Ряд напряжений металлов реферат

Обновлено: 30.06.2024

Химические свойства металлов определяются их активностью. Простые вещества – металлы в химических реакциях всегда являются восстановителями . Положение металла в ряду активности характеризует то, насколько активно данный металл способен вступать в химические реакции (т. е. то, насколько сильно у него проявляются восстановительные свойства).

Среди металлов традиционно выделяют несколько групп.

благородные металлы (серебро, золото, платина, иридий);

щелочные металлы – I(A) группа ;

щелочноземельные металлы – II(A) группа , кроме Be, Mg.

Металлы встпают в реакции с простыми веществами – неметаллами (кислород, галогены, сера, азот, фосфор и др.) и сложными веществами (вода, кислоты, растворы солей)

Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами

1. Металлы взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды:

4Li + O ₂ = обыч. усл . = 2Li ₂ O

2Mg + O ₂ = t, °C = 2MgO

Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют

2. Металлы взаимодействуют с галогенами (фтором, хлором, бромом и йодом), образуя галогениды – Ме +n Г -1 _n

2Na + Cl ₂ = 2NaCl

3. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.

4. Активные металлы при нагревании реагируют с азотом, фосфором и некоторыми другими неметаллами.

3Na + P = t, °C = Na ₃ P

Взаимодействие со сложными веществами

I. Взаимодействие воды с металлами

1). Взаимодействие с самыми активными металлами, находящимися в периодической системе в I(А) и II(А) группах (щелочные и щелочноземельные металлы) и алюминий . В результате образуются основание и газ водород .

Me + H ₂ O = Me(OH) _n + H ₂ (р. замещения)

Внимание! Алюминий и магний ведут себя также:

Магний (в горячей воде):

2) Взаимодействие с менее активными металлами, которые расположены в ряду активности от алюминия до водорода.

Металлы средней активности, стоящие в ряду активности до (Н ₂ ) – Be, Fe, Pb, Cr, Ni, Mn, Zn – реагируют с образованием оксида металла и водорода

Me + Н ₂ О = Ме _х О _у + Н ₂ (р. замещения)

Бериллий с водой образует амфотерный оксид:

Be + H ₂ O = t°C = BeO + H ₂

Раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe ₃ O ₄ и водород:

3) Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не реагируют с водой.

Cu + H ₂ O ≠ нет реакции

II. Взаимодействие растворов кислот с металлами

Металлы, стоящие в ряду активности металлов левее водорода, взаимодействуют с растворами кислот ( раствор азотной кислоты – исключение ), образуя соль и водород.

Кислота _{(раствор)} + Me _{до (Н2)} = Соль + H ₂ ↑

III. Взаимодействие кислот-окислителей с металлами

Металлы особо реагируют с серной концентрированной и азотной кислотами:

H ₂ SO ₄ (конц.) + Me = Сульфат + H ₂ O + Х

HNO ₃ + Me = Нитрат + H ₂ O + Х

4Zn + 10HNO _{3 (раствор горячий)} = t˚C = 4Zn(NO ₃ ) ₂ + N ₂ O + 5H ₂ O

4Zn + 10HNO _{3 (оч. разб. горячий)} = t˚C = 4Zn(NO ₃ ) ₂ + NH ₄ NO ₃ + 3H ₂ O

IV. С растворами солей менее активных металлов

Ме + Соль = Новый металл + Новая соль

Активность металла в реакциях с кислотами, водными растворами солей и др. можно определить, используя электрохимический ряд, предложенный в 1865 г русским учёным Н. Н. Бекетовым: от калия к золоту восстановительная способность (способность отдавать электроны) уменьшается, все металлы, стоящие в ряду левее водорода, могут вытеснять его из растворов кислот; медь, серебро, ртуть, платина, золото, расположенные правее, не вытесняют водород.

Первоначально Бекетов предполагал, что способность одних металлов вытеснять из растворов солей другие металлы связана с их плотностью: более лёгкие металлы способны вытеснять металлы более тяжелые. Но опыты говорили о ином. Непонятно было и то, как связан “вытеснительный ряд” с рядом напряжений Алессандро Вольта. Со временем накапливалось всё больше экспериментальных данных того, что некоторые правила вытеснения нарушаются при определенных условиях. Бекетов обнаружил, что водород под давлением 10 атмосфер вытесняет серебро из раствора нитрата серебра. Английский химик Уильям Одлинг (1829-1921) описал множество случаев подобных аномалий. Например, медь вытесняет олово из концентрированного подкисленного раствора хлорида олова (II) и свинец – из кислого раствора хлорида свинца (II). Медь, олово и свинец находятся в ряду правее кадмия, однако могут вытеснять его из кипящего слабо подкисленного раствора хлорид кадмия.

