Химиядағы белсенді металдар. белсенді металдар. Электрлік қаптау

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

Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H 2 , Cu, Hg, Ag, Рt, Au

Ең реактивті металдар сутегіге дейінгі белсенділік ретімен орналасады, ал металл неғұрлым сол жақта орналасса, соғұрлым белсенді болады. Белсенділік қатарында сутегінің жанында орналасқан металдар белсенді емес болып саналады.

Алюминий

Алюминий күмістей ақ түсті. Негізгі физикалық қасиеттеріалюминий - жеңілдігі, жоғары жылу және электр өткізгіштігі. Бос күйде, ауамен әсер еткенде, алюминий күшті оксидті қабықшамен жабылған Al 2 O 3 , бұл оны концентрлі қышқылдарға төзімді етеді.

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

Алюминийді осы элементтің балқыған оксидінің электролизі арқылы алады:

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

Бірақ өнімнің шығымы төмен болғандықтан, алюминийді Na 3 және Al 2 O 3 қоспасын электролиз арқылы алу әдісі жиі қолданылады. Реакция 960С дейін қыздырғанда және катализаторлар – фторидтердің (AlF 3 , CaF 2 , т.б.) қатысуымен жүреді, ал алюминий катодта, ал анодта оттегі бөлінеді.

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

2Al + 6H 2 O \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 2 SO 4 \u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 (7)

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

Кальций

Еркін түрінде Са күмістей ақ металл. Ауа әсер еткенде, ол бірден сарғыш қабықпен жабылады, бұл оның өзара әрекеттесуінің өнімі болып табылады. құрамдас бөліктерауа. Кальций - өте қатты металл, текше орталықтандырылған кристалдық торы бар.

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

Кальций балқытылған тұздардың, көбінесе хлоридтердің электролизі арқылы алынады:

CaCl 2 \u003d Ca + Cl 2

Кальций күшті негіздік қасиет көрсететін (1), оттегімен әрекеттесетін (2), оксидтер түзетін, бейметалдармен әрекеттесетін (3-8), қышқылдарда (9) еритін гидроксидтердің түзілуімен суда ериді:

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 2 C 2 (5)

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

Ca + H 2 \u003d CaH 2 (8)

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

Темір және оның қосылыстары

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

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

3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2

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

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

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

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

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

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

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

Темір (II) тұздары тотықсыздандырғыштардың қасиетін көрсетеді және темір (III) қосылыстарына айналады.

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

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

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

Темір (III) қосылыстары әлсіз тотықтырғыш қасиет көрсетеді және күшті тотықсыздандырғыштармен OVR-ге түсе алады:

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

Шойын және болат өндірісі

Болаттар мен шойындар темірдің көміртегімен қорытпалары болып табылады, ал болаттағы көміртегі мөлшері 2%-ға дейін, шойында 2-4%-ды құрайды. Болаттар мен шойындардың құрамында легирленген қоспалар бар: болаттар - Cr, V, Ni, ал шойындар - Si.

Болаттардың әртүрлі түрлері бар, сондықтан олардың мақсатына қарай құрылымдық, тот баспайтын, аспаптық, ыстыққа төзімді және криогенді болаттар бөлінеді. Авторы химиялық құрамыкөміртекті (төмен, орташа және жоғары көміртекті) және легирленген (төмен, орташа және жоғары легирленген) бөледі. Құрылымына қарай аустениттік, ферритті, мартенситті, перлиттік және бейнитті болаттар бөлінеді.

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

Шойын – цементит немесе графит құрамындағы көміртегінің пішініне, сондай-ақ олардың мөлшеріне қарай шойынның бірнеше түрін ажыратады: ақ (цементит түріндегі көміртегінің болуына байланысты сынудың ашық түсі), сұр. ( сұр түсграфит түріндегі көміртектің болуына байланысты сыну), иілгіш және ыстыққа төзімді. Шойындар өте сынғыш қорытпалар болып табылады.

Шойынның қолданылу аясы кең – көркем әшекейлер (қоршаулар, қақпалар), шанақ бөліктері, сантехникалық жабдықтар, тұрмыстық заттар (қастрөлдер) шойыннан жасалады, ол автомобиль өнеркәсібінде қолданылады.

Есептерді шешу мысалдары

МЫСАЛ 1

Металдардың электрохимиялық белсенділік қатары(кернеу қатары, стандартты электродтық потенциалдар тізбегі) – металдардың метал катионының тотықсыздану жартылай реакциясына сәйкес φ 0 стандартты электрохимиялық потенциалдарының жоғарылау реті бойынша орналасу реті Me n+ : Me n+ + nē → Me.

Металл белсенділік қатарын практикалық қолдану

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

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

Сілтілік металдар ең белсенді болып саналады:

• литий;
• натрий;
• калий;
• рубидий;
• цезий;
• франций.

Егер стандартты электродтық потенциалдардың барлық қатарынан тек жалпы теңдеуге сәйкес келетін электродтық процестерді бөліп алсақ.

онда металдардың кернеулерінің қатарын аламыз. Металдардан басқа, сутегі әрқашан осы қатарға кіреді, бұл қандай металдардың сутегін қышқылдардың сулы ерітінділерінен ығыстыруға қабілетті екенін көруге мүмкіндік береді.

19-кесте

Ең маңызды металдар үшін бірқатар кернеулер кестеде келтірілген. 19. Кернеу қатарындағы металдың жағдайы оның стандартты жағдайларда сулы ерітінділердегі әрекеттесулерді тотықсыздандыруға қабілеттілігін сипаттайды. Металл иондары тотықтырғыштар, ал металдар түрінде қарапайым заттар- қалпына келтірушілер. Сонымен қатар металл кернеу қатарында неғұрлым көп орналасса, сулы ерітіндідегі тотықтырғыш оның иондары соғұрлым күшті болады, ал керісінше, металл қатардың басына неғұрлым жақын болса, тотықсыздану соғұрлым күшті болады. қасиеттерін қарапайым зат – металл көрсетеді.

Электрод процесінің потенциалы

бейтарап ортада ол B (273-бетті қараңыз). белсенді металдар-0,41 В-тан әлдеқайда теріс потенциалға ие қатардың басы сутегін судан ығыстырады. Магний тек сутегін ыстық судан ығыстырып шығарады. Магний мен кадмий арасында орналасқан металдар әдетте сутегін судан ығыстырмайды. Бұл металдардың бетінде қорғаныс әсері бар оксидті қабықшалар түзіледі.

Магний мен сутегі арасында орналасқан металдар қышқыл ерітінділерінен сутекті ығыстырады. Сонымен қатар кейбір металдардың бетінде реакцияны тежейтін қорғаныс қабықшалары да пайда болады. Сонымен, алюминийдегі оксидті пленка бұл металды суда ғана емес, сонымен қатар белгілі бір қышқылдардың ерітінділеріне де төзімді етеді. Қорғасынның күкірт қышқылымен әрекеттесуі кезінде түзілетін тұз ерімейтіндіктен металл бетінде қорғасын қабықша түзетіндіктен, оның концентрациясынан төмен болған кезде қорғасын күкірт қышқылында ерімейді. Металдың тотығуының терең тежелу құбылысы, оның бетінде қорғаныш оксидінің немесе тұз қабықшаларының болуына байланысты, пассивтілік, ал мұндай жағдайда металдың күйін пассивті күй деп атайды.

Металдар бір-бірін тұз ерітінділерінен ығыстыруға қабілетті. Реакцияның бағыты бұл жағдайда олардың кернеу қатарындағы өзара орналасуымен анықталады. Мұндай реакциялардың нақты жағдайларын ескере отырып, белсенді металдар сутегін тек судан ғана емес, сонымен қатар кез келген су ерітіндісінен де ығыстыратынын есте ұстаған жөн. Сондықтан металдардың олардың тұздарының ерітінділерінен өзара ығысуы іс жүзінде магнийден кейінгі қатарда орналасқан металдар жағдайында ғана болады.

Металдардың қосындыларынан басқа металдармен ығысуын алғаш Бекетов егжей-тегжейлі зерттеген. Ол өз жұмысының нәтижесінде металдарды химиялық активтілігіне қарай орын ауыстыру қатарында орналастырды, бұл металдық кернеулер қатарының прототипі болып табылады.

Кейбір металдардың кернеу қатарындағы және периодтық жүйедегі өзара орналасуы бір қарағанда бір-біріне сәйкес келмейді. Мысалы, периодтық жүйедегі орнына сәйкес калийдің реактивтілігі натрийден, ал натрий литийден жоғары болуы керек. Кернеу қатарында литий ең белсенді, ал калий литий мен натрий арасында орташа орынды алады. Мырыш пен мыс периодтық жүйедегі орнына сәйкес шамамен бірдей химиялық белсенділікке ие болуы керек, бірақ кернеулер қатарында мырыш мысқа қарағанда әлдеқайда ертерек орналасқан. Мұндай сәйкессіздіктің себебі келесідей.

Периодтық жүйеде белгілі бір орын алатын металдарды салыстыру кезінде бос атомдардың иондану энергиясының мәні ретінде олардың химиялық белсенділігінің өлшемі – қалпына келтіру қабілеті алынады. Шынында да, өту кезінде, мысалы, I топтың негізгі топшасы бойымен жоғарыдан төменге қарай периодтық жүйеатомдардың иондану энергиясы төмендейді, бұл олардың радиустарының ұлғаюымен (яғни, сыртқы электрондардың ядродан үлкен қашықтығымен) және аралық электронды қабаттар арқылы ядроның оң зарядының скринингінің жоғарылауымен байланысты (§ қараңыз). 31). Сондықтан калий атомдары натрий атомдарына қарағанда күштірек тотықсыздандырғыш қасиетке ие, ал натрий атомдары литий атомдарына қарағанда белсендірек болады.

Кернеу қатарындағы металдарды салыстыру кезінде химиялық белсенділік өлшемі қатты күйдегі металды сулы ерітіндідегі гидратталған иондарға айналдыру жұмысы ретінде қабылданады. Бұл жұмысты үш мүшенің қосындысы ретінде көрсетуге болады: атомизация энергиясы – металл кристалының оқшауланған атомдарға айналуы, бос металл атомдарының иондану энергиясы және түзілген иондардың гидратация энергиясы. Атомизация энергиясы берілген металдың кристалдық торының беріктігін сипаттайды. Атомдардың иондану энергиясы – олардан валенттік электрондардың ажырауы – металдың периодтық жүйедегі орнымен тікелей анықталады. Гидратация кезінде бөлінетін энергия тәуелді электрондық құрылымион, оның заряды және радиусы.

Зарядтары бірдей, бірақ радиустары әртүрлі литий мен калий иондары тең емес иондар жасайды. электр өрістері. Кішкентай литий иондарының жанында пайда болатын өріс үлкен калий иондарының жанындағы өріске қарағанда күштірек болады. Бұдан литий иондары калий жоқтарға қарағанда көбірек энергия бөле отырып, гидраттанатыны анық.

Сонымен, қарастырылып отырған түрлендіру барысында энергия атомизация мен ионизацияға жұмсалады, ал гидратация кезінде энергия бөлінеді. Жалпы энергия шығыны неғұрлым төмен болса, бүкіл процесс соғұрлым жеңіл болады және берілген металл кернеу қатарының басына жақынырақ орналасады. Бірақ жалпы энергия балансының үш мүшесінің тек біреуі – иондану энергиясы – металдың периодтық жүйедегі орнымен тікелей анықталады. Демек, кернеулер қатарындағы кейбір металдардың өзара орналасуы олардың периодтық жүйедегі орнына әрқашан сәйкес келеді деп күтуге негіз жоқ. Сонымен, литий үшін жалпы энергия тұтыну калийге қарағанда аз, соған сәйкес литий калийге дейінгі кернеулер қатарында.

Мыс пен мырыш үшін бос атомдардың ионизациясы үшін энергияның шығыны және иондардың гидратация кезіндегі оның өсуі жақын. Бірақ металдық мыс мырышқа қарағанда күшті кристалдық торды құрайды, оны осы металдардың балқу нүктелерін салыстыру арқылы көруге болады: мырыш - температурада балқиды, ал мыс тек -де балқиды. Демек, бұл металдарды атомизациялауға жұмсалатын энергия айтарлықтай ерекшеленеді, соның нәтижесінде мыс жағдайында бүкіл процесс үшін жалпы энергия шығындары мырыш жағдайына қарағанда әлдеқайда көп, бұл олардың салыстырмалы орнын түсіндіреді. кернеу қатарындағы металдар.

Судан сулы емес еріткіштерге өткенде металдардың кернеу қатарындағы өзара орналасуы өзгеруі мүмкін. Мұның себебі әртүрлі металдар иондарының ерітінділену энергиясының бір еріткіштен екінші еріткішке өткенде әртүрлі өзгеретіндігінде.

Атап айтқанда, мыс ионы кейбір органикалық еріткіштерде өте күшті ерітіледі; бұл мұндай еріткіштерде мыстың сутегіге дейінгі кернеулер қатарында орналасуына және оны қышқыл ерітінділерінен ығыстыруына әкеледі.

Осылайша, элементтердің периодтық жүйесінен айырмашылығы, металдардағы кернеулер қатары шағылысу емес. жалпы үлгілер, соның негізінде металдардың химиялық қасиеттерінің жан-жақты сипаттамасын беруге болады. Кернеулер қатары қатаң анықталған жағдайларда «металл – металл ионы» электрохимиялық жүйесінің тотығу-тотықсыздану қабілетін ғана сипаттайды: онда берілген мәндер судағы ерітіндіге, температураға және металдың бірлік концентрациясына (белсенділігіне) қатысты. иондары.

«Электродты зат – ерітінді» потенциалдар айырымы жай ғана зат қабілетінің сандық сипаттамасы ретінде қызмет етеді (металдар да,бейметалдар) ерітіндіге иондар түрінде өтеді, яғни. кейіпкерлерионның және оған сәйкес заттың ОБ қабілетімен.

Бұл потенциалдар айырымы деп аталадыэлектродтық потенциал.

Дегенмен, мұндай потенциалдар айырмасын өлшеудің тікелей әдістеріжоқ, сондықтан біз оларды қатысты анықтауға келістістандартты сутегі электроды деп аталатын потенциалоның мәні шартты түрде нөл ретінде қабылданады (жиі деп те аталадыанықтамалық электрод). Стандартты сутегі электродынан тұрадыкон бар қышқыл ерітіндісіне батырылған платина пластинасынаниондарының концентрациясы H + 1 моль/л және газ тәріздес ағынмен жуыладыстандартты жағдайларда сутегі.

Стандартты сутегі электродындағы потенциалдың пайда болуын елестетуге болады келесідей. Газ тәрізді сутегі платинамен адсорбцияланып, атомдық күйге өтеді:

H22H.

Пластинаның бетінде түзілген атомдық сутегі, ерітіндідегі сутегі иондары мен платина (электрондар!) арасында динамикалық тепе-теңдік күйі жүзеге асады:

H H + + e.

Жалпы процесс мына теңдеумен өрнектеледі:

H 2 2H + + 2e.

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

Егер метал иондарының концентрациясы 1 моль/л-ге тең оның тұзының ерітіндісіне батырылған қандай да бір металдың пластинасы стандартты сутегі электродына қосылса, онда гальваникалық элемент алынады. Электр қозғаушы күшбұл элемент(ЭМӨ), 25 ° C өлшенеді және металдың стандартты электродтық потенциалын сипаттайды, әдетте E 0 деп белгіленеді.

H 2 / 2H + жүйесіне қатысты кейбір заттар тотықтырғыш, басқалары тотықсыздандырғыш ретінде әрекет етеді. Қазіргі уақытта тотықсыздандырғыш немесе тотықтырғыштардың электрондарды беру немесе ұстау салыстырмалы қабілетін сипаттайтын барлық дерлік металдардың және көптеген бейметалдардың стандартты потенциалдары алынды.

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

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

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, N a, M g, A l, M n, Zn, C r, F e, C d, Co, N i, Sn, P b, H, Sb, B i , С u , Hg , А g , Р d , Р t , А u .

Кернеу қатары сипатталады Химиялық қасиеттеріметалдар.

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

2. Әрбір металл тұз ерітінділерінен өзінен кейінгі металл кернеулер қатарында тұрған металдарды ығыстыруға (қалпына келтіруге) қабілетті. Жалғыз ерекшеліктер сілтілі және сілтілі жер металдары болып табылады, олар басқа металл иондарын олардың тұздарының ерітінділерінен азайтпайды. Себебі бұл жағдайларда металдардың сумен әрекеттесу реакциялары жылдамырақ жүреді.

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

Айта кету керек, ұсынылған қатар металдар мен олардың тұздарының тек сулы ерітінділердегі әрекетін сипаттайды, өйткені потенциалдар сол немесе басқа ионның еріткіш молекулаларымен әрекеттесу ерекшеліктерін ескереді. Сондықтан электрохимиялық сериялар литийден басталады, ал белсенділері химиялық жолменрубидий мен калий литийдің оң жағында орналасқан. Бұл басқа сілтілік металдар иондарымен салыстырғанда литий ионының гидратация процесінің ерекше жоғары энергиясымен түсіндіріледі.

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

Сонымен галогенид иондарының бос галогендерге дейін тотығуының барлық жартылай реакциялары

2 Cl - - 2 e \u003d C l 2 E 0 \u003d -1,36 В (1)

2 Br - -2e \u003d B r 2 E 0 \u003d -1,07 В (2)

2I - -2 e \u003d I 2 E 0 \u003d -0,54 В (3)

қорғасын оксиді тотықтырғыш ретінде пайдаланылған кезде стандартты жағдайларда жүзеге асырылуы мүмкін ( IV ) (E 0 = 1,46 В) немесе калий перманганаты (E 0 = 1,52 В). Калий бихроматын қолданғанда ( E0 = 1,35 В) тек (2) және (3) реакцияларды жүргізуге болады. Соңында, азот қышқылын тотықтырғыш ретінде пайдалану ( E0 = 0,96 В) йодид иондарының (3) қатысуымен жартылай реакцияға ғана мүмкіндік береді.

Осылайша, белгілі бір тотығу-тотықсыздану реакциясының мүмкіндігін бағалаудың сандық критерийі болып табылады оң мәнтотығу мен тотықсызданудың жартылай реакцияларының стандартты тотығу-тотықсыздану потенциалдарының айырмасы.

Гросс Э., Вайсмантель X.

Қызыққандар үшін химия. Химия негіздері және қызықты эксперименттер.

