Aktiiviset metallit kemiassa. aktiiviset metallit. Galvanointi

Kaikki metallit, riippuen niiden redox-aktiivisuudesta, yhdistetään sarjaksi, jota kutsutaan metallien sähkökemialliseksi jännitesarjaksi (koska siinä olevat metallit on järjestetty kasvavaan standardisähkökemialliseen potentiaaliin) tai metallien aktiivisuussarjaksi:

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

Reaktiivisimmat metallit ovat aktiivisuusjärjestyksessä vetyyn asti, ja mitä enemmän vasemmalla metalli sijaitsee, sitä aktiivisempi se on. Aktiviteettisarjassa vedyn vieressä olevia metalleja pidetään inaktiivisina.

Alumiini

Alumiini on hopeanvalkoinen väri. Main fyysiset ominaisuudet alumiini - keveys, korkea lämmön- ja sähkönjohtavuus. Vapaana ilmalle altistuessaan alumiini peitetään vahvalla oksidikalvolla Al 2 O 3 , mikä tekee siitä kestävän väkeviä happoja.

Alumiini kuuluu p-perheen metalleihin. Ulkoisen energiatason elektroninen konfiguraatio on 3s 2 3p 1 . Alumiinilla on yhdisteissään hapetusaste, joka on yhtä suuri kuin "+3".

Alumiinia saadaan tämän alkuaineen sulan oksidin elektrolyysillä:

2Al 2 O 3 \u003d 4Al + 3O 2

Tuotteen alhaisesta saannosta johtuen menetelmää alumiinin saamiseksi Na 3:n ja Al 2 O 3:n seoksen elektrolyysillä käytetään kuitenkin useammin. Reaktio etenee kuumennettaessa 960 °C:seen ja katalyyttien - fluoridien (AlF 3, CaF 2 jne.) läsnä ollessa, kun taas katodilla vapautuu alumiinia ja anodilla happea.

Alumiini pystyy olemaan vuorovaikutuksessa veden kanssa sen jälkeen, kun oksidikalvo on poistettu pinnaltaan (1), vuorovaikutuksessa yksinkertaisten aineiden (happi, halogeenit, typpi, rikki, hiili) (2-6), happojen (7) ja emästen (8):

2Al + 6H 2O \u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2 (1)

2Al + 3 / 2O 2 \u003d Al 2 O 3 (2)

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

2Al + N 2 = 2AlN (4)

2Al + 3S \u003d Al 2 S 3 (5)

4Al + 3C \u003d Al 4 C 3 (6)

2Al + 3H 2SO 4 \u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 (7)

2Al + 2NaOH + 3H 2O \u003d 2Na + 3H2 (8)

Kalsium

Vapaassa muodossaan Ca on hopeanvalkoinen metalli. Kun se altistuu ilmalle, se peittyy välittömästi kellertävällä kalvolla, joka on sen vuorovaikutuksen tuote osat ilmaa. Kalsium on melko kova metalli, sillä on kuutiopintainen kidehila.

Ulkoisen energiatason elektroninen konfiguraatio on 4s 2 . Kalsiumin hapetusaste on yhdisteissään "+2".

Kalsiumia saadaan elektrolyysillä sulaista suoloista, useimmiten klorideista:

CaCl 2 \u003d Ca + Cl 2

Kalsium pystyy liukenemaan veteen muodostaen hydroksideja, joilla on vahvat emäksiset ominaisuudet (1), reagoida hapen kanssa (2), muodostaa oksideja, olla vuorovaikutuksessa ei-metallien kanssa (3-8), liukeneva happoihin (9):

Ca + H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + H 2 (1)

2Ca + O 2 \u003d 2CaO (2)

Ca + Br 2 \u003d CaBr 2 (3)

3Ca + N 2 \u003d Ca 3 N 2 (4)

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

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

Ca + H 2 \u003d CaH 2 (8)

Ca + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 (9)

Rauta ja sen yhdisteet

Rauta on harmaa metalli. Puhtaassa muodossaan se on melko pehmeää, muokattavaa ja taipuisaa. Ulkoisen energiatason elektroninen konfiguraatio on 3d 6 4s 2 . Yhdisteissään raudalla on hapetusasteet "+2" ja "+3".

Metallirauta reagoi vesihöyryn kanssa muodostaen sekaoksidin (II, III) Fe 3 O 4:

3Fe + 4H 2O (v) ↔ Fe 3O 4 + 4H 2

Ilmassa rauta hapettuu helposti, erityisesti kosteuden läsnä ollessa (se ruostuu):

3Fe + 3O 2 + 6H 2 O \u003d 4Fe (OH) 3

Kuten muutkin metallit, rauta reagoi yksinkertaisten aineiden, esimerkiksi halogeenien (1) kanssa, liukenee happoihin (2):

Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2 (2)

Rauta muodostaa koko joukon yhdisteitä, koska sillä on useita hapetusasteita: rauta(II)hydroksidi, rauta(III)hydroksidi, suolat, oksidit jne. Joten rauta(II)hydroksidia voidaan saada vaikuttamalla alkaliliuoksilla rauta(II)suoloihin ilman pääsyä ilmaan:

FeSO 4 + 2NaOH \u003d Fe (OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4

Rauta(II)hydroksidi liukenee happoihin ja hapettuu rauta(III)hydroksidiksi hapen läsnä ollessa.

Raudan (II) suoloilla on pelkistysaineiden ominaisuuksia ja ne muuttuvat rauta(III)-yhdisteiksi.

