Քիմիայի մեջ մետաղների տեղաշարժի աղյուսակ. Մետաղների լարումների էլեկտրաքիմիական շարք. Մետաղների տեղաշարժը աղերից այլ մետաղներով: Մետաղների օքսիդացման արտադրանք թթվային լուծույթներում
Էլեկտրաքիմիական բջիջում (գալվանական բջիջ) իոնների ձևավորումից հետո մնացած էլեկտրոնները հանվում են մետաղական մետաղալարով և վերամիավորվում տարբեր տեսակի իոնների հետ: Այսինքն՝ արտաքին շղթայում լիցքը տեղափոխվում է էլեկտրոններով, իսկ բջիջի ներսում՝ էլեկտրոլիտի միջոցով, որի մեջ ընկղմված են մետաղական էլեկտրոդները՝ իոններով։ Այսպիսով, ստացվում է փակ էլեկտրական միացում:
Էլեկտրաքիմիական բջիջում չափված պոտենցիալ տարբերությունը, o մետաղներից յուրաքանչյուրի էլեկտրոններ նվիրաբերելու ունակության տարբերության պատճառով։ Յուրաքանչյուր էլեկտրոդ ունի իր սեփական պոտենցիալը, յուրաքանչյուր էլեկտրոդ-էլեկտրոլիտային համակարգ կիսաբջջ է, և ցանկացած երկու կիսաբջիջ կազմում են էլեկտրաքիմիական բջիջ: Մեկ էլեկտրոդի պոտենցիալը կոչվում է կես բջջի պոտենցիալ, այն կորոշի էլեկտրոդի էլեկտրոններ նվիրաբերելու ունակությունը: Ակնհայտ է, որ յուրաքանչյուր կես տարրի պոտենցիալը կախված չէ մեկ այլ կես տարրի առկայությունից և դրա ներուժից: Կես բջջային ներուժը որոշվում է էլեկտրոլիտում իոնների կոնցենտրացիայից և ջերմաստիճանից:
Որպես «զրոյական» կիսատարր ընտրվել է ջրածինը. Ենթադրվում է, որ դրա համար աշխատանք չի կատարվում, երբ էլեկտրոնը ավելացվում կամ հեռացվում է իոն ձևավորելու համար: Պոտենցիալի «զրոյական» արժեքն անհրաժեշտ է՝ հասկանալու համար բջջի երկու կիսամյակային տարրերից յուրաքանչյուրի՝ էլեկտրոններ տալու և ստանալու հարաբերական կարողությունը։
Ջրածնի էլեկտրոդի նկատմամբ չափված կիսաբջջի պոտենցիալները կոչվում են ջրածնի սանդղակ։ Եթե էլեկտրաքիմիական բջջի մի կեսում էլեկտրոններ նվիրաբերելու թերմոդինամիկական հակվածությունն ավելի բարձր է, քան մյուսում, ապա առաջին կիսամյակի պոտենցիալն ավելի բարձր է, քան երկրորդի պոտենցիալը։ Պոտենցիալ տարբերության ազդեցության տակ տեղի կունենա էլեկտրոնի հոսք: Երբ երկու մետաղներ միավորվում են, հնարավոր է պարզել դրանց պոտենցիալ տարբերությունը և էլեկտրոնի հոսքի ուղղությունը:
Էլեկտրապոզիտիվ մետաղը էլեկտրոններ ընդունելու ավելի բարձր կարողություն ունի, ուստի այն կլինի կաթոդիկ կամ ազնիվ: Մյուս կողմից, կան էլեկտրաբացասական մետաղներ, որոնք ունակ են ինքնաբերաբար նվիրաբերել էլեկտրոններ։ Այս մետաղները ռեակտիվ են և, հետևաբար, անոդիկ.
- → 0 → +
Al Mn Zn Fe Sn Pb H 2 Cu Ag Au
Օրինակ, Cu ավելի հեշտ նվիրաբերել էլեկտրոնները Ag, բայց ավելի վատ, քան Fe . Պղնձի էլեկտրոդի առկայության դեպքում արծաթե ոչները կսկսեն միավորվել էլեկտրոնների հետ, ինչը կհանգեցնի պղնձի իոնների ձևավորմանը և մետաղական արծաթի տեղումներին.
2 Ag + + Cu → Cu 2+ + 2 Ag
Այնուամենայնիվ, նույն պղինձը ավելի քիչ ռեակտիվ է, քան երկաթը: Երբ մետաղական երկաթը շփվում է պղնձի հետ, այն կտեղավորվի, և երկաթը կմտնի լուծույթ.
Fe + Cu 2+ → Fe 2+ + Cu.
Կարելի է ասել, որ պղինձը երկաթի նկատմամբ կաթոդիկ մետաղ է, իսկ արծաթի համեմատ՝ անոդ մետաղ։
Ստանդարտ էլեկտրոդի պոտենցիալը համարվում է ամբողջությամբ զտված մաքուր մետաղի կիսախցիկի պոտենցիալը, որպես էլեկտրոդ, որը շփվում է իոնների հետ 25 0 C ջերմաստիճանում: Այս չափումների ժամանակ ջրածնի էլեկտրոդը գործում է որպես հղման էլեկտրոդ: Երկվալենտ մետաղի դեպքում համապատասխան էլեկտրաքիմիական խցում տեղի ունեցող ռեակցիան կարելի է գրել.
M + 2H +→ M 2+ + H 2:
Եթե մետաղները դասավորված են իրենց ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալների նվազման կարգով, ապա ստացվում է այսպես կոչված մետաղական լարումների էլեկտրաքիմիական շարքը (Աղյուսակ 1):
Աղյուսակ 1. Մետաղների լարումների էլեկտրաքիմիական շարք
|
Մետաղ-իոնային հավասարակշռություն (մեկ ակտիվություն) |
Էլեկտրոդի պոտենցիալը ջրածնի էլեկտրոդի համեմատ 25°С, V (կրճատման պոտենցիալ) |
|
|
վեհ կամ կաթոդիկ |
Au-Au 3+ |
1,498 |
|
Pt-Pt 2+ |
||
|
Pd-Pd 2+ |
0,987 |
|
|
Ag-Ag+ |
0,799 |
|
|
Hg-Hg 2+ |
0,788 |
|
|
Cu-Cu 2+ |
0,337 |
|
|
H 2 -H + |
||
|
Pb-Pb 2+ |
0,126 |
|
|
Sn-Sn 2+ |
0,140 |
|
|
Նի-Նի 2+ |
0,236 |
|
|
CoCo 2+ |
0,250 |
|
|
Cd-Cd 2+ |
0,403 |
|
|
Fe-Fe 2+ |
0,444 |
|
|
Cr-Cr 2+ |
0,744 |
|
|
Zn-Zn 2+ |
0,763 |
|
|
Ակտիվ |
Ալ-Ալ2+ |
1,662 |
|
Mg-Mg2+ |
2,363 |
|
|
Na-Na + |
2,714 |
|
|
K-K+ |
2,925 |
Օրինակ, պղինձ-ցինկ գալվանական բջիջում տեղի է ունենում էլեկտրոնի հոսք ցինկից պղինձ: Պղնձի էլեկտրոդը այս շղթայի դրական բևեռն է, իսկ ցինկի էլեկտրոդը բացասական բևեռն է: Որքան ավելի ռեակտիվ ցինկը կորցնում է էլեկտրոնները.
Zn → Zn 2+ + 2е - ; E°=+0,763 Վ.
Պղինձը ավելի քիչ ռեակտիվ է և ընդունում է էլեկտրոնները ցինկից.
Cu 2+ + 2е - → Cu; E°=+0,337 Վ.
Էլեկտրոդները միացնող մետաղալարի վրա լարումը կլինի.
0.763V + 0.337V = 1.1V:
Աղյուսակ 2. Որոշ մետաղների և համաձուլվածքների անշարժ պոտենցիալները ծովի ջրում սովորական ջրածնի էլեկտրոդի նկատմամբ (ԳՕՍՏ 9.005-72):
|
Մետաղ |
Ստացիոնար ներուժ, AT |
Մետաղ |
Ստացիոնար ներուժ, AT |
|
Մագնեզիում |
1,45 |
Նիկել (ակտիվկանգնած) |
0,12 |
|
Մագնեզիումի համաձուլվածք (6% Ալ, 3 % Zn, 0,5 % Mn) |
1,20 |
Պղնձի համաձուլվածքներ LMtsZh-55 3-1 |
0,12 |
|
Ցինկ |
0,80 |
փողային (30 % Zn) |
0,11 |
|
Ալյումինե խառնուրդ (10% Mn) |
0,74 |
Բրոնզե (5-10 % Ալ) |
0,10 |
|
Ալյումինե խառնուրդ (10% Zn) |
0,70 |
Կարմիր արույր (5-10 % Zn) |
0,08 |
|
Ալյումինե խառնուրդ K48-1 |
0,660 |
Պղինձ |
0,08 |
|
Ալյումինե խառնուրդ B48-4 |
0,650 |
Գուպրոնիկել (30%Նի) |
0,02 |
|
Ալյումինե խառնուրդ AMg5 |
0,550 |
Բրոնզե «Նևա» |
0,01 |
|
Ալյումինե խառնուրդ AMg61 |
0,540 |
Բրոնզե Բր. AJN 9-4-4 |
0,02 |
|
Ալյումինե |
0,53 |
Չժանգոտվող պողպատ X13 (պասիվ վիճակ) |
0,03 |
|
Կադմիում |
0,52 |
Նիկել (պասիվ վիճակ) |
0,05 |
|
Duralumin և ալյումինե խառնուրդ AMg6 |
0,50 |
Չժանգոտվող պողպատ X17 (պասիվ վիճակ) |
0,10 |
|
Երկաթ |
0,50 |
Տիտանի տեխնիկական |
0,10 |
|
Պողպատ 45G17Yu3 |
0,47 |
Արծաթե |
0,12 |
|
Պողպատ St4S |
0,46 |
Չժանգոտվող պողպատ 1X14ND |
0,12 |
|
SHL4 պողպատ |
0,45 |
Տիտանի յոդիդ |
0,15 |
|
AK տիպի պողպատ և ածխածնային պողպատ |
0,40 |
Չժանգոտվող պողպատ Kh18N9 (պասիվ վիճակ) և OH17N7Yu |
0,17 |
|
Մոխրագույն չուգուն |
0,36 |
Մոնել մետաղ |
0,17 |
|
Չժանգոտվող պողպատ X13 և X17 (ակտիվ վիճակ) |
0,32 |
Չժանգոտվող պողպատ Х18Н12М3 (պասիվ վիճակ) |
0,20 |
|
Նիկել պղնձի չուգուն (12-15%Նի, 5-7% Si) |
0,30 |
Չժանգոտվող պողպատ Х18Н10Т |
0,25 |
|
Առաջնորդել |
0,30 |
Պլատին |
0,40 |
|
Անագ |
0,25 |
Նշում . Պոտենցիալների նշված թվային արժեքները և մետաղների շարքը կարող են տարբեր աստիճանի տարբերվել՝ կախված մետաղների մաքրությունից, ծովի ջրի բաղադրությունից, օդափոխության աստիճանից և մակերևույթի վիճակից։ մետաղներ.
Վերականգնող հատկություններ- Սրանք բոլոր մետաղներին բնորոշ հիմնական քիմիական հատկություններն են։ Նրանք դրսևորվում են տարբեր օքսիդանտների հետ փոխազդեցության մեջ, ներառյալ շրջակա միջավայրի օքսիդանտները: Ընդհանուր առմամբ, մետաղի փոխազդեցությունը օքսիդացնող նյութերի հետ կարող է արտահայտվել սխեմայով.