МЕТАЛДАР ЭЛЕКТРОХИМИЯСЫНЫҢ КІШІГІ КУРСЫ

МЕТАЛДАРДЫҢ КЕРНЕЛЕУ диапазоны

САХНИЯНЫҢ АРТЫНА ҚАРАПАЙЫҚ

Мен 1 + Мен 2 2+ = Мен 1 2+ + Мен 2

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

Fe = Fe 2+ + 2 e --

Сu 2+ + 2 e--= Cu

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

Zn = Zn2+ + 2 e --

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

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

Қысқа уақыттан кейін мыс сутегі көпіршіктерінің жұқа қабатымен жабылады. Бұл жағдайда мыс электроды сутегі электродына айналады, ал потенциалдар айырмасы азаяды. Бұл процесс электродтардың поляризациясы деп аталады. Мыс электродының поляризациясын кернеудің төмендеуінен кейін ұяшыққа аздап калий бихромат ерітіндісін қосу арқылы жоюға болады. Осыдан кейін кернеу қайтадан артады, өйткені калий бихроматы сутекті суға дейін тотықтырады. Бұл жағдайда калий бихроматы деполяризатор ретінде әрекет етеді.
Практикада электродтары поляризацияланбаған гальваникалық тізбектер немесе поляризациясын деполяризаторларды қосу арқылы жоюға болатын тізбектер қолданылады.
Поляризацияланбайтын элементтің мысалы ретінде бұрын ағымдағы көз ретінде жиі қолданылған Daniell элементін қарастырыңыз. Бұл да мыс-мырыш элементі, бірақ екі метал да әртүрлі ерітінділерге батырылады. Мырыш электроды сұйылтылған (шамамен 20%) күкірт қышқылымен толтырылған кеуекті саз ұяшыққа орналастырылады. Балшық ұяшық мыс сульфатының концентрлі ерітіндісі бар үлкен стаканға ілінген, ал түбінде мыс сульфатының кристалдарының қабаты орналасқан. Бұл ыдыстағы екінші электрод - мыс парақ цилиндрі.
Бұл элементті шыны құмырадан, сатылатын саз ұяшықтан (төтенше жағдайларда, төменгі жағындағы тесікті жабатын гүл құмырасын пайдаланыңыз) және қолайлы өлшемдегі екі электродтан жасауға болады.
Элементтің жұмысы кезінде мырыш мырыш сульфатының түзілуімен ериді, ал мыс электродында мыс иондары бөлінеді. Бірақ сонымен бірге мыс электрод поляризацияланбайды және элемент шамамен 1 В кернеу береді. Іс жүзінде, теориялық тұрғыдан, терминалдардағы кернеу 1,10 В құрайды, бірақ ток қабылдау кезінде біз сәл төмен мәнді өлшейміз, себебі жасушаның электр кедергісіне.
Егер біз ұяшықтағы токты алып тастамасақ, күкірт қышқылы ерітіндісінен мырыш электродты алып тастауымыз керек, өйткені олай болмаған жағдайда ол сутегін түзу үшін ериді.
Кеуекті бөлімді қажет етпейтін қарапайым ұяшықтың диаграммасы суретте көрсетілген. Мырыш электроды шыны ыдыста жоғарғы жағында, ал мыс электрод төменгі жағында орналасқан. Бүкіл жасуша қаныққан натрий хлоридінің ерітіндісімен толтырылған. Құмыраның түбінде біз бір уыс мыс сульфатының кристалдарын құйамыз. Алынған мыс сульфатының концентрлі ерітіндісі ас тұзының ерітіндісімен өте баяу араласады. Сондықтан ұяшықтың жұмысы кезінде мыс электродында мыс бөлінеді, ал сульфат немесе хлорид түріндегі мырыш жасушаның жоғарғы бөлігінде ериді.
Батареялар енді дерлік құрғақ ұяшықтарды пайдаланады, оларды пайдалану ыңғайлы. Олардың арғы тегі - Лекланшет элементі. Электродтар мырыш цилиндрі және көміртекті таяқша болып табылады. Электролит - бұл негізінен аммоний хлоридінен тұратын паста. Мырыш пастада ериді, ал сутегі көмірге бөлінеді. Поляризацияны болдырмау үшін көміртекті таяқша көмір ұнтағы мен пиролизит қоспасы бар зығыр қапшыққа түсіріледі. Көміртекті ұнтақ электродтың бетін ұлғайтады, ал пиролюзит сутегін баяу тотықтыратын деполяризатор қызметін атқарады.
Рас, пиролизиттің деполяризациялау қабілеті бұрын айтылған калий бихроматына қарағанда әлсіз. Сондықтан, құрғақ ұяшықтарда ток қабылданған кезде, кернеу тез төмендейді, олар « шаршау"поляризацияға байланысты. Тек біраз уақыттан кейін сутегінің пиролюзитпен тотығуы жүреді. Осылайша элементтер" демалыс", егер сіз біраз уақыт ток өткізбесеңіз. Мұны шамның батареясында тексеріп көрейік, оған біз шамды қосамыз. Шамға параллель, яғни терминалдарға тікелей вольтметрді қосамыз.
Алдымен кернеу шамамен 4,5 В болады. (Көбінесе мұндай батареяларда үш ұяшық тізбектей қосылады, әрқайсысының теориялық кернеуі 1,48 В.) Біраз уақыттан кейін кернеу төмендейді, шам әлсірейді. Вольтметрді оқу арқылы біз аккумулятордың қанша уақыт демалу керектігін анықтай аламыз.
деп аталатын қалпына келтіретін элементтер ерекше орын алады аккумуляторлар. Олар ағып жатыр қайтымды реакциялар, және оларды сыртқы тұрақты ток көзіне қосу арқылы ұяшық зарядсызданғаннан кейін қайта зарядтауға болады.
Қазіргі уақытта қорғасын-қышқылды аккумуляторлар ең көп таралған; оларда электролит сұйылтылған күкірт қышқылы болып табылады, оған екі қорғасын тақтасы батырылады. Оң электрод PbO 2 қорғасын диоксидімен қапталған, теріс электрод металл қорғасын. Терминалдардағы кернеу шамамен 2,1 В. Зарядтау кезінде екі пластинада қорғасын сульфаты пайда болады, ол қайтадан металл қорғасынға және зарядтау кезінде қорғасын пероксидіне айналады.