Rautaoksidia (III) ei voida saada polttamalla rautaa hapessa, sen saamiseksi on tarpeen polttaa rautasulfideja tai kalsinoida muita rautasuoloja:

4FeS 2 + 11O 2 \u003d 2Fe 2O 3 + 8SO 2

2FeSO 4 \u003d Fe 2 O 3 + SO 2 + 3H 2 O

Rauta(III)-yhdisteillä on heikkoja hapettavia ominaisuuksia ja ne voivat päästä OVR:ään vahvojen pelkistysaineiden kanssa:

2FeCl 3 + H 2 S \u003d Fe (OH) 3 ↓ + 3NaCl

Raudan ja teräksen tuotanto

Teräkset ja valuraudat ovat raudan ja hiilen seoksia, ja teräksen hiilipitoisuus on jopa 2 % ja valuraudassa 2-4 %. Teräkset ja valuraudat sisältävät seosaineita: teräkset - Cr, V, Ni ja valurauta - Si.

Teräksiä on erilaisia, joten käyttötarkoituksensa mukaan erotetaan rakenneteräkset, ruostumattomat teräkset, työkaluteräkset, lämmönkestävät ja kryogeeniset teräkset. Tekijä: kemiallinen koostumus allokoi hiili (vähä-, keski- ja runsasseostettu) ja seostettu (vähä-, keski- ja runsasseostettu). Rakenteesta riippuen erotetaan austeniittiset, ferriittiset, martensiittiset, perliittiset ja bainiittiteräkset.

Teräkset ovat löytäneet käyttöä monilla kansantalouden sektoreilla, kuten rakentamisessa, kemianteollisuudessa, petrokemianteollisuudessa ja turvallisuusalalla ympäristöön, liikenneenergia ja muut teollisuudenalat.

Valuraudan - sementiitin tai grafiitin hiilipitoisuuden muodosta ja niiden määrästä riippuen erotetaan useita valurautatyyppejä: valkoinen (murtuman vaalea väri sementiitin muodossa olevan hiilen vuoksi), harmaa ( harmaa väri murtuma, joka johtuu hiilestä grafiitin muodossa), muokattava ja lämmönkestävä. Valuraudat ovat erittäin hauraita metalliseoksia.

Valuraudan käyttöalueet ovat laajat - valuraudasta valmistetaan taiteellisia koristeita (aidat, portit), korin osia, LVI-laitteita, taloustavaroita (pannuja), sitä käytetään autoteollisuudessa.

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

ESIMERKKI 1

Metallien sähkökemiallisen toiminnan sarja(sarja jännitteitä, sarja standardielektrodipotentiaalia) - sekvenssi, jossa metallit on järjestetty kasvamaan niiden standardisähkökemiallisten potentiaalien φ 0 mukaisesti, mikä vastaa metallikationin pelkistyspuolireaktiota Me n+ : Me n+ + nē → Me

Metalliaktiviteettisarjan käytännöllinen käyttö

Käytännössä käytetään useita jännitteitä metallien kemiallisen aktiivisuuden vertailevaan arviointiin reaktioissa suolojen ja happojen vesiliuosten kanssa sekä katodisten ja anodisten prosessien arvioimiseen elektrolyysin aikana:

• Vedyn vasemmalla puolella olevat metallit ovat vahvempia pelkistäviä aineita kuin oikealla olevat metallit: ne syrjäyttävät jälkimmäisen suolaliuoksista. Esimerkiksi vuorovaikutus Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu on mahdollista vain eteenpäin suunnassa.
• Metallit vedyn vasemmalla puolella syrjäyttävät vedyn ollessaan vuorovaikutuksessa ei-hapettavien happojen vesiliuosten kanssa; aktiivisimmat metallit (alumiiniin asti) - ja vuorovaikutuksessa veden kanssa.
• Vedyn oikealla puolella olevat metallit eivät ole vuorovaikutuksessa ei-hapettavien happojen vesiliuosten kanssa normaaleissa olosuhteissa.
• Elektrolyysin aikana katodilla vapautuu vedyn oikealla puolella olevia metalleja; kohtalaisen aktiivisten metallien pelkistämiseen liittyy vedyn vapautuminen; aktiivisimpia metalleja (alumiiniin asti) ei voida eristää vesiliuokset suolat.

Alkalimetalleja pidetään aktiivisimpina:

• litium;
• natrium;
• kalium;
• rubidium;
• cesium;
• francium.

Jos koko standardielektrodipotentiaalien sarjasta erotetaan vain ne elektrodiprosessit, jotka vastaavat yleistä yhtälöä

sitten saamme sarjan metallien jännityksiä. Metallien lisäksi tässä sarjassa on aina mukana vety, jonka avulla voidaan nähdä, mitkä metallit kykenevät syrjäyttämään vetyä happojen vesiliuoksista.

Taulukko 19

Taulukossa on esitetty joukko tärkeimpien metallien jännityksiä. 19. Metallin sijainti jännitesarjassa kuvaa sen kykyä redox-vuorovaikutuksiin vesiliuoksissa standardiolosuhteissa. Metalli-ionit ovat hapettavia aineita, ja metallit muodossaan yksinkertaiset aineet- restauroijat. Samalla mitä kauempana metalli sijaitsee jännitesarjassa, sitä vahvempia vesiliuoksessa olevan hapettimen ionit ovat, ja päinvastoin, mitä lähempänä metalli on sarjan alkua, sitä vahvempi pelkistys on. ominaisuudet näkyvät yksinkertaisella aineella - metallilla.

Elektrodin prosessipotentiaali

neutraalissa väliaineessa se on B (katso sivu 273). aktiiviset metallit sarjan alkupäät, joiden potentiaali on paljon negatiivisempi kuin -0,41 V, syrjäyttää vedyn vedestä. Magnesium syrjäyttää vain vedyn kuumasta vedestä. Magnesiumin ja kadmiumin välissä sijaitsevat metallit eivät yleensä syrjäyttä vetyä vedestä. Näiden metallien pinnalle muodostuu oksidikalvoja, joilla on suojaava vaikutus.

Magnesiumin ja vedyn välissä sijaitsevat metallit syrjäyttävät vedyn happoliuoksista. Samanaikaisesti joidenkin metallien pinnalle muodostuu myös suojakalvoja, jotka estävät reaktion. Joten alumiinin oksidikalvo tekee tästä metallista kestävän paitsi vedessä myös tiettyjen happojen liuoksissa. Lyijy ei liukene rikkihappoon alle pitoisuudessaan, koska lyijyn ja rikkihapon vuorovaikutuksessa muodostunut suola on liukenematon ja muodostaa metallipinnalle suojakalvon. Metallin hapettumisen syvän eston ilmiötä, joka johtuu suojaavien oksidi- tai suolakalvojen läsnäolosta sen pinnalla, kutsutaan passiivisuudeksi, ja metallin tilaa kutsutaan tässä tapauksessa passiiviseksi.

Metallit voivat syrjäyttää toisiaan suolaliuoksista. Reaktion suunnan määrää tässä tapauksessa niiden keskinäinen sijainti jännitesarjassa. Kun otetaan huomioon tällaisten reaktioiden erityistapaukset, on muistettava, että aktiiviset metallit syrjäyttävät vetyä paitsi vedestä, myös mistä tahansa vesiliuoksesta. Siksi metallien keskinäinen syrjäytyminen suolojensa liuoksista tapahtuu käytännössä vain metallien tapauksessa, jotka sijaitsevat magnesiumin jälkeisessä rivissä.

Beketov tutki ensin yksityiskohtaisesti metallien syrjäytymistä niiden yhdisteistä muiden metallien toimesta. Työnsä tuloksena hän järjesti metallit niiden kemiallisen aktiivisuuden mukaan siirtymäsarjaan, joka on metallijännityssarjan prototyyppi.

Joidenkin metallien keskinäinen sijainti jännitesarjassa ja jaksollisessa järjestelmässä ensi silmäyksellä ei vastaa toisiaan. Esimerkiksi kaliumin reaktiivisuuden on oltava jaksollisen järjestelmän sijainnin mukaan suurempi kuin natriumin ja natriumin on oltava suurempi kuin litiumin. Jännitesarjassa litium on aktiivisin, ja kalium on keskiasemassa litiumin ja natriumin välillä. Sinkin ja kuparin aseman mukaan jaksollisessa järjestelmässä tulisi olla suunnilleen sama kemiallinen aktiivisuus, mutta jännitesarjassa sinkki sijaitsee paljon aikaisemmin kuin kupari. Syy tällaiseen epäjohdonmukaisuuteen on seuraava.

Kun verrataan metalleja, jotka ovat tietyssä asemassa jaksollisessa järjestelmässä, niiden kemiallisen aktiivisuuden mitta - pelkistyskyky - otetaan vapaiden atomien ionisaatioenergian arvoksi. Todellakin, kun ohitetaan esimerkiksi ylhäältä alas ryhmän I pääalaryhmää pitkin jaksollinen järjestelmä atomien ionisaatioenergia pienenee, mikä liittyy niiden säteiden kasvuun (eli ulkoisten elektronien suureen etäisyyteen ytimestä) ja ytimen positiivisen varauksen lisääntyvään seulomiseen välielektronikerrosten toimesta (katso § § 31). Siksi kaliumatomeilla on suurempi kemiallinen aktiivisuus - niillä on vahvempia pelkistäviä ominaisuuksia - kuin natriumatomeilla, ja natriumatomit ovat aktiivisempia kuin litiumatomit.

Kun verrataan metalleja jännitesarjassa, kemiallisen aktiivisuuden mittaa pidetään työnä, jolla kiinteässä tilassa oleva metalli muunnetaan hydratoituneiksi ioneiksi vesiliuoksessa. Tämä työ voidaan esittää kolmen termin summana: sumutusenergia - metallikiteen muuttuminen eristetyiksi atomeiksi, vapaiden metalliatomien ionisaatioenergia ja muodostuneiden ionien hydraatioenergia. Sumutusenergia luonnehtii tietyn metallin kidehilan vahvuutta. Atomien ionisaatioenergia - valenssielektronien irtautuminen niistä - määräytyy suoraan metallin sijainnista jaksollisessa järjestelmässä. Nesteytymisen aikana vapautuva energia riippuu elektroninen rakenne ioni, sen varaus ja säde.

Litium- ja kalium-ionit, joilla on sama varaus, mutta eri säteet, luovat epätasaisia sähkökentät. Pienten litiumionien lähellä syntyvä kenttä on vahvempi kuin kenttä suurten kalium-ionien lähellä. Tästä on selvää, että litium-ionit hydratoituvat vapauttaen enemmän energiaa kuin kalium-ionit.

Näin ollen tarkasteltavana olevan transformaation aikana energiaa kuluu sumutukseen ja ionisaatioon ja energiaa vapautuu hydratoituessa. Mitä pienempi kokonaisenergiankulutus, sitä helpompi koko prosessi on ja mitä lähempänä jännitesarjan alkua kyseinen metalli sijoittuu. Mutta kokonaisenergiatasapainon kolmesta termistä vain yksi - ionisaatioenergia - määräytyy suoraan metallin sijainnin perusteella jaksollisessa järjestelmässä. Näin ollen ei ole syytä olettaa, että tiettyjen metallien keskinäinen sijainti jännitesarjassa vastaisi aina niiden asemaa jaksollisessa järjestelmässä. Joten litiumin kokonaisenergiankulutus on pienempi kuin kaliumin, jonka mukaan litium on jännitteiden sarjassa ennen kaliumia.

Kuparin ja sinkin osalta energiankulutus vapaiden atomien ionisaatioon ja sen lisäys ionien hydratoituessa on lähellä. Mutta metallinen kupari muodostaa vahvemman kidehilan kuin sinkki, mikä näkyy näiden metallien sulamispisteiden vertailusta: sinkki sulaa - ja kupari vain -. Siksi näiden metallien sumutukseen kuluva energia on merkittävästi erilaista, minkä seurauksena koko prosessin energiakustannukset ovat kuparin tapauksessa paljon suuremmat kuin sinkin tapauksessa, mikä selittää näiden metallien suhteellisen sijainnin. jännitesarjan metallit.

Kun metallit siirtyvät vedestä ei-vesipitoisiin liuottimiin, metallien keskinäinen sijainti jännitesarjassa voi muuttua. Syynä tähän on se, että eri metallien ionien solvataatioenergia vaihtelee eri tavoin siirtyessään liuottimesta toiseen.

Erityisesti kupari-ioni solvatoituu erittäin voimakkaasti joissakin orgaanisissa liuottimissa; tämä johtaa siihen, että tällaisissa liuottimissa kupari sijaitsee jännitteiden sarjassa vetyyn asti ja syrjäyttää sen happoliuoksista.

Näin ollen, toisin kuin jaksollinen elementtijärjestelmä, metallien jännityssarja ei ole heijastus yleinen kuvio, jonka perusteella voidaan antaa monipuolinen luonnehdinta metallien kemiallisista ominaisuuksista. Jännitteiden sarja Luonnehtii vain sähkökemiallisen järjestelmän "metalli - metalli-ioni" redox-kykyä tiukasti määritellyissä olosuhteissa: siinä annetut arvot viittaavat vesiliuokseen, lämpötilaan ja metallin yksikköpitoisuuteen (aktiivisuuteen) ioneja.

Potentiaaliero "elektrodiaine - liuos" toimii vain kvantitatiivisena ominaisuutena aineen kyvylle (sekä metallit ettäei-metallit) siirtyvät liuokseen ionien muodossa, ts. hahmojaionin ja sitä vastaavan aineen OB-kyvyn perusteella.

Tätä potentiaalieroa kutsutaanelektrodin potentiaali.

Kuitenkin suorat menetelmät tällaisen potentiaalieron mittaamiseenei ole olemassa, joten sovimme määrittelevämme ne suhteessaniin kutsuttu standardi vetyelektrodi, potentiaalijonka arvo on ehdollisesti nolla (kutsutaan usein myösvertailuelektrodi). Vakiovetyelektrodi koostuuplatinalevyltä, joka on upotettu happoliuokseen, jossa on konionipitoisuus H + 1 mol/l ja pestään kaasusuihkullavetyllä normaaleissa olosuhteissa.

Potentiaalin esiintyminen tavallisessa vetyelektrodissa voidaan kuvitella seuraavalla tavalla. Kaasumainen vety, jonka platina adsorboi, siirtyy atomitilaan:

H22H.

Levyn pinnalle muodostuneen atomisen vedyn, liuoksessa olevien vetyionien ja platinan (elektronien!) välillä toteutuu dynaaminen tasapainotila:

H H + + e.

Koko prosessi ilmaistaan ​​yhtälöllä:

H22H++2e.

Platina ei osallistu redox-prosessiin Ja prosessissa, mutta se on vain atomivedyn kantaja.

Jos jonkin metallin levy, joka on upotettu sen suolaliuokseen, jonka metalli-ionien pitoisuus on 1 mol / l, yhdistetään tavalliseen vetyelektrodiin, saadaan galvaaninen kenno. Sähkömotorinen voima tämä elementti(EMF), mitattuna 25 °C:ssa, ja se kuvaa metallin standardielektrodipotentiaalia, jota yleensä merkitään E 0:lla.

Suhteessa H 2 / 2H + -järjestelmään jotkut aineet käyttäytyvät hapettimina, toiset pelkistysaineina. Tällä hetkellä on saatu lähes kaikkien metallien ja monien epämetallien standardipotentiaalit, jotka kuvaavat pelkistys- tai hapetusaineiden suhteellista kykyä luovuttaa tai siepata elektroneja.

Pelkistysaineina toimivien elektrodien potentiaalit vedyn suhteen on merkitty "-"-merkillä ja "+"-merkki merkitsee hapettimien elektrodien potentiaalia.

Jos laitat metallit nousevaan järjestykseen niiden standardielektrodipotentiaalien mukaan, niin ns metallien sähkökemiallinen jännitesarja:

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 .

Jännitteiden sarja luonnehtii Kemialliset ominaisuudet metallit.

1. Mitä negatiivisempi metallin elektrodipotentiaali on, sitä suurempi on sen pelkistyskyky.

2. Jokainen metalli pystyy syrjäyttämään (palauttamaan) suolaliuoksista ne metallit, jotka ovat metallijännityssarjassa sen jälkeen. Ainoat poikkeukset ovat alkali- ja maa-alkalimetallit, jotka eivät pelkistä muita metalli-ioneja suolojensa liuoksista. Tämä johtuu siitä, että näissä tapauksissa metallien vuorovaikutusreaktiot veden kanssa etenevät nopeammin.

3. Kaikki metallit, joilla on negatiivinen standardielektrodipotentiaali, ts. jotka sijaitsevat metallien jännitteiden sarjassa vedyn vasemmalla puolella, pystyvät syrjäyttämään sen happoliuoksista.

On huomattava, että esitetty sarja luonnehtii metallien ja niiden suolojen käyttäytymistä vain vesiliuoksissa, koska potentiaalit ottavat huomioon yhden tai toisen ionin vuorovaikutuksen erityispiirteet liuotinmolekyylien kanssa. Siksi sähkökemiallinen sarja alkaa litiumilla, kun taas aktiivisemmat aloitetaan kemiallisesti rubidium ja kalium sijaitsevat litiumin oikealla puolella. Tämä johtuu litiumionihydratointiprosessin poikkeuksellisen korkeasta energiasta muihin alkalimetalli-ioneihin verrattuna.