Ես + Օքսիդատոր" Ես(+X),
Որտեղ (+X) Me-ի դրական օքսիդացման վիճակն է:
Մետաղների օքսիդացման օրինակներ.
Fe + O 2 → Fe (+3) 4Fe + 3O 2 \u003d 2 Fe 2 O 3
Ti + I 2 → Ti(+4) Ti + 2I 2 = TiI 4
Zn + H + → Zn(+2) Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2
Մետաղների գործունեության շարք
Մետաղների վերականգնող հատկությունները տարբերվում են միմյանցից։ Էլեկտրոդային պոտենցիալները E օգտագործվում են որպես մետաղների վերականգնող հատկությունների քանակական բնութագիր։
Որքան ակտիվ է մետաղը, այնքան ավելի բացասական է նրա ստանդարտ էլեկտրոդի պոտենցիալը E o:
Մետաղները, որոնք դասավորված են անընդմեջ, քանի որ դրանց օքսիդացման ակտիվությունը նվազում է, ստեղծում են ակտիվության շարք:
Մետաղների գործունեության շարք
| Ես | Լի | Կ | Ք.ա | Նա | մգ | Ալ | Մն | Zn | Քր | Ֆե | Նի | sn | Pb | Հ2 | Cu | Ագ | Ավ |
| Mez+ | Լի + | K+ | Ca2+ | Na+ | Mg2+ | Ալ 3+ | Mn2+ | Zn2+ | Cr3+ | Fe2+ | Ni2+ | sn 2+ | Pb 2+ | H+ | Cu2+ | Ag+ | Au 3+ |
| E o, B | -3,0 | -2,9 | -2,87 | -2,71 | -2,36 | -1,66 | -1,18 | -0,76 | -0,74 | -0,44 | -0,25 | -0,14 | -0,13 | 0 | +0,34 | +0,80 | +1,50 |
Մետաղի վերականգնումը նրա աղի լուծույթից ավելի բարձր վերականգնող ակտիվությամբ մեկ այլ մետաղի հետ կոչվում է ցեմենտացում։. Ցեմենտացումը կիրառվում է մետաղագործական տեխնոլոգիաներում։
Մասնավորապես, Cd-ն ստացվում է իր աղի ցինկով լուծույթից վերականգնելով։
Zn + Cd 2+ = Cd + Zn 2+
3.3. 1. Մետաղների փոխազդեցությունը թթվածնի հետ
Թթվածինը ուժեղ օքսիդացնող նյութ է: Այն կարող է օքսիդացնել մետաղների ճնշող մեծամասնությունը, բացառությամբԱվևՊտ . Օդի մեջ մետաղները շփվում են թթվածնի հետ, հետևաբար, մետաղների քիմիան ուսումնասիրելիս միշտ ուշադրություն է դարձվում թթվածնի հետ մետաղի փոխազդեցության առանձնահատկություններին։
Բոլորը գիտեն, որ խոնավ օդում երկաթը պատված է ժանգով` հիդրատացված երկաթի օքսիդով: Բայց ոչ շատ բարձր ջերմաստիճանում կոմպակտ վիճակում գտնվող շատ մետաղներ դիմադրություն են ցույց տալիս օքսիդացմանը, քանի որ դրանք իրենց մակերեսի վրա ձևավորում են բարակ պաշտպանիչ թաղանթներ: Օքսիդացման արտադրանքի այս թաղանթները թույլ չեն տալիս օքսիդացնող նյութին շփվել մետաղի հետ: Մետաղի մակերեսի վրա մետաղի օքսիդացումը կանխող պաշտպանիչ շերտերի առաջացման երեւույթը կոչվում է մետաղի պասիվացում։
Ջերմաստիճանի բարձրացումը նպաստում է թթվածնով մետաղների օքսիդացմանը. Մետաղների ակտիվությունը մեծանում է նուրբ բաժանված վիճակում։ Փոշու տեսքով մետաղների մեծ մասը այրվում է թթվածնի մեջ:
s-մետաղներ
Ցուցադրված է ամենամեծ վերականգնողական ակտիվությունըս- մետաղներ. Na, K, Rb Cs մետաղները ունակ են բռնկվել օդում, և դրանք պահվում են փակ տարաներում կամ կերոսինի շերտի տակ։ Be-ն և Mg-ը պասիվացվում են օդի ցածր ջերմաստիճաններում: Բայց երբ բռնկվում է, Mg շերտը այրվում է շլացուցիչ բոցով:
ՄետաղներIIA ենթախմբերը և Li-ն, թթվածնի հետ փոխազդելիս, առաջացնում են օքսիդներ.
2Ca + O 2 \u003d 2CaO
4 Li + O 2 \u003d 2 Li 2 O
Ալկալիական մետաղներ, բացիԼի, թթվածնի հետ փոխազդելիս առաջանում են ոչ թե օքսիդներ, այլ պերօքսիդներԵս 2 Օ 2 և սուպերօքսիդներMeO 2 .
2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2
K + O 2 = KO 2
p-մետաղներ
պատկանող մետաղներէջ- օդային բլոկին պասիվացված են:
Երբ այրվում է թթվածնի մեջ
- IIIA ենթախմբի մետաղները ձևավորում են տիպի օքսիդներ Ես 2 Օ 3,
- Sn-ը օքսիդացված է ՊՈԱԿ 2 , իսկ Pb - մինչեւ PbO
- Բին գնում է Bi 2 O 3.
դ-մետաղներ
Բոլորըդ- 4-րդ շրջանի մետաղները օքսիդանում են թթվածնով. Sc, Mn, Fe են ամենահեշտ օքսիդանում։ Հատկապես դիմացկուն է Ti, V, Cr կոռոզիայից:
Երբ այրվում է թթվածնի մեջ բոլորիցդ
Երբ այրվում է թթվածնի մեջ բոլորիցդ- 4-րդ շրջանի տարրերը, միայն սկանդիումը, տիտանը և վանադիումը կազմում են օքսիդներ, որոնցում Me-ն ամենաբարձր օքսիդացման վիճակում է՝ հավասար խմբի թվին։ 4-րդ շրջանի մնացած d-մետաղները, երբ այրվում են թթվածնի մեջ, ձևավորում են օքսիդներ, որոնցում Me-ը գտնվում է միջանկյալ, բայց կայուն օքսիդացման վիճակում։
Օքսիդների տեսակները, որոնք առաջանում են 4 ժամանակաշրջանի d-մետաղների կողմից թթվածնում այրման ժամանակ.
- Մեոձևից Zn, Cu, Ni, Co. (T>1000оС-ում Cu-ն կազմում է Cu 2 O),
- Ես 2 Օ 3, ձևավորել Cr, Fe և Sc,
- MeO 2 - Mn և Ti
- V-ն կազմում է ամենաբարձր օքսիդը. Վ 2 Օ 5 .
Երբ այրվում է թթվածնի մեջդ-5 և 6 շրջանների մետաղները, որպես կանոն, կազմում են ավելի բարձր օքսիդներ, Բացառություն են կազմում Ag, Pd, Rh, Ru մետաղները։
Օքսիդների տեսակները, որոնք առաջանում են 5 և 6 ժամանակաշրջանների d-մետաղների կողմից թթվածնում այրման ժամանակ.
- Ես 2 Օ 3- ձև Y, La; Rh;
- MeO 2- Zr, Hf; Ir:
- Ես 2 Օ 5- Nb, Ta;
- MeO 3- Մո, Վ
- Ես 2 Օ 7- Tc, Re
- Մեո 4 - Օս
- MeO- Cd, Hg, Pd;
- Ես 2 Օ- Ag;
Մետաղների փոխազդեցությունը թթուների հետ
Թթվային լուծույթներում ջրածնի կատիոնը օքսիդացնող նյութ է։. H + կատիոնը կարող է ակտիվության շարքի մետաղները օքսիդացնել ջրածնի, այսինքն. ունենալով բացասական էլեկտրոդների պոտենցիալ:
Շատ մետաղներ, երբ օքսիդացվում են թթվային ջրային լուծույթներում, շատերը վերածվում են կատիոններիՄեզ + .
Մի շարք թթուների անիոններ կարող են դրսևորել օքսիդացնող հատկություններ, որոնք ավելի ուժեղ են, քան H +-ը: Նման օքսիդացնող նյութերը ներառում են անիոններ և ամենատարածված թթուները Հ 2 ԱՅՍՊԵՍ 4 ևՀՆՕ 3 .
Անիոններ NO 3 - ցուցադրում են օքսիդացնող հատկություններ լուծույթում ցանկացած կոնցենտրացիայի դեպքում, սակայն վերականգնողական արտադրանքները կախված են թթվի կոնցենտրացիայից և օքսիդացված մետաղի բնույթից:
Անիոնները SO 4 2- ցուցադրում են օքսիդացնող հատկություններ միայն խտացված H 2 SO 4-ում:
Օքսիդատորի նվազեցման արտադրանք՝ H + , NO 3 - , ԱՅՍՊԵՍ 4 2 -
2H + + 2e - =Հ 2
ԱՅՍՊԵՍ 4
2-
կենտրոնացված H 2 SO 4-ից ԱՅՍՊԵՍ 4
2-
+ 2e -
+ 4
Հ +
=
ԱՅՍՊԵՍ 2
+ 2
Հ 2
Օ
(հնարավոր է նաև S, H 2 S-ի ձևավորում)
NO 3 - կենտրոնացված HNO 3-ից NO 3 - + էլ -
+2H+=
NO 2 + H 2 O
NO 3 - նոսրացված HNO 3-ից NO 3 - + 3e -
+4H+=NO + 2H 2 O
(Հնարավոր է նաև ձևավորել N 2 O, N 2, NH 4 +)
Թթուների հետ մետաղների փոխազդեցության ռեակցիաների օրինակներ
Zn + H 2 SO 4 (ռազբ.) «ZnSO 4 + H 2
8Al + 15H 2 SO 4 (գ.) «4Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 S + 12H 2 O
3Ni + 8HNO 3 (դեբ.) » 3Ni(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
Cu + 4HNO 3 (գ.) «Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Մետաղների օքսիդացման արտադրանք թթվային լուծույթներում
Ալկալիական մետաղները կազմում են Me + տիպի կատիոն, երկրորդ խմբի s-մետաղները՝ կատիոններԵս 2+.
p-բլոկային մետաղները, երբ լուծվում են թթուներում, կազմում են աղյուսակում նշված կատիոնները:
Pb և Bi մետաղները լուծվում են միայն ազոտական թթուում։
| Ես | Ալ | Գա | Մեջ | Թլ | sn | Pb | Բի |
| Mez+ | Ալ 3+ | Ga3+ | 3+-ում | Tl + | sn 2+ | Pb 2+ | Bi 3+ |
| Էօ, Բ | -1,68 | -0,55 | -0,34 | -0,34 | -0,14 | -0,13 | +0,317 |
Բոլոր դ-մետաղները 4 ժամանակաշրջան բացառությամբ Cu , կարող է օքսիդանալ իոններովH+ թթվային լուծույթներում:
D-մետաղներով առաջացած կատիոնների տեսակները 4 պարբերաշրջան.
- Ես 2+(ձևավորել d-մետաղներ, որոնք տատանվում են Mn-ից մինչև Cu)
- Ես 3+ ( Sc, Ti, V, Cr և Fe ձևավորում են ազոտական թթուում):
- Ti-ն և V-ն նույնպես կազմում են կատիոններ MeO 2+
Թթվային լուծույթներում H +-ը կարող է օքսիդանալ՝ Y, La, Cd:
HNO 3-ում կարող են լուծվել՝ Cd, Hg, Ag. Տաք HNO 3-ը լուծում է Pd, Tc, Re:
Տաք H 2 SO 4-ում լուծվում են Ti, Zr, V, Nb, Tc, Re, Rh, Ag, Hg:
Մետաղները՝ Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W սովորաբար լուծվում են HNO 3 + HF խառնուրդում։
Aqua regia-ում (HNO 3 + HCl խառնուրդներ) Zr, Hf, Mo, Tc, Rh, Ir, Pt, Au և Os կարող են լուծվել դժվարությամբ: Մետաղների տարրալուծման պատճառը ջրային ռեգիաում կամ HNO 3 + HF խառնուրդում բարդ միացությունների առաջացումն է։
Օրինակ. Aqua regia-ում ոսկու տարրալուծումը հնարավոր է դառնում բարդույթի ձևավորման շնորհիվ.
Au + HNO 3 + 4HCl \u003d H + NO + 2H 2 O
Մետաղների փոխազդեցությունը ջրի հետ
Ջրի օքսիդացնող հատկությունները պայմանավորված են H(+1).
2H 2 O + 2e -" Հ 2 + 2OH -
Քանի որ H + կոնցենտրացիան ջրի մեջ ցածր է, դրա օքսիդացնող հատկությունները ցածր են: Մետաղները կարող են լուծվել ջրի մեջԵ< - 0,413 B. Число металлов, удовлетворяющих этому условию, значительно больше, чем число металлов, реально растворяющихся в воде. Причиной этого является образование на поверхности большинства металлов плотного слоя оксида, нерастворимого в воде. Если оксиды и гидроксиды металла растворимы в воде, то этого препятствия нет, поэтому щелочные и щелочноземельные металлы энергично растворяются в воде. Բոլորըս- մետաղներ, բացիԵղեք և Մգ հեշտությամբ լուծվում է ջրի մեջ:
2 Նա + 2 ՀՈՀ = Հ 2 + 2 Օ՜ -
Na-ն ակտիվորեն արձագանքում է ջրի հետ՝ ազատելով ջերմություն։ Արտանետվող H 2-ը կարող է բռնկվել:
2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O
Mg-ը լուծվում է միայն եռացող ջրի մեջ, Be-ն պաշտպանված է օքսիդացումից իներտ չլուծվող օքսիդով
p-բլոկ մետաղները պակաս հզոր վերականգնող նյութեր են, քանս.
P-մետաղների մեջ վերականգնող ակտիվությունն ավելի բարձր է IIIA ենթախմբի մետաղների համար, Sn-ը և Pb-ն թույլ վերականգնող նյութեր են, Bi-ն ունի Eo > 0:
p-մետաղները նորմալ պայմաններում չեն լուծվում ջրում. Երբ պաշտպանիչ օքսիդը մակերեսից լուծվում է ալկալային լուծույթներում, Al, Ga և Sn-ը օքսիդանում են ջրով։
Դ–մետաղներից օքսիդանում են ջրովերբ տաքացվում է Sc և Mn, La, Y. Երկաթը փոխազդում է ջրային գոլորշու հետ:
Մետաղների փոխազդեցությունը ալկալային լուծույթների հետ
Ալկալային լուծույթներում ջուրը գործում է որպես օքսիդացնող նյութ:.
2H 2 O + 2e - \u003dH 2 + 2OH - Eo \u003d - 0,826 B (pH \u003d 14)
Ջրի օքսիդացնող հատկությունները նվազում են pH-ի բարձրացման հետ՝ կապված H +-ի կոնցենտրացիայի նվազման հետ: Այնուամենայնիվ, որոշ մետաղներ, որոնք չեն լուծվում ջրում, լուծվում են ալկալային լուծույթներում,օրինակ՝ Al, Zn և մի քանի ուրիշներ։ Ալկալային լուծույթներում նման մետաղների լուծարման հիմնական պատճառն այն է, որ այդ մետաղների օքսիդներն ու հիդրօքսիդները ամֆոտեր են և լուծվում են ալկալիներում՝ վերացնելով օքսիդացնող նյութի և վերականգնող նյութի միջև եղած արգելքը։
Օրինակ. Al-ի տարրալուծումը NaOH լուծույթում:
2Al + 3H 2 O + 2NaOH + 3H 2 O \u003d 2Na + 3H 2
«Էլեկտրոդային նյութ-լուծույթ» պոտենցիալ տարբերությունը պարզապես ծառայում է որպես նյութի կարողության քանակական բնութագիր (ինչպես մետաղներ, այնպես էլ.ոչ մետաղներ) լուծույթի մեջ են անցնում իոնների տեսքով, այսինքն. կերպարներիոնի և դրա համապատասխան նյութի OB ունակությամբ:
Այս պոտենցիալ տարբերությունը կոչվում էէլեկտրոդի ներուժը.
Այնուամենայնիվ, ուղղակի մեթոդներ նման պոտենցիալ տարբերությունը չափելու համարգոյություն չունի, ուստի մենք պայմանավորվեցինք դրանք սահմանել առնչությամբայսպես կոչված ստանդարտ ջրածնի էլեկտրոդը, պոտենցիալըորի արժեքը պայմանականորեն ընդունվում է որպես զրո (հաճախ նաև կոչվում էտեղեկատու էլեկտրոդ): Ստանդարտ ջրածնի էլեկտրոդը բաղկացած էթթվային լուծույթի մեջ ընկղմված պլատինե ափսեից կոնիոնների կոնցենտրացիան H + 1 մոլ/լ և լվացվում է գազային շիթովջրածին ստանդարտ պայմաններում.
Ստանդարտ ջրածնի էլեկտրոդում պոտենցիալի առաջացումը կարելի է պատկերացնել հետևյալ կերպ. Գազային ջրածինը, ներծծվելով պլատինի կողմից, անցնում է ատոմային վիճակի.
H22H.
Թիթեղի մակերևույթի վրա ձևավորված ատոմային ջրածնի, լուծույթում ջրածնի իոնների և պլատինի (էլեկտրոնների!) միջև տեղի է ունենում դինամիկ հավասարակշռության վիճակ.
H H + + e.
Ընդհանուր գործընթացը արտահայտվում է հավասարմամբ.
H 2 2H + + 2e.
Պլատինը չի մասնակցում ռեդոքսինև գործընթաց, բայց միայն ատոմային ջրածնի կրող է։
Եթե ինչ-որ մետաղի ափսե, որը ընկղմված է դրա աղի լուծույթի մեջ, որի կոնցենտրացիայով մետաղական իոնները հավասար են 1 մոլ/լ, միացված է ստանդարտ ջրածնի էլեկտրոդին, ապա կստացվի գալվանական բջիջ: Այս տարրի էլեկտրաշարժիչ ուժը(EMF), որը չափվում է 25 ° C-ում և բնութագրում է մետաղի ստանդարտ էլեկտրոդային ներուժը, որը սովորաբար նշվում է որպես E 0:
H 2 / 2H + համակարգի հետ կապված որոշ նյութեր իրենց կպահեն որպես օքսիդացնող նյութեր, մյուսները՝ որպես վերականգնող նյութեր: Ներկայումս ձեռք են բերվել գրեթե բոլոր մետաղների և շատ ոչ մետաղների ստանդարտ պոտենցիալները, որոնք բնութագրում են էլեկտրոններ նվիրաբերելու կամ գրավելու վերականգնող կամ օքսիդացնող նյութերի հարաբերական կարողությունը։
Էլեկտրոդների պոտենցիալները, որոնք գործում են որպես վերականգնող նյութեր ջրածնի նկատմամբ, ունեն «-» նշանը, իսկ «+» նշանը նշում է էլեկտրոդների պոտենցիալները, որոնք օքսիդացնող նյութեր են:
Եթե մետաղները դասավորեք իրենց ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալների աճման կարգով, ապա այսպես կոչված մետաղների էլեկտրաքիմիական լարման շարք:
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, V i , С u , Hg , А g , Р d , Р t , А u .
Մի շարք լարումներ բնութագրում են մետաղների քիմիական հատկությունները։
1. Որքան բացասական է մետաղի էլեկտրոդային պոտենցիալը, այնքան մեծ է նրա նվազեցման կարողությունը։
2. Յուրաքանչյուր մետաղ ի վիճակի է աղի լուծույթներից տեղահանել (վերականգնել) այն մետաղները, որոնք գտնվում են իրենից հետո մետաղական լարումների շարքում։ Բացառություն են կազմում միայն ալկալային և հողալկալիական մետաղները, որոնք չեն նվազեցնի այլ մետաղների իոնները իրենց աղերի լուծույթներից: Դա պայմանավորված է նրանով, որ այս դեպքերում ջրի հետ մետաղների փոխազդեցության ռեակցիաները ընթանում են ավելի արագ տեմպերով։
3. Բոլոր մետաղները, որոնք ունեն բացասական ստանդարտ էլեկտրոդային ներուժ, այսինքն. գտնվում է ջրածնի ձախ կողմում գտնվող մետաղների լարումների շարքում, կարողանում են այն տեղահանել թթվային լուծույթներից։
Հարկ է նշել, որ ներկայացված շարքը բնութագրում է մետաղների և դրանց աղերի վարքը միայն ջրային լուծույթներում, քանի որ պոտենցիալներում հաշվի են առնվում այս կամ այն իոնի փոխազդեցության առանձնահատկությունները լուծիչի մոլեկուլների հետ։ Ահա թե ինչու էլեկտրաքիմիական շարքը սկսվում է լիթիումից, մինչդեռ քիմիապես ավելի ակտիվ ռուբիդիումը և կալիումը գտնվում են լիթիումից աջ: Դա պայմանավորված է լիթիումի իոնների խոնավացման գործընթացի բացառիկ բարձր էներգիայով՝ համեմատած այլ ալկալիական մետաղների իոնների հետ։
Ստանդարտ ռեդոքս պոտենցիալի հանրահաշվական արժեքը բնութագրում է համապատասխան օքսիդացված ձևի օքսիդատիվ ակտիվությունը: Հետևաբար, ստանդարտ ռեդոքս պոտենցիալների արժեքների համեմատությունը թույլ է տալիս մեզ պատասխանել այն հարցին, թե տեղի է ունենում այս կամ այն ռեդոքս ռեակցիան:
Այսպիսով, հալոգենային իոնների օքսիդացման բոլոր կիսա-ռեակցիաները դեպի ազատ հալոգեններ
2 Cl - - 2 e \u003d C l 2 E 0 \u003d -1,36 V (1)
2 Br - -2e \u003d B r 2 E 0 \u003d -1.07 V (2)
2I - -2 e \u003d I 2 E 0 \u003d -0,54 V (3)
կարող է իրականացվել ստանդարտ պայմաններում, երբ կապարի օքսիդը օգտագործվում է որպես օքսիդացնող նյութ ( IV ) (E 0 = 1,46 Վ) կամ կալիումի պերմանգանատ (E 0 = 1,52 Վ): Կալիումի դիքրոմատ օգտագործելիս ( E0 = 1,35 V) միայն (2) և (3) ռեակցիաները կարող են իրականացվել: Վերջապես, ազոտաթթվի օգտագործումը որպես օքսիդացնող նյութ ( E0 = 0,96 Վ) թույլ է տալիս միայն կիսա-արձագանք՝ յոդիդի իոնների մասնակցությամբ (3):
Այսպիսով, որոշակի ռեդոքսային ռեակցիայի հնարավորության գնահատման քանակական չափանիշը օքսիդացման և նվազեցման կիսա-ռեակցիաների ստանդարտ ռեդոքս պոտենցիալների տարբերության դրական արժեքն է:
Եթե ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալների ամբողջ շարքից առանձնացնենք միայն այն էլեկտրոդային պրոցեսները, որոնք համապատասխանում են ընդհանուր հավասարմանը.
ապա ստանում ենք մետաղների մի շարք լարումներ։ Բացի մետաղներից, այս շարքում միշտ ներառվում է ջրածինը, ինչը հնարավորություն է տալիս տեսնել, թե որ մետաղներն են ունակ ջրածինը տեղահանել թթուների ջրային լուծույթներից։
Աղյուսակ 19
Ամենակարևոր մետաղների մի շարք լարումներ տրված են Աղյուսակում: 19. Կոնկրետ մետաղի դիրքը մի շարք լարումների մեջ բնութագրում է ստանդարտ պայմաններում ջրային լուծույթներում փոխազդեցությունները ռեդոքսացնելու նրա կարողությունը: Մետաղական իոնները օքսիդացնող նյութեր են, իսկ պարզ նյութերի տեսքով մետաղները՝ վերականգնող նյութեր։ Միևնույն ժամանակ, որքան հեռու է մետաղը տեղակայված լարումների շարքում, այնքան ավելի ուժեղ են օքսիդացնող նյութը ջրային լուծույթում նրա իոնները, և հակառակը, որքան մետաղը մոտ է շարքի սկզբին, այնքան ավելի ուժեղ է նվազեցնողը։ հատկությունները դրսևորվում են պարզ նյութով՝ մետաղով:
Էլեկտրոդի գործընթացի ներուժը
չեզոք միջավայրում այն B է (տե՛ս էջ 273): Ակտիվ մետաղները շարքի սկզբում, ունենալով -0,41 Վ-ից շատ ավելի բացասական պոտենցիալ, ջրածինը տեղահանում են ջրից: Մագնեզիումը տաք ջրից միայն տեղահանում է ջրածինը: Մետաղները, որոնք տեղակայված են մագնեզիումի և կադմիումի միջև, սովորաբար ջրածինը չեն տեղափոխում ջրից: Այս մետաղների մակերեսի վրա ձևավորվում են օքսիդային թաղանթներ, որոնք ունեն պաշտպանիչ ազդեցություն:
Մետաղները, որոնք գտնվում են մագնեզիումի և ջրածնի միջև, ջրածինը տեղահանում են թթվային լուծույթներից: Միաժամանակ որոշ մետաղների մակերեսի վրա ձևավորվում են նաև պաշտպանիչ թաղանթներ, որոնք արգելակում են ռեակցիան։ Այսպիսով, ալյումինի վրա օքսիդային թաղանթը դարձնում է այս մետաղը դիմացկուն ոչ միայն ջրի, այլ նաև որոշակի թթուների լուծույթներում: Կապարը չի լուծվում ծծմբաթթվի մեջ իր ցածր կոնցենտրացիայի դեպքում, քանի որ կապարի և ծծմբաթթվի փոխազդեցության ժամանակ առաջացած աղը անլուծելի է և մետաղի մակերեսի վրա պաշտպանիչ թաղանթ է ստեղծում: Մետաղների օքսիդացման խորը արգելակման ֆենոմենը՝ դրա մակերեսին պաշտպանիչ օքսիդի կամ աղի թաղանթների առկայության պատճառով, կոչվում է պասիվություն, իսկ մետաղի վիճակն այս դեպքում՝ պասիվ վիճակ։
Մետաղները կարողանում են միմյանց տեղահանել աղի լուծույթներից։ Ռեակցիայի ուղղությունը որոշվում է այս դեպքում լարումների շարքում նրանց փոխադարձ դիրքով։ Հաշվի առնելով նման ռեակցիաների կոնկրետ դեպքերը՝ պետք է հիշել, որ ակտիվ մետաղները ջրածինը տեղահանում են ոչ միայն ջրից, այլև ցանկացած ջրային լուծույթից։ Հետևաբար, մետաղների փոխադարձ տեղաշարժը դրանց աղերի լուծույթներից գործնականում տեղի է ունենում միայն մագնեզիումից հետո շարքում գտնվող մետաղների դեպքում։
Մետաղների տեղաշարժը նրանց միացություններից այլ մետաղներով առաջին անգամ մանրամասն ուսումնասիրվել է Բեկետովի կողմից։ Իր աշխատանքի արդյունքում նա մետաղները դասավորել է ըստ քիմիական ակտիվության՝ տեղաշարժման շարքով, որը մետաղական լարումների շարքի նախատիպն է։
Որոշ մետաղների փոխադարձ դիրքը լարումների շարքում և պարբերական համակարգում առաջին հայացքից չի համապատասխանում միմյանց։ Օրինակ՝ ըստ պարբերական համակարգում դիրքի՝ կալիումի ռեակտիվությունը պետք է լինի նատրիումից մեծ, իսկ նատրիումը լիթիումից։ Լարումների շարքում լիթիումն ամենաակտիվն է, իսկ կալիումը միջին դիրք է զբաղեցնում լիթիումի և նատրիումի միջև։ Ցինկը և պղինձը, ըստ պարբերական համակարգում իրենց դիրքի, պետք է ունենան մոտավորապես հավասար քիմիական ակտիվություն, սակայն լարումների շարքում ցինկը գտնվում է պղնձից շատ ավելի վաղ։ Այս տեսակի անհամապատասխանության պատճառը հետևյալն է.