ЖАЛҒАН ҚАБЫЛДАУЛАР

Металл токпен тұндырылады

Жұқа мыс қаңылтырдың екі табақшасының ұштарын бүгіп, біз оларды стақанның немесе жақсырақ, кішкене шыны аквариумның қарама-қарсы қабырғаларына ілеміз. Біз сымдарды терминалдармен пластиналарға бекітеміз.
Электролиткелесі рецепт бойынша дайындаңыз: 125 г кристалды мыс сульфаты, 50 г концентрлі күкірт қышқылы және 50 г спирт (денатуратталған спирт), қалғаны 1 литрге дейін су. Ол үшін алдымен мыс сульфатын 500 мл суда ерітіңіз, содан кейін мұқият, кішкене бөліктерде қосыңыз. күкірт қышқылы (Жылыту! Сұйықтық шашырауы мүмкін!), содан кейін алкогольді құйып, суды 1 литрге дейін жеткізіңіз.
Біз кулометрді дайындалған ерітіндімен толтырамыз және схемаға айнымалы кедергіні, амперметрді және қорғасын батареясын қосамыз. Кедергінің көмегімен токты оның тығыздығы электрод бетінің 0,02-0,01 А/см 2 болатындай етіп реттейміз. Егер мыс пластинасының ауданы 50 см 2 болса, ток күші 0,5-1 А диапазонында болуы керек.
Біраз уақыттан кейін ашық қызыл түсті металл мыс катодта (теріс электрод) тұндыра бастайды, ал мыс анодта (оң электрод) ерітіндіге түседі. Мыс пластиналарын тазалау үшін шамамен жарты сағат бойы кулометрдегі ток өткіземіз. Содан кейін катодты алып, сүзгі қағазымен мұқият кептіріп, дәл өлшеп аламыз. Біз ұяшыққа электродты орнатамыз, контурды реостатпен жауып, тұрақты токты сақтаймыз, мысалы 1 А. Бір сағаттан кейін біз тізбекті ашып, кептірілген катодты қайтадан өлшейміз. Жұмыс істеу сағатына 1 А ток кезінде оның массасы 1,18 г артады.
Сондықтан 1 ампер-сағатқа тең электр мөлшері ерітіндіден өткенде 1,18 г мыс бөле алады. Немесе жалпы алғанда: бөлінетін зат мөлшері ерітінді арқылы өткен электр энергиясының мөлшеріне тура пропорционал.
Ионның 1 эквивалентін бөліп алу үшін ерітінді арқылы электрод зарядының e және Авогадро санының көбейтіндісіне тең электр мөлшерін өткізу керек. Н A:
e*N A \u003d 1,6021 * 10 -19 * 6,0225 * 10 23 \u003d 9,65 * 10 4 A * s * моль -1 Бұл мән таңбамен көрсетіледі Фжәне электролиздің сандық заңдарын ашушының құрметіне аталған Фарадей саны(нақты мән Ф- 96 498 А * с * моль -1). Сондықтан шешімнен эквиваленттердің берілген санын оқшаулау nе ерітінді арқылы, электр мөлшері тең F*n e A * s * моль -1. Басқаша айтқанда,
Мен*т =F*n e Мұнда I- ағымдағы, ттоктың ерітіндіден өтуіне кететін уақыт. тарауында Титрлеу негіздері«Заттың эквиваленттерінің саны қазірдің өзінде көрсетілді n e моль санының эквивалентті санға көбейтіндісіне тең:
n e = n*ЗДемек:

I*т = F*n*Z

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

Мен*т =F*m*Z / М

Осы формуланы пайдаланып токты есептеуге болады:

I = F*m*Z/(t*M)\u003d 9,65 * 10 4 * 1,18 * 2 / (3600 * 63,54) A * с * г * моль / (с * моль * г) \u003d 0,996 А

Электр жұмысына қатынасты енгізсек Вэлектрондық пошта

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

Содан кейін шиеленісті білу У, есептей аласыз:

Вэлектрондық пошта = F*m*Z*U/M

Сондай-ақ белгілі бір заттың электролиттік бөлінуіне қанша уақыт кететінін немесе белгілі бір уақытта қанша зат бөлінетінін есептей аласыз. Тәжірибе кезінде токтың тығыздығы белгіленген шектерде сақталуы керек. Егер ол 0,01 А / см 2-ден аз болса, мыс (I) иондары ішінара түзілетіндіктен тым аз металл бөлінеді. Токтың тығыздығы тым жоғары болса, жабынның электродқа адгезиясы әлсіз болады, ал электрод ерітіндіден шығарылғанда оның ыдырауы мүмкін.
Тәжірибеде металдардағы гальваникалық жабындар ең алдымен коррозиядан қорғау және айна бояуын алу үшін қолданылады.
Сонымен қатар, металдар, әсіресе мыс пен қорғасын, анодты еріту және одан кейін катодта бөлу (электролиттік тазарту) арқылы тазартылады.
Үтікті мыс немесе никельмен қаптау үшін алдымен заттың бетін мұқият тазалау керек. Мұны істеу үшін оны элитриирленген бормен жылтыратып, оны күйдіргіш сода, су және спирттің сұйылтылған ерітіндісімен дәйекті түрде майсыздандыру керек. Егер нысан тот басқан болса, оны алдын ала 10-15% күкірт қышқылы ерітіндісінде маринадтау керек.
Біз тазартылған өнімді электролиттік ваннаға (кішкентай аквариум немесе стакан) іліп қоямыз, онда ол катод ретінде қызмет етеді.
Мыс қаптамасын жағуға арналған ерітіндіде 1 литр суда 250 г мыс сульфаты және 80-100 г концентрлі күкірт қышқылы бар (Абайлаңыз!). Бұл жағдайда мыс пластина анод ретінде қызмет етеді. Анодтың беті шамамен қапталған объектінің бетіне тең болуы керек. Сондықтан сіз әрқашан мыс анодының ваннада катодпен бірдей тереңдікте ілініп тұруын қамтамасыз етуіңіз керек.
Процесс кернеуі 3-4 В (екі батарея) және 0,02-0,4 А/см 2 ток тығыздығы кезінде жүзеге асырылатын болады. Ваннадағы ерітіндінің температурасы 18-25 ° C болуы керек.
Анодтың жазықтығы мен қапталатын беттің бір-біріне параллель болуына назар аударыңыз. Күрделі пішіндегі заттарды пайдаланбаған дұрыс. Электролиз ұзақтығын өзгерту арқылы әртүрлі қалыңдықтағы мыс жабындысын алуға болады.
Бұл қабатқа басқа металдың берік жабынын жағу үшін алдын ала мыс қаптау жиі қолданылады. Бұл әсіресе темір хромдау, мырыш құю никельмен қаптау және басқа жағдайларда жиі қолданылады. Рас, бұл үшін өте улы цианидті электролиттер қолданылады.
Никельмен қаптау үшін электролит дайындау үшін 25 г кристалды никель сульфатын, 10 г бор қышқылын немесе 10 г натрий цитратын 450 мл суда ерітеді. Натрий цитраты 10 г лимон қышқылының ерітіндісін натрий гидроксидінің сұйылтылған ерітіндісімен немесе сода ерітіндісімен бейтараптандыру арқылы дайындалуы мүмкін. Анод мүмкін болатын ең үлкен аймақтың никель пластинасы болсын, ал батареяны кернеу көзі ретінде алайық.
Айнымалы кедергінің көмегімен ток тығыздығының мәні 0,005 А/см 2 тең сақталады. Мысалы, нысанның беті 20 см 2 болғанда, 0,1 А ток күшімен жұмыс істеу керек. Жарты сағаттық жұмыстан кейін нысан никельмен қапталған болады. Ваннадан шығарып, шүберекпен сүртіңіз. Дегенмен, никельмен қаптау процесін тоқтатпаған дұрыс, өйткені никель қабаты пассивациялануы мүмкін және кейінгі никель жабыны жақсы жабыспайды.
Механикалық жылтыратусыз айна жылтырына қол жеткізу үшін біз жабын ваннасына ағартатын қоспаны енгіземіз. Мұндай қоспалар, мысалы, желім, желатин, қант. Сіз никель ваннасына, мысалы, қанттың бірнеше граммына кіріп, оның әсерін зерттей аласыз.
Темір хромдау үшін электролит дайындау үшін (алдын ала мыс қаптағаннан кейін) 40 г CrO 3 хром ангидридін (Абайлаңыз! У!) және тура 0,5 г күкірт қышқылын (артық емес жағдайда!) 100 мл суда ерітейік. Процесс шамамен 0,1 А / см 2 ток тығыздығында жүреді және анод ретінде қорғасын тақтасы пайдаланылады, оның ауданы бірнеше болуы керек. аз аумақхромдалған беті.
Никель және хром ванналары жақсы қыздырылады (шамамен 35 ° C дейін). Хромдауға арналған электролиттер, әсіресе ұзақ процесс және жоғары ток күші бар, денсаулыққа өте зиянды хром қышқылы бар буларды шығаратынын ескеріңіз. Сондықтан хромдау сызба астында немесе ашық ауада, мысалы, балконда жүзеге асырылуы керек.
Хромдау кезінде (және аз дәрежеде никельмен қаптауда) барлық ток металды тұндыру үшін пайдаланылмайды. Сонымен бірге сутегі бөлінеді. Кернеу қатары негізінде сутегінің алдында тұрған металдар сулы ерітінділерден мүлдем бөлінбеу керек, керісінше, белсенділігі аз сутек бөлінуі керек деп күтуге болады. Бірақ бұл жерде металдардың анодтық ерігендегідей сутегінің катодтық бөлінуі жиі тежеледі және тек жоғары кернеуде ғана байқалады. Бұл құбылыс сутегінің асқын кернеуі деп аталады және ол әсіресе үлкен, мысалы, қорғасында. Осы жағдайға байланысты қорғасын батареясы жұмыс істей алады. Батарея зарядталған кезде, PbO 2 орнына сутегі катодта пайда болуы керек, бірақ шамадан тыс кернеуге байланысты сутегінің бөлінуі батарея толығымен дерлік зарядталған кезде басталады.