Standardin redox-potentiaalin algebrallinen arvo kuvaa vastaavan hapettuneen muodon oksidatiivista aktiivisuutta. Siksi standardien redox-potentiaalien arvojen vertailu antaa meille mahdollisuuden vastata kysymykseen: eteneekö tämä vai tuo redox-reaktio?

Joten kaikki halogenidi-ionien hapettumisen puolireaktiot vapaiksi halogeeneiksi

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)

voidaan toteuttaa normaaleissa olosuhteissa, kun lyijyoksidia käytetään hapettavana aineena ( IV ) (E 0 = 1,46 V) tai kaliumpermanganaattia (E 0 = 1,52 V). Käytettäessä kaliumdikromaattia ( E0 = 1,35 V) vain reaktiot (2) ja (3) voidaan suorittaa. Lopuksi typpihapon käyttö hapettimena ( E0 = 0,96 V) mahdollistaa vain puolireaktion jodidi-ionien kanssa (3).

Näin ollen määrällinen kriteeri tietyn redox-reaktion mahdollisuuden arvioimiseksi on positiivinen arvo hapettumisen ja pelkistyksen puolireaktioiden standardi-pelkistyspotentiaalien välinen ero.

Grosse E., Weissmantel X.

Kemia uteliaille. Kemian perusteet ja viihdyttäviä kokeita.

PIENI METALLIEN SÄHKÖKEMIAN KURSSI

METALLIEN JÄNNITEALUE

KATSOTAAN KUVAUSTEN TÄÄLLE

Minä 1 + Minä 2 2+ = Minä 1 2+ + Minä 2

Lisäksi ensimmäisessä kokeessa Me 1 = Fe, Me 2 = Сu.
Joten prosessi koostuu varausten (elektronien) vaihdosta molempien metallien atomien ja ionien välillä. Jos tarkastellaan erikseen (välituotereaktioina) raudan liukenemista tai kuparin saostumista, saadaan:

Fe = Fe 2+ + 2 e --

Сu 2+ + 2 e--=Cu

Harkitse nyt tapausta, jossa metalli on upotettu veteen tai suolaliuokseen, jonka kationin kanssa vaihto on mahdotonta sen sijainnin vuoksi jännitesarjassa. Tästä huolimatta metallilla on taipumus liueta ionin muodossa. Tällöin metalliatomi luovuttaa kaksi elektronia (jos metalli on kaksiarvoinen), liuokseen upotetun metallin pinta varautuu negatiivisesti liuokseen nähden ja rajapinnalle muodostuu kaksinkertainen sähkökerros. Tämä potentiaaliero estää metallin liukenemisen edelleen, joten prosessi pysähtyy pian.
Jos kaksi eri metallia upotetaan liuokseen, ne molemmat varautuvat, mutta vähemmän aktiivinen on jonkin verran heikompi, koska sen atomit ovat vähemmän alttiita irrottamaan elektroneja.
Yhdistä molemmat metallit johtimella. Potentiaalieron vuoksi elektronien virtaus virtaa aktiivisemmasta metallista vähemmän aktiiviseen, joka muodostaa elementin positiivisen navan. Tapahtuu prosessi, jossa aktiivisempi metalli liukenee ja kationit liuoksesta vapautuvat jalometalliin. Havainnollistakaamme nyt muutamalla kokeella yllä olevaa hieman abstraktia päättelyä (joka on lisäksi karkea yksinkertaistus).
Täytä ensin 250 ml:n dekantterilasi keskelle 10-prosenttisella rikkihappoliuoksella ja upota siihen ei liian pieniä sinkki- ja kuparipaloja. Juotamme tai niitaamme kuparilangan kumpaankin elektrodiin, jonka päät eivät saa koskettaa liuosta.
Niin kauan kuin langan päät eivät ole yhteydessä toisiinsa, tarkkailemme sinkin liukenemista, johon liittyy vedyn vapautumista. Sinkki, kuten jännitesarjasta seuraa, on aktiivisempaa kuin vety, joten metalli voi syrjäyttää vedyn ionitilasta. Molemmat metallit muodostavat sähköisen kaksoiskerroksen. Elektrodien välinen potentiaaliero on helpoin havaita volttimittarilla. Välittömästi laitteen kytkemisen jälkeen piirissä nuoli osoittaa noin 1 V, mutta sitten jännite laskee nopeasti. Jos kytket pienen hehkulampun elementtiin, joka kuluttaa 1 V:n jännitettä, se syttyy - aluksi melko voimakkaasti, ja sitten hehku heikkenee.
Laitteen napojen napaisuuden perusteella voimme päätellä, että kuparielektrodi on positiivinen napa. Tämä voidaan todistaa myös ilman laitetta prosessin sähkökemian huomioiden. Valmistetaan kyllästetty ruokasuolaliuos pieneen dekantterilasiin tai koeputkeen, lisätään noin 0,5 ml fenoliftaleiiniindikaattorin alkoholiliuosta ja upotetaan molemmat langalla suljetut elektrodit liuokseen. Negatiivisen navan lähellä havaitaan lievää punertavaa väriä, joka johtuu natriumhydroksidin muodostumisesta katodille.
Muissa kokeissa kennoon voidaan sijoittaa erilaisia ​​metallipareja ja määrittää tuloksena oleva jännite. Esimerkiksi magnesium ja hopea antavat erityisen suuren potentiaalieron, koska niiden välillä on merkittävä etäisyys jännitesarjassa, kun taas sinkki ja rauta päinvastoin antavat erittäin pienen, alle kymmenesosan voltista. Käytettäessä alumiinia emme saa käytännössä mitään virtaa passivoimisen vuoksi.
Kaikilla näillä elementeillä tai, kuten sähkökemistit sanovat, piireillä on se haittapuoli, että kun virta otetaan, jännite laskee niissä hyvin nopeasti. Siksi sähkökemistit mittaavat jännitteen todellisen arvon aina jännitteettömässä tilassa jännitekompensointimenetelmällä eli vertaamalla sitä toisen virtalähteen jännitteeseen.
Tarkastellaan yksityiskohtaisemmin kupari-sinkkielementin prosesseja. Katodilla sinkki menee liuokseen seuraavan yhtälön mukaisesti:

Zn = Zn2+ + 2 e --

Rikkihapon vetyionit purkautuvat kuparianodille. Ne kiinnittävät elektroneja, jotka tulevat langan läpi sinkkikatodista ja seurauksena muodostuu vetykuplia:

2H++2 e-- \u003d H 2

Lyhyen ajan kuluttua kupari peittyy ohuella vetykuplien kerroksella. Tässä tapauksessa kuparielektrodi muuttuu vetyelektrodiksi ja potentiaaliero pienenee. Tätä prosessia kutsutaan elektrodipolarisaatioksi. Kuparielektrodin polarisaatio voidaan poistaa lisäämällä kennoon vähän kaliumdikromaattiliuosta jännitteen pudotuksen jälkeen. Sen jälkeen jännite nousee jälleen, koska kaliumdikromaatti hapettaa vedyn vedeksi. Kaliumdikromaatti toimii tässä tapauksessa depolarisaattorina.
Käytännössä käytetään galvaanisia piirejä, joiden elektrodit eivät ole polarisoituja, tai piirejä, joiden polarisaatio voidaan poistaa lisäämällä depolarisaattoreita.
Esimerkkinä ei-polarisoituvasta elementistä, harkitse Daniell-elementtiä, jota käytettiin usein aiemmin virtalähteenä. Tämä on myös kupari-sinkkielementti, mutta molemmat metallit upotetaan erilaisiin ratkaisuihin. Sinkkielektrodi asetetaan huokoiseen savikennoon, joka on täytetty laimealla (noin 20 %) rikkihapolla. Savikenno on suspendoitu suureen dekantterilasiin, joka sisältää väkevää kuparisulfaattiliuosta, ja sen pohjassa on kerros kuparisulfaattikiteitä. Toinen elektrodi tässä astiassa on kuparilevystä valmistettu sylinteri.
Tämä elementti voidaan valmistaa lasipurkista, kaupallisesti saatavasta savikennosta (äärimmäisissä tapauksissa käytä kukkaruukkua sulkemalla pohjassa oleva reikä) ja kahdesta sopivan kokoisesta elektrodista.
Elementin toiminnan aikana sinkki liukenee sinkkisulfaatin muodostuessa ja kupari-ioneja vapautuu kuparielektrodille. Mutta samaan aikaan kuparielektrodi ei ole polarisoitunut ja elementti antaa noin 1 V jännitteen. Itse asiassa teoriassa jännite liittimissä on 1,10 V, mutta virtaa otettaessa mitataan hieman pienempi arvo, koska kennon sähkövastukseen.
Jos emme poista virtaa kennosta, meidän on poistettava sinkkielektrodi rikkihappoliuoksesta, koska muuten se liukenee muodostaen vetyä.
Kuvassa on kaavio yksinkertaisesta kennosta, joka ei vaadi huokoista väliseinää. Sinkkielektrodi sijaitsee lasipurkissa yläosassa ja kuparielektrodi lähellä pohjaa. Koko kenno on täytetty kylläisellä natriumkloridiliuoksella. Purkin pohjalle kaadetaan kourallinen kuparisulfaattikiteitä. Tuloksena oleva väkevä kuparisulfaattiliuos sekoittuu hyvin hitaasti tavallisen suolaliuoksen kanssa. Siksi kennon toiminnan aikana kuparia vapautuu kuparielektrodille ja sinkki sulfaatin tai kloridin muodossa liukenee kennon yläosaan.
Akut käyttävät nykyään lähes yksinomaan kuivakennoja, joita on helpompi käyttää. Heidän esi-isänsä on Leclanchet-elementti. Elektrodit ovat sinkkisylinteri ja hiilitanko. Elektrolyytti on tahna, joka koostuu pääasiassa ammoniumkloridista. Sinkki liukenee tahnaan ja hiileen vapautuu vetyä. Polarisoitumisen välttämiseksi hiilisauva lasketaan pellavapussiin, jossa on hiilijauheen ja pyrolusiitin seosta. Hiilijauhe lisää elektrodin pintaa ja pyrolusiitti toimii depolarisaattorina hapettaen vetyä hitaasti.
On totta, että pyrolusiitin depolarisaatiokyky on heikompi kuin aiemmin mainitun kaliumdikromaatin. Siksi, kun virta vastaanotetaan kuivissa kennoissa, jännite laskee nopeasti, he " väsyä"Polarisaation vuoksi. Vasta jonkin ajan kuluttua vedyn hapettumista tapahtuu pyrolusiitin kanssa. Siten alkuaineet" levätä", jos virtaa ei kuljeta läpi jonkin aikaa. Tarkastetaan tämä taskulampun paristolla, johon kytkemme hehkulampun. Rinnakkain lampun kanssa, eli suoraan napoihin, kytkemme volttimittarin.
Aluksi jännite on noin 4,5 V. (Tällaisissa akuissa on useimmiten kytketty sarjaan kolme kennoa, joiden teoreettinen jännite on 1,48 V.) Jonkin ajan kuluttua jännite laskee, hehkulamppu heikkenee. Lukemalla volttimittaria voimme arvioida, kuinka kauan akku tarvitsee levätä.
Erityinen paikka on regeneroituvilla elementeillä, jotka tunnetaan nimellä akut. Ne virtaavat palautuvia reaktioita, ja ne voidaan ladata uudelleen kennon purkamisen jälkeen liittämällä ne ulkoiseen tasavirtalähteeseen.
Tällä hetkellä lyijyakut ovat yleisimpiä; niissä elektrolyytti on laimeaa rikkihappoa, johon on upotettu kaksi lyijylevyä. Positiivinen elektrodi on päällystetty lyijydioksidilla PbO 2, negatiivinen elektrodi on metallista lyijyä. Liitäntöjen jännite on noin 2,1 V. Purkauksen aikana molemmille levyille muodostuu lyijysulfaattia, joka taas muuttuu latauksen aikana metalliksi lyijyksi ja lyijyperoksidiksi.