Պարբերական համակարգում որոշակի դիրք զբաղեցնող մետաղները համեմատելիս, որպես ազատ ատոմների իոնացման էներգիայի արժեք, ընդունվում է նրանց քիմիական ակտիվության չափը՝ նվազեցնելու ունակությունը։ Իրոք, անցման ժամանակ, օրինակ, պարբերական համակարգի I խմբի հիմնական ենթախմբի երկայնքով վերևից ներքև, ատոմների իոնացման էներգիան նվազում է, ինչը կապված է դրանց շառավիղների մեծացման հետ (այսինքն՝ արտաքին մեծ հեռավորության հետ։ էլեկտրոններ միջուկից) և միջուկի դրական լիցքի աճող ցուցադրմամբ միջանկյալ էլեկտրոնային շերտերով (տես § 31): Հետևաբար, կալիումի ատոմներն ավելի մեծ քիմիական ակտիվություն են ցուցաբերում. նրանք ունեն ավելի ուժեղ վերականգնող հատկություններ, քան նատրիումի ատոմները, իսկ նատրիումի ատոմներն ավելի ակտիվ են, քան լիթիումի ատոմները:
Մի շարք լարումների մեջ մետաղները համեմատելիս քիմիական ակտիվության չափը վերցվում է որպես պինդ վիճակում գտնվող մետաղը ջրային լուծույթում հիդրացված իոնների վերածելու աշխատանք։ Այս աշխատանքը կարելի է ներկայացնել որպես երեք տերմինների գումար՝ ատոմացման էներգիա՝ մետաղի բյուրեղի վերածումը մեկուսացված ատոմների, ազատ մետաղի ատոմների իոնացման էներգիա և ստացված իոնների հիդրացման էներգիա։ Ատոմացման էներգիան բնութագրում է տվյալ մետաղի բյուրեղային ցանցի ամրությունը։ Ատոմների իոնացման էներգիան՝ նրանցից վալենտային էլեկտրոնների անջատումը, ուղղակիորեն որոշվում է պարբերական համակարգում մետաղի դիրքով։ Հիդրացիայի ընթացքում արձակված էներգիան կախված է իոնի էլեկտրոնային կառուցվածքից, լիցքից և շառավղից։
Լիթիումի և կալիումի իոնները, որոնք ունեն նույն լիցքը, բայց տարբեր շառավիղներ, իրենց շուրջը կստեղծեն անհավասար էլեկտրական դաշտեր։ Փոքր լիթիումի իոնների մոտ առաջացած դաշտն ավելի ուժեղ կլինի, քան կալիումի մեծ իոնների մոտ գտնվող դաշտը: Այստեղից պարզ է դառնում, որ լիթիումի իոնները կհիդրատացվեն ավելի շատ էներգիայի արտազատմամբ, քան կալիումի նիոնները:
Այսպիսով, քննարկվող վերափոխման ընթացքում էներգիան ծախսվում է ատոմացման և իոնացման վրա, իսկ էներգիան ազատվում է հիդրացիայի ժամանակ։ Որքան փոքր է էներգիայի ընդհանուր սպառումը, այնքան ավելի հեշտ կլինի ամբողջ գործընթացը, և որքան մոտ կլինի տվյալ մետաղը լարումների շարքի սկզբին։ Բայց ընդհանուր էներգիայի հաշվեկշռի երեք անդամներից միայն մեկը՝ իոնացման էներգիան, ուղղակիորեն որոշվում է պարբերական համակարգում մետաղի դիրքով: Հետևաբար, հիմք չկա ակնկալելու, որ որոշակի մետաղների փոխադարձ դիրքը մի շարք լարումների մեջ միշտ կհամապատասխանի պարբերական համակարգում նրանց դիրքին։ Այսպիսով, լիթիումի համար էներգիայի ընդհանուր սպառումը ավելի քիչ է, քան կալիումինը, որի համաձայն լիթիումը գտնվում է կալիումից առաջ լարումների շարքում։
Պղնձի և ցինկի համար էներգիայի ծախսը ազատ ատոմների իոնացման համար և դրա շահույթը իոնների հիդրացման ժամանակ մոտ են։ Սակայն մետաղական պղինձը կազմում է ավելի ամուր բյուրեղյա ցանց, քան ցինկը, ինչը երևում է այս մետաղների հալման կետերի համեմատությունից. ցինկը հալվում է ժ., իսկ պղինձը՝ միայն ։ Հետևաբար, այդ մետաղների ատոմացման վրա ծախսվող էներգիան զգալիորեն տարբերվում է, ինչի արդյունքում պղնձի դեպքում ամբողջ գործընթացի էներգիայի ընդհանուր ծախսերը շատ ավելի մեծ են, քան ցինկի դեպքում, ինչը բացատրում է դրանց հարաբերական դիրքը. մետաղներ լարման շարքում.
Ջրից ոչ ջրային լուծիչներ անցնելիս մետաղների փոխադարձ դիրքը մի շարք լարումների մեջ կարող է փոխվել։ Սրա պատճառը կայանում է նրանում, որ տարբեր մետաղական իոնների լուծույթի էներգիան տարբեր կերպ է փոխվում լուծիչից մյուսն անցնելիս։
Մասնավորապես, պղնձի իոնը շատ ակտիվորեն լուծվում է որոշ օրգանական լուծիչների մեջ. Սա հանգեցնում է նրան, որ նման լուծիչներում պղինձը գտնվում է մի շարք լարումների մեջ մինչև ջրածինը և այն տեղահանում է թթվային լուծույթներից:
Այսպիսով, ի տարբերություն տարրերի պարբերական համակարգի, մետաղների լարումների շարքը ընդհանուր կանոնավորության արտացոլումը չէ, որի հիման վրա կարելի է տալ մետաղների քիմիական հատկությունների բազմակողմանի Բնութագիր: Լարումների շարքը բնութագրում է միայն «մետաղ-մետաղ իոն» էլեկտրաքիմիական համակարգի ռեդոքսային կարողությունը խիստ սահմանված պայմաններում. դրանում տրված արժեքները վերաբերում են ջրային լուծույթին, ջերմաստիճանին և մետաղի միավորի կոնցենտրացիայի (ակտիվությանը) իոններ.