува оксидациски состојби „+2“ и „+3“.

Металното железо реагира со водена пареа, формирајќи мешан оксид (II, III) Fe 3 O 4:

3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2

Во воздухот, железото лесно се оксидира, особено во присуство на влага (рѓа):

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

Како и другите метали, железото реагира со едноставни материи, на пример, халогени (1) и се раствора во киселини (2):

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

Железото формира цел спектар на соединенија, бидејќи покажува неколку оксидациски состојби: железо (II) хидроксид, железо (III) хидроксид, соли, оксиди итн. Така, железо (II) хидроксид може да се добие со дејство на алкални раствори на соли на железо (II) без пристап до воздух:

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

Железо (II) хидроксид е растворлив во киселини и оксидира до железо (III) хидроксид во присуство на кислород.

Солите на железото (II) покажуваат својства на редуцирачки агенси и се претвораат во соединенија на железо (III).

Железо (III) оксид не може да се добие со согорување на железо во кислород за да се добие, неопходно е да се согорат железни сулфиди или да се калцинираат други железни соли:

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

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

Соединенијата на железото (III) покажуваат слаби оксидирачки својства и се способни да влезат во редокс реакции со силни редукциони агенси:

2FeCl 3 + H 2 S = Fe(OH) 3 ↓ + 3NaCl

Производство на железо и челик

Челиките и леаните железа се легури на железо и јаглерод, со содржина на јаглерод во челик до 2%, а во леано железо 2-4%. Челиците и леаните железа содржат адитиви за легирање: челици – Cr, V, Ni и леано железо – Si.

Истакнете Различни видовиЧеликите, на пример, се поделени на структурни, не'рѓосувачки, алат, отпорни на топлина и криогени челици според нивната намена. Врз основа на нивниот хемиски состав, тие се поделени на јаглерод (ниско-, среден- и високо-јаглерод) и легирани (ниско-, средно- и високо-легура). Во зависност од структурата, се разликуваат аустенитни, феритни, мартензитни, перлитни и баинитни челици.

Челиците нашле примена во многу сектори на националната економија, како што се градежништвото, хемиските, петрохемиските, безбедноста животната средина, транспортна енергија и други индустрии.

Во зависност од формата на содржината на јаглерод во леано железо - цементит или графит, како и нивната количина, се разликуваат неколку видови леано железо: бела (светла боја на фрактурата поради присуство на јаглерод во форма на цементит), сива (сива боја на фрактурата поради присуство на јаглерод во форма на графит), податлив и отпорен на топлина. Леаните железа се многу кршливи легури.

Областите на примена на леано железо се обемни - уметнички украси (огради, порти), делови за кабинет, водоводна опрема, предмети за домаќинството (тави) се направени од леано железо, а се користи во автомобилската индустрија.

Примери за решавање проблеми

ПРИМЕР 1

Вежбајте

Легура на магнезиум и алуминиум со тежина од 26,31 g била растворена во хлороводородна киселина. Во овој случај испуштени се 31.024 литри безбоен гас. Определете ги масените фракции на металите во легурата.

Решение

Двата метали се способни да реагираат со хлороводородна киселина, што резултира со ослободување на водород:

Mg +2HCl = MgCl 2 + H 2

2Al +6HCl = 2AlCl3 + 3H2

Да го најдеме вкупниот број на ослободени молови водород:

v(H2) =V(H2)/V m

v(H 2) = 31,024/22,4 = 1,385 mol

Нека количината на супстанцијата Mg е x mol, а Al е y mol. Потоа, врз основа на равенките на реакцијата, можеме да го напишеме изразот за вкупниот број на молови водород:

x + 1,5y = 1,385

Да ја изразиме масата на металите во смесата:

Потоа, масата на смесата ќе се изрази со равенката:

24x + 27y = 26,31

Добивме систем на равенки:

x + 1,5y = 1,385

24x + 27y = 26,31

Ајде да го решиме:

33,24 -36г+27г = 26,31

v(Al) = 0,77 mol

v(Mg) = 0,23 mol

Тогаш, масата на металите во смесата е: