Kimyoda metallarning siljishi jadvali. Metallar kuchlanishlarining elektrokimyoviy qatorlari. Metalllarni tuzlardan boshqa metallar bilan siljishi. Kislotali eritmalarda metall oksidlanish mahsulotlari

Elektrokimyoviy hujayrada (galvanik element) ionlar hosil bo'lgandan keyin qolgan elektronlar metall sim orqali chiqariladi va boshqa turdagi ionlar bilan qayta birlashadi. Ya'ni, tashqi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan zaryad elektronlar orqali, hujayra ichida esa metall elektrodlari botiriladigan elektrolitlar orqali ionlar orqali amalga oshiriladi. Shunday qilib, yopiq elektr davri olinadi.

Elektrokimyoviy hujayrada o'lchangan potentsial farq, o metallarning har birining elektron berish qobiliyatidagi farq tufayli. Har bir elektrod o'z potentsialiga ega, har bir elektrod-elektrolit tizimi yarim hujayradan iborat va har qanday ikkita yarim hujayra elektrokimyoviy hujayra hosil qiladi. Bitta elektrodning potentsiali yarim hujayraning potentsiali deb ataladi, u elektrodning elektron berish qobiliyatini aniqlaydi. Shubhasiz, har bir yarim elementning potentsiali boshqa yarim elementning mavjudligiga va uning salohiyatiga bog'liq emas. Yarim hujayra potentsiali elektrolitlardagi ionlarning konsentratsiyasi va harorat bilan belgilanadi.

Vodorod "nol" yarim element sifatida tanlangan; ion hosil qilish uchun elektron qo'shilganda yoki chiqarilganda u uchun hech qanday ish bajarilmaydi deb taxmin qilinadi. Potensialning "nol" qiymati hujayraning ikkita yarim elementining har birining elektron berish va qabul qilish nisbiy qobiliyatini tushunish uchun zarurdir.

Vodorod elektrodiga nisbatan o'lchanadigan yarim hujayrali potentsiallarga vodorod shkalasi deyiladi. Agar elektrokimyoviy hujayraning bir yarmida elektronlar berishga termodinamik moyillik ikkinchisiga qaraganda yuqori bo'lsa, unda birinchi yarim hujayraning potentsiali ikkinchisining potentsialidan yuqori bo'ladi. Potensial farq ta'sirida elektron oqimi paydo bo'ladi. Ikki metalni birlashtirganda ular orasidagi potentsial farqni va elektron oqimining yo'nalishini aniqlash mumkin.

Elektropozitiv metall elektronlarni qabul qilish qobiliyatiga ega, shuning uchun u katod yoki olijanob bo'ladi. Boshqa tomondan, elektronlarni o'z-o'zidan berishga qodir bo'lgan elektronegativ metallar mavjud. Ushbu metallar reaktiv va shuning uchun anodikdir:

- → 0 → +

Al Mn Zn Fe Sn Pb H 2 Cu Ag Au

Masalan, Cu elektronlarni berish osonroq Ag, lekin Fe dan yomonroq . Mis elektrod mavjud bo'lganda, kumush yo'q elektronlar bilan birlasha boshlaydi, bu mis ionlarining hosil bo'lishiga va metall kumushning cho'kishiga olib keladi:

2 Ag + + Cu → Cu 2+ + 2 Ag

Biroq, xuddi shu mis temirdan kamroq reaktivdir. Metall temir mis bilan aloqa qilganda, u cho'kadi va temir eritmaga kiradi:

Fe + Cu 2+ → Fe 2+ + Cu.

Aytish mumkinki, mis temirga nisbatan katodli metall, kumushga nisbatan anodli metalldir.

Standart elektrod potentsiali 25 0 S da ionlar bilan aloqada bo'lgan elektrod sifatida to'liq tavlangan sof metall yarim hujayraning potentsiali deb hisoblanadi. Ushbu o'lchovlarda vodorod elektrodi mos yozuvlar elektrod vazifasini bajaradi. Ikki valentli metall bo'lsa, tegishli elektrokimyoviy hujayrada sodir bo'ladigan reaksiya yozilishi mumkin:

M + 2H +→ M 2+ + H 2.

Agar metallar standart elektrod potentsiallarining kamayish tartibida tartiblangan bo'lsa, u holda metall kuchlanishlarning elektrokimyoviy qatori olinadi (1-jadval).

Jadval 1. Metalllarning kuchlanishlarining elektrokimyoviy qatorlari

Masalan, mis-ruxli galvanik elementda sinkdan misga elektron oqimi sodir bo'ladi. Mis elektrod bu sxemada musbat qutb, sink elektrod esa manfiy qutbdir. Ko'proq reaktiv sink elektronlarni yo'qotadi:

Zn → Zn 2+ + 2e - ; E°=+0,763 V.

Mis kamroq reaktiv va sinkdan elektronlarni qabul qiladi:

Cu 2+ + 2e - → Cu; E°=+0,337 V.

Elektrodlarni bog'laydigan metall simdagi kuchlanish quyidagicha bo'ladi:

0,763V + 0,337V = 1,1V.

Jadval 2. Oddiy vodorod elektrodiga nisbatan dengiz suvidagi ba'zi metallar va qotishmalarning statsionar potentsiallari (GOST 9.005-72).

Eslatma . Seriyadagi metallarning potentsialning ko'rsatilgan raqamli qiymatlari va ketma-ketligi metallarning tozaligiga, dengiz suvining tarkibiga, aeratsiya darajasiga va suv yuzasining holatiga qarab turli darajada o'zgarishi mumkin. metallar.

Qayta tiklovchi xususiyatlar- Bu barcha metallarga xos bo'lgan asosiy kimyoviy xususiyatlardir. Ular turli xil oksidlovchilar, shu jumladan atrof-muhitning oksidlovchilari bilan o'zaro ta'sir qilishda namoyon bo'ladi. Umuman olganda, metallning oksidlovchi moddalar bilan o'zaro ta'siri quyidagi sxema bilan ifodalanishi mumkin:

Men + Oksidlovchi" Men(+X),

Bu yerda (+X) Me ning musbat oksidlanish darajasi.

Metall oksidlanishiga misollar.

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

"Elektrod moddasi - eritma" potentsial farqi shunchaki moddaning (ham metallar, ham) qobiliyatining miqdoriy tavsifi bo'lib xizmat qiladi.metall bo'lmaganlar) ionlar shaklida eritmaga o'tadi, ya'ni. belgilarion va unga mos keladigan moddaning OB qobiliyati bilan.

Bu potentsial farq deyiladielektrod potentsiali.

Biroq, bunday potentsial farqni o'lchashning bevosita usullarimavjud emas, shuning uchun biz ularni nisbatan belgilashga kelishib oldikstandart vodorod elektrodi deb ataladigan potentsialqiymati shartli ravishda nolga teng (ko'pincha deyiladimos yozuvlar elektrodi). Standart vodorod elektrodidan iboratkon bilan kislota eritmasiga botirilgan platina plastinkasidanionlarining konsentratsiyasi H + 1 mol/l va gazsimon oqim bilan yuviladistandart sharoitda vodorod.

Standart vodorod elektrodida potentsialning paydo bo'lishini quyidagicha tasavvur qilish mumkin. Platina bilan adsorbsiyalangan gazsimon vodorod atom holatiga o'tadi:

H22H.

Platinaning yuzasida hosil bo'lgan atom vodorod, eritmadagi vodorod ionlari va platina (elektronlar!) o'rtasida dinamik muvozanat holati amalga oshiriladi:

H H + + e.

Umumiy jarayon tenglama bilan ifodalanadi:

H 2 2H + + 2e.

Platina oksidlanish-qaytarilishda ishtirok etmaydi va jarayon, lekin faqat atom vodorodining tashuvchisi.

Agar metall ionlarining konsentratsiyasi 1 mol / l ga teng bo'lgan uning tuzi eritmasiga botirilgan ba'zi metallarning plastinkasi standart vodorod elektrodiga ulangan bo'lsa, u holda galvanik element olinadi. Ushbu elementning elektromotor kuchi(EMF), 25 ° C da o'lchanadi va metallning standart elektrod potentsialini tavsiflaydi, odatda E 0 bilan belgilanadi.

H 2 / 2H + tizimiga nisbatan ba'zi moddalar oksidlovchi, boshqalari esa qaytaruvchi sifatida harakat qiladi. Hozirgi vaqtda deyarli barcha metallar va ko'plab metall bo'lmaganlarning standart potentsiallari olingan bo'lib, ular qaytaruvchi yoki oksidlovchi moddalarning elektronlarni berish yoki ushlash uchun nisbiy qobiliyatini tavsiflaydi.

Vodorodga nisbatan qaytaruvchi sifatida ishlaydigan elektrodlarning potentsiallari "-" belgisiga ega va "+" belgisi oksidlovchi moddalar bo'lgan elektrodlarning potentsiallarini belgilaydi.

Agar siz metallarni standart elektrod potentsiallarining ortib borish tartibida joylashtirsangiz, u holda shunday deyiladi metallarning elektrokimyoviy kuchlanish seriyasi:

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 , S u , Hg , A g , R d , R t , A u .

Bir qator stresslar metallarning kimyoviy xossalarini tavsiflaydi.

1. Metallning elektrod potentsiali qanchalik salbiy bo'lsa, uning kamaytirish qobiliyati shunchalik katta bo'ladi.

2. Har bir metall tuz eritmalaridan o`zidan keyin metall kuchlanishlar qatoriga kiruvchi metallarni siqib chiqarishga (tiklash) qodir. Istisno faqat gidroksidi va gidroksidi tuproq metallari bo'lib, ular boshqa metall ionlarini tuzlari eritmalaridan kamaytirmaydi. Buning sababi shundaki, bu holatlarda metallarning suv bilan o'zaro ta'sir qilish reaktsiyalari tezroq ketadi.

3. Salbiy standart elektrod potentsialiga ega bo'lgan barcha metallar, ya'ni. vodorodning chap tomonidagi metallarning kuchlanish qatorida joylashgan bo'lib, uni kislota eritmalaridan siqib chiqarishga qodir.

Shuni ta'kidlash kerakki, taqdim etilgan qator metallar va ularning tuzlarining faqat suvli eritmalardagi xatti-harakatlarini tavsiflaydi, chunki potentsiallar u yoki bu ionning erituvchi molekulalari bilan o'zaro ta'sirining o'ziga xos xususiyatlarini hisobga oladi. Shuning uchun elektrokimyoviy qator lityumdan boshlanadi, kimyoviy jihatdan faolroq rubidiy va kaliy esa litiyning o'ng tomonida joylashgan. Bu boshqa gidroksidi metall ionlari bilan solishtirganda litiy ionining hidratsiya jarayonining juda yuqori energiyasi bilan bog'liq.

Standart redoks potentsialining algebraik qiymati tegishli oksidlangan shaklning oksidlanish faolligini tavsiflaydi. Shuning uchun standart redoks potentsiallarining qiymatlarini taqqoslash bizga savolga javob berishga imkon beradi: u yoki bu redoks reaktsiyasi sodir bo'ladimi?

Shunday qilib, galogenid ionlarining erkin galogenlarga oksidlanishining barcha yarim reaksiyalari

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)

qo'rg'oshin oksidi oksidlovchi vosita sifatida ishlatilganda standart sharoitlarda amalga oshirilishi mumkin ( IV ) (E 0 = 1,46 V) yoki kaliy permanganat (E 0 = 1,52 V). Kaliy dixromatdan foydalanganda ( E0 = 1,35 V) faqat (2) va (3) reaktsiyalar amalga oshirilishi mumkin. Nihoyat, oksidlovchi sifatida nitrat kislotadan foydalanish ( E0 = 0,96 V) faqat yodid ionlari (3) ishtirokida yarim reaksiyaga ruxsat beradi.

Shunday qilib, ma'lum bir oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasining imkoniyatini baholashning miqdoriy mezoni oksidlanish va qaytarilish yarim reaktsiyalarining standart redoks potentsiallari orasidagi farqning ijobiy qiymati hisoblanadi.

Agar standart elektrod potentsiallarining barcha seriyasidan faqat umumiy tenglamaga mos keladigan elektrod jarayonlarini ajratib ko'rsatsak.

keyin metallarning bir qator kuchlanishlarini olamiz. Metalllarga qo'shimcha ravishda, vodorod har doim ushbu seriyaga kiradi, bu qaysi metallar vodorodni kislotalarning suvli eritmalaridan siqib chiqarishga qodirligini ko'rish imkonini beradi.

19-jadval

Eng muhim metallar uchun bir qator stresslar jadvalda keltirilgan. 19. Muayyan metalning bir qator kuchlanishlardagi holati uning standart sharoitlarda suvli eritmalardagi o'zaro ta'sirlarni oksidlanish-qaytarilish qobiliyatini tavsiflaydi. Metall ionlari oksidlovchi moddalar, oddiy moddalar holidagi metallar esa qaytaruvchi moddalardir. Shu bilan birga, metall kuchlanishlar qatorida qanchalik uzoqroq joylashgan bo'lsa, suvli eritmadagi oksidlovchi vosita uning ionlari qanchalik kuchli bo'lsa va aksincha, metall ketma-ketlikning boshiga qanchalik yaqin bo'lsa, qaytaruvchi kuchliroq bo'ladi. xossalari oddiy modda - metall tomonidan namoyon bo'ladi.

Elektrod jarayonining potentsiali

neytral muhitda u B (273-betga qarang). Seriyaning boshida -0,41 V dan ancha salbiy potentsialga ega bo'lgan faol metallar vodorodni suvdan siqib chiqaradi. Magniy faqat vodorodni issiq suvdan siqib chiqaradi. Magniy va kadmiy o'rtasida joylashgan metallar odatda vodorodni suvdan siqib chiqarmaydi. Ushbu metallar yuzasida himoya ta'siriga ega bo'lgan oksid plyonkalari hosil bo'ladi.

Magniy va vodorod orasida joylashgan metallar vodorodni kislota eritmalaridan siqib chiqaradi. Shu bilan birga, ba'zi metallar yuzasida reaktsiyani inhibe qiluvchi himoya plyonkalari ham hosil bo'ladi. Shunday qilib, alyuminiydagi oksid plyonkasi bu metallni nafaqat suvda, balki ma'lum kislotalarning eritmalarida ham chidamli qiladi. Qo'rg'oshin sulfat kislotada quyida joylashgan konsentratsiyada erimaydi, chunki qo'rg'oshinning sulfat kislota bilan o'zaro ta'sirida hosil bo'lgan tuz erimaydi va metall yuzasida himoya plyonka hosil qiladi. Metallning oksidlanishini chuqur inhibe qilish hodisasi, uning yuzasida himoya oksidi yoki tuz plyonkalari mavjudligi passivlik deb ataladi va bu holda metallning holati passiv holat deb ataladi.

Metallar tuz eritmalaridan bir-birini siqib chiqarishga qodir. Reaksiya yo'nalishi bu holda kuchlanishlar qatoridagi o'zaro joylashuvi bilan belgilanadi. Bunday reaktsiyalarning o'ziga xos holatlarini hisobga olgan holda, faol metallar vodorodni nafaqat suvdan, balki har qanday suvli eritmadan ham siqib chiqarishini esga olish kerak. Shuning uchun metallarning tuzlari eritmalaridan o'zaro siljishi amalda faqat magniydan keyingi qatorda joylashgan metallarda sodir bo'ladi.

Metalllarni oʻz birikmalaridan boshqa metallar bilan siqib chiqarishni birinchi boʻlib Beketov batafsil oʻrgangan. O'z ishining natijasi o'laroq, u metallarni kimyoviy faolligiga ko'ra siljish qatorida joylashtirdi, bu metall kuchlanishlar seriyasining prototipi hisoblanadi.

Ba'zi metallarning kuchlanishlar qatoridagi va davriy tizimdagi o'zaro joylashuvi bir qarashda bir-biriga mos kelmaydi. Masalan, davriy tizimdagi pozitsiyasiga ko'ra, kaliyning reaktivligi natriydan, natriy esa litiydan kattaroq bo'lishi kerak. Ketma-ket kuchlanishda litiy eng faol hisoblanadi va kaliy litiy va natriy o'rtasida o'rta pozitsiyani egallaydi. Sink va mis, davriy tizimdagi o'z pozitsiyasiga ko'ra, taxminan teng kimyoviy faollikka ega bo'lishi kerak, ammo kuchlanishlar qatorida sink misdan ancha oldinroq joylashgan. Bunday nomuvofiqlikning sababi quyidagicha.

Davriy tizimda ma'lum bir pozitsiyani egallagan metallarni solishtirganda, ularning kimyoviy faolligi o'lchovi - kamaytirish qobiliyati - erkin atomlarning ionlanish energiyasining qiymati sifatida qabul qilinadi. Darhaqiqat, davriy tizimning I guruhining asosiy kichik guruhi bo'ylab, masalan, yuqoridan pastga o'tish paytida, atomlarning ionlanish energiyasi kamayadi, bu ularning radiuslarining ko'payishi bilan bog'liq (ya'ni, tashqi tomondan katta masofa bilan). yadrodan elektronlar) va oraliq elektron qatlamlar tomonidan yadroning musbat zaryadini ko'paytirish bilan (31-§ ga qarang). Shuning uchun kaliy atomlari natriy atomlariga qaraganda ko'proq kimyoviy faollikka ega - ular kuchli qaytaruvchi xususiyatlarga ega, natriy atomlari esa litiy atomlariga qaraganda faolroqdir.

Metalllarni bir qator kuchlanishlar bilan solishtirganda, kimyoviy faollik o'lchovi qattiq holatdagi metallni suvli eritmadagi gidratlangan ionlarga aylantirish ishi sifatida qabul qilinadi. Bu ishni uchta shartning yig'indisi sifatida ifodalash mumkin: atomizatsiya energiyasi - metall kristalining izolyatsiyalangan atomlarga aylanishi, erkin metall atomlarining ionlanish energiyasi va hosil bo'lgan ionlarning hidratsiya energiyasi. Atomizatsiya energiyasi ma'lum bir metallning kristall panjarasining mustahkamligini tavsiflaydi. Atomlarning ionlanish energiyasi - valentlik elektronlarining ulardan ajralishi to'g'ridan-to'g'ri metallning davriy sistemadagi o'rni bilan belgilanadi. Gidratsiya jarayonida ajralib chiqadigan energiya ionning elektron tuzilishiga, uning zaryadiga va radiusiga bog'liq.

Zaryadlari bir xil, ammo radiuslari har xil bo'lgan litiy va kaliy ionlari atrofida teng bo'lmagan elektr maydonlarini hosil qiladi. Kichik litiy ionlari yaqinida hosil bo'lgan maydon yirik kaliy ionlari yaqinidagi maydondan kuchliroq bo'ladi. Bundan ko'rinib turibdiki, litiy ionlari kaliy yo'qlariga qaraganda ko'proq energiya ajralib chiqishi bilan gidratlanadi.

Shunday qilib, ko'rib chiqilayotgan transformatsiya jarayonida energiya atomizatsiya va ionlanishga sarflanadi va hidratsiya paytida energiya ajralib chiqadi. Umumiy energiya iste'moli qanchalik past bo'lsa, butun jarayon shunchalik oson bo'ladi va kuchlanish seriyasining boshlanishiga qanchalik yaqinroq bo'lsa, berilgan metall joylashgan bo'ladi. Ammo umumiy energiya balansining uchta shartidan faqat bittasi - ionlanish energiyasi - metallning davriy tizimdagi o'rni bilan bevosita aniqlanadi. Binobarin, bir qator kuchlanishdagi ba'zi metallarning o'zaro pozitsiyasi doimo ularning davriy tizimdagi pozitsiyasiga mos kelishini kutish uchun hech qanday sabab yo'q. Shunday qilib, litiy uchun umumiy energiya iste'moli kaliyga qaraganda kamroq bo'ladi, shunga ko'ra litiy kaliydan oldingi kuchlanishlar qatorida joylashgan.

Mis va rux uchun erkin atomlarning ionlanishi uchun energiya sarfi va ionlarning gidratlanishida uning ortishi yaqin. Ammo metall mis sinkga qaraganda kuchliroq kristall panjara hosil qiladi, buni ushbu metallarning erish nuqtalarini taqqoslashdan ko'rish mumkin: sink , mis esa faqat da eriydi. Shu sababli, ushbu metallarni atomizatsiya qilish uchun sarflanadigan energiya sezilarli darajada farq qiladi, buning natijasida mis holatida butun jarayon uchun umumiy energiya xarajatlari sinkga qaraganda ancha katta, bu ularning nisbiy holatini tushuntiradi. kuchlanish qatoridagi metallar.

Suvdan suvsiz erituvchilarga o'tishda metallarning bir qator kuchlanishdagi o'zaro pozitsiyasi o'zgarishi mumkin. Buning sababi shundaki, turli metallar ionlarining eritmalanish energiyasi bir erituvchidan ikkinchisiga o'tganda har xil o'zgaradi.

Xususan, mis ioni ba'zi organik erituvchilarda juda kuchli eriydi; bu shunday erituvchilarda misning vodorodgacha bo'lgan kuchlanishlar qatorida joylashganligi va uni kislota eritmalaridan siqib chiqarishiga olib keladi.

Shunday qilib, elementlarning davriy tizimidan farqli o'laroq, metallardagi kuchlanishlar ketma-ketligi umumiy Regularityni aks ettirmaydi, buning asosida metallarning kimyoviy xossalarining ko'p qirrali Xarakteristikasini berish mumkin. Bir qator kuchlanishlar qat'iy belgilangan sharoitlarda "metall - metall ioni" elektrokimyoviy tizimining faqat oksidlanish-qaytarilish qobiliyatini tavsiflaydi: unda berilgan qiymatlar suvli eritma, harorat va metallning birlik kontsentratsiyasiga (faolligiga) ishora qiladi. ionlari.