PALJOITETUT PINNOITTEET

Metalli kerrostuu virralla

Taivutettuamme kahden ohuen kuparilevyn päät ripustamme ne dekantterilasin tai, parempi, pienen lasiakvaarion vastakkaisille seinille. Kiinnitämme johdot levyihin liittimillä.
Elektrolyytti valmista seuraavan reseptin mukaan: 125 g kiteistä kuparisulfaattia, 50 g väkevää rikkihappoa ja 50 g alkoholia (denaturoitua alkoholia), loput vettä 1 litraan asti. Liuota tätä varten ensin kuparisulfaattia 500 ml:aan vettä ja lisää sitten varovasti pienissä erissä rikkihappo (Lämmitys! Neste voi roiskua!), kaada sitten alkoholiin ja lisää vettä 1 litran tilavuuteen.
Täytämme kulometrin valmistetulla liuoksella ja sisällytämme piiriin muuttuvan resistanssin, ampeerimittarin ja lyijyakun. Säädämme vastuksen avulla virtaa niin, että sen tiheys on 0,02-0,01 A/cm 2 elektrodin pinnasta. Jos kuparilevyn pinta-ala on 50 cm 2, virranvoimakkuuden tulee olla alueella 0,5-1 A.
Jonkin ajan kuluttua vaaleanpunaista metallista kuparia alkaa saostua katodilla (negatiivinen elektrodi) ja kupari liukenee anodilla (positiivinen elektrodi). Kuparilevyjen puhdistamiseksi kuljetamme kulometriin virtaa noin puolen tunnin ajan. Sitten otamme katodin pois, kuivaamme sen varovasti suodatinpaperilla ja punnitsemme tarkasti. Asennamme kennoon elektrodin, suljemme piirin reostaatilla ja ylläpitämme vakiovirtaa, esim. 1 A. Tunnin kuluttua avataan piiri ja punnitaan kuivunut katodi uudelleen. Virralla 1 A per käyttötunti sen massa kasvaa 1,18 g.
Siksi 1 ampeerituntia vastaava sähkömäärä voi liuoksen läpi kulkiessaan vapauttaa 1,18 g kuparia. Tai yleensä: vapautuvan aineen määrä on suoraan verrannollinen liuoksen läpi kulkevaan sähkön määrään.
Ioniekvivalentin eristämiseksi liuoksen läpi on johdettava sähkömäärä, joka vastaa elektrodin varauksen e ja Avogadro-luvun tuloa. N V:
e*N A \u003d 1,6021 * 10 -19 * 6,0225 * 10 23 \u003d 9,65 * 10 4 A * s * mol -1 Tämä arvo on merkitty symbolilla F ja on nimetty elektrolyysin kvantitatiivisten lakien löytäjän mukaan Faradayn numero(tarkka arvo F-96 498 A*s*mol-1). Siksi tietyn määrän ekvivalenttien eristämiseksi liuoksesta n e liuoksen läpi sähkömäärä, joka on yhtä suuri kuin F*n e A * s * mol -1. Toisin sanoen,
Se =F*n e täällä minä- nykyinen, t on aika, joka kuluu virran kulkemiseen liuoksen läpi. Luvussa " Titrauksen perusteet"On jo osoitettu, että aineen ekvivalenttien määrä n e on yhtä suuri kuin moolien määrän tulo vastaavalla luvulla:
n e = n*Z Siten:

minä*t = F*n*Z

Tässä tapauksessa Z- ionivaraus (Ag + Z= 1, Cu 2+:lle Z= 2, Al 3+:lle Z= 3 jne.). Jos ilmaistamme moolien määrän massan suhteeksi moolimassaan ( n = m/M), niin saamme kaavan, jonka avulla voit laskea kaikki elektrolyysin aikana tapahtuvat prosessit:

Se =F*m*Z/M

Tällä kaavalla voit laskea virran:

minä = F*m*Z/(t*M)\u003d 9,65 * 10 4 * 1,18 * 2 / (3600 * 63,54) A * s * g * mol / (s * mol * g) \u003d 0,996 A

Jos otamme käyttöön sähkötyön suhteen W sähköposti

W sähköposti = U*I*t Ja W sähköposti / U = Se

Sitten jännityksen tunteminen U, voit laskea:

W sähköposti = F*m*Z*U/M

Voit myös laskea, kuinka kauan kestää tietyn aineen määrän elektrolyyttinen vapautuminen tai kuinka paljon ainetta vapautuu tietyssä ajassa. Kokeen aikana virrantiheys on säilytettävä määritetyissä rajoissa. Jos se on alle 0,01 A / cm 2, niin metallia vapautuu liian vähän, koska kupari(I)-ioneja muodostuu osittain. Jos virrantiheys on liian suuri, pinnoitteen tarttuvuus elektrodiin on heikko, ja kun elektrodi poistetaan liuoksesta, se voi murentua.
Käytännössä metallien galvaanisia pinnoitteita käytetään ensisijaisesti suojaamaan korroosiolta ja aikaansaamaan peilipinta.
Lisäksi metallit, erityisesti kupari ja lyijy, puhdistetaan anodisella liuotuksella ja sen jälkeisellä erotuksella katodilla (elektrolyyttinen raffinointi).
Kun haluat pinnoittaa rautaa kuparilla tai nikkelillä, sinun on ensin puhdistettava esineen pinta perusteellisesti. Voit tehdä tämän kiillottamalla sen elutrioidulla liidulla ja poistamalla sen rasvan peräkkäin laimealla natriumhydroksidin, veden ja alkoholin liuoksella. Jos esine on ruosteen peitossa, se on peittattava etukäteen 10-15-prosenttisessa rikkihappoliuoksessa.
Ripustamme puhdistetun tuotteen elektrolyyttihauteeseen (pieneen akvaarioon tai dekantterilasiin), jossa se toimii katodina.
Kuparipinnoitusliuos sisältää 250 g kuparisulfaattia ja 80-100 g väkevää rikkihappoa 1 litrassa vettä (Varoitus!). Tässä tapauksessa kuparilevy toimii anodina. Anodin pinnan tulee olla suunnilleen sama kuin pinnoitetun kohteen pinta. Siksi sinun on aina varmistettava, että kuparianodi roikkuu kylvyssä samalla syvyydellä kuin katodi.
Prosessi suoritetaan jännitteellä 3-4 V (kaksi paristoa) ja virrantiheydellä 0,02-0,4 A/cm 2 . Kylvyn liuoksen lämpötilan tulee olla 18-25 °C.
Kiinnitä huomiota siihen, että anodin taso ja pinnoitettava pinta ovat yhdensuuntaiset keskenään. On parempi olla käyttämättä monimutkaisen muotoisia esineitä. Vaihtelemalla elektrolyysin kestoa on mahdollista saada eripaksuinen kuparipinnoite.
Usein turvaudutaan alustavaan kuparipinnoitukseen, jotta tälle kerrokselle voidaan levittää kestävä pinnoite toisesta metallista. Tätä käytetään erityisen usein rautakromauksessa, sinkkivalussa nikkelöidyssä pinnoituksessa ja muissa tapauksissa. Todella myrkyllisiä syanidielektrolyyttejä käytetään tähän tarkoitukseen.
Nikkelöinnin elektrolyytin valmistamiseksi liuotetaan 25 g kiteistä nikkelisulfaattia, 10 g boorihappoa tai 10 g natriumsitraattia 450 ml:aan vettä. Natriumsitraattia voidaan valmistaa neutraloimalla liuos, jossa on 10 g sitruunahappoa laimealla natriumhydroksidiliuoksella tai soodaliuoksella. Olkoon anodin pinta-alaltaan mahdollisimman suuri nikkelilevy ja ota akku jännitelähteeksi.
Muuttuvan resistanssin avulla virrantiheyden arvo pidetään 0,005 A/cm 2 . Esimerkiksi, kun kohteen pinta on 20 cm 2, on tarpeen työskennellä 0,1 A:n virranvoimakkuudella. Puolen tunnin työskentelyn jälkeen esine on jo niklattu. Ota se pois kylpyammeesta ja pyyhi se liinalla. Nikkelipinnoitusprosessia on kuitenkin parempi olla keskeyttämättä, koska silloin nikkelikerros saattaa passivoida ja myöhempi nikkelipinnoite ei tartu hyvin.
Peilikiillon saavuttamiseksi ilman mekaanista kiillotusta lisäämme pinnoituskylpyyn ns. kirkastavaa lisäainetta. Tällaisia ​​lisäaineita ovat esimerkiksi liima, gelatiini, sokeri. Voit mennä nikkelikylpyyn esimerkiksi muutaman gramman sokeria ja tutkia sen vaikutusta.
Rautakromauksen elektrolyytin valmistamiseksi (esikuparipinnoituksen jälkeen) liuotetaan 40 g CrO 3 kromianhydridiä (Varoitus! Myrkky!) ja täsmälleen 0,5 g rikkihappoa (ei missään tapauksessa enempää!) 100 ml:aan vettä. Prosessi etenee virrantiheydellä noin 0,1 A / cm 2 ja anodina käytetään lyijylevyä, jonka pinta-alan tulisi olla useita vähemmän aluetta kromattu pinta.
Nikkeli- ja kromikylpyjä on parasta lämmittää hieman (noin 35 °C asti). Huomaa, että kromipinnoituksen elektrolyytit, erityisesti pitkän prosessin ja suuren virranvoimakkuuden käytettäessä, vapauttavat kromihappoa sisältäviä höyryjä, jotka ovat erittäin haitallisia terveydelle. Siksi kromaus tulisi tehdä vedon alla tai ulkona, esimerkiksi parvekkeella.
Kromipinnoituksessa (ja vähemmässä määrin nikkelöinnissa) kaikkea virtaa ei käytetä metallipinnoitukseen. Samalla vapautuu vetyä. Jännitesarjan perusteella olisi odotettavissa, että vedyn edessä seisovia metalleja ei pitäisi vapautua vesiliuoksista ollenkaan, vaan päinvastoin vähemmän aktiivista vetyä. Kuitenkin tässä, kuten metallien anodisessa liukenemisessa, vedyn katodinen kehitys estyy usein ja se havaitaan vain korkealla jännitteellä. Tätä ilmiötä kutsutaan vetyylijännitteeksi, ja se on erityisen suuri esimerkiksi lyijyllä. Tästä syystä lyijyakku voi toimia. Kun akku on ladattu, katodille pitäisi ilmestyä PbO 2:n sijaan vetyä, mutta ylijännitteen vuoksi vedyn kehittyminen alkaa, kun akku on lähes täysin latautunut.