Теоретическую основу ряда активности (и ряда напряжений) заложил немецкий физикохимик Вальтер Нернст (1864-1941). Вместо качественной характеристики – “склонности” металла и его иона к тем или иным реакциям – появилась точная количественная величина. Такой величиной стал стандартный электродный потенциал металла, а соответствующий ряд, выстроенный в порядке изменения потенциалов, называется рядом стандартных электродных потенциалов.

Электрохимический ряд напряжений металлов (ряд Бекетова) это последовательность расположения металлов и их ионов в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов в растворах электролитов. Электродом сравнения обычно служит стандартный водородный электрод, электродный потенциал которого условно принимается равным нулю.

Восстановленная форма	Число отданных електронов	Окисленная форма	Стандартный электродный потенциал, В
Li	1e	Li +	-3,05
K	1e	K +	-2,925
Rb	1e	Rb +	-2,925
Cs	1e	Cs +	-2,923
Ba	2e	Ba 2+	-2,91
Sr	2e	Sr 2+	-2,89
Ca	2e	Ca 2+	-2,87
Na	1e	Na +	-2,71
Mg	2e	Mg 2+	-2,36
Al	3e	Al 3+	-1,66
Mn	2e	Mn 2+	-1,18
Zn	2e	Zn 2+	-0,76
Cr	3e	Cr 3+	-0,74
Fe	2e	Fe 2+	-0,44
Cd	2e	Cd 2+	-0,40
Co	2e	Co 2+	-0,28
Ni	2e	Ni 2+	-0,25
Sn	2e	Sn 2+	-0,14
Pb	2e	Pb 2+	-0,13
Fe	3e	Fe 3+	-0,04
H₂	2e	2H +	0,00
Cu	2e	Cu 2+	0,34
Cu	1e	Cu +	0,52
2Hg	2e	Hg₂ 2+	0,79
Ag	1e	Ag +	0,80
Hg	2e	Hg 2+	0,85
Pt	2e	Pt 2+	1,20
Au	3e	Au 3+	1,50

Место каждого элемента в ряду напряжений условно, т.к. величина электродного потенциала зависит от температуры и состава раствора, в который погружены электроды, в частности от концентрации ионов. Большое значение также имеет состояние поверхности электрода (гладкая, шероховатая). Стандартный электродный потенциал относится к водным растворам при температуре 25 °С, давлении газов 1 атмосфера и концентрации ионов 1 моль/л.

Из электрохимического ряда напряжений металлов вытекает ряд важных следствий:

Каждый металл способен вытеснять (замещать) из растворов солей все другие металлы, стоящие правее данного металла;
Все металлы, расположенные левее водорода, способны вытеснять его из кислот;
Чем дальше расположены друг от друга два металла в ряду напряжений, тем большее напряжение может давать созданный из них гальванический элемент.

Восстановление водородом из оксидов

Металлы, которые водород не восстанавливает из их оксидов

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Государственное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №225 Адмиралтейского района Санкт-Петербурга

Сарбаева Марина Евгеньевна

Воронаев Иван Геннадьевич

Титульный лист: 1 страница

Вводная часть. История: 3 страница

Основная часть: 4-6 страницы

Вывод: 7 страница

Библиография: 8 страница

Если определенным образом соединить два электрода, то получится гальванический элемент. Напряжение этого элемента равно разности электродных потенциалов двух составляющих его электродов. Если известен электродный потенциал одного электрода, мы можем определить электродный потенциал другого. Обратите внимание на это "если": мы, действительно, должны знать электродный потенциал одного из электродов. Но так как абсолютное значение было не известно, приняли электродный потенциал одного из электродов равным нулю, тогда можно определить значение другого электродного потенциала. Нулевое значение дали водородному электроду. Чтобы определить стандартный электродный потенциал металла, измеряют электродвижущую силу гальванического элемента, один из электродов которого - исследуемый металл, погружённый в раствор его соли (при концентрации 1 моль/л), а второй электрод - эталонный (его ещё называют водородным). Водородный электрод изготовлен из очень пористой губчатой платины (поверхность электрода шероховатая) и опущен в раствор кислоты (концентрация ионов Н + также равна 1 моль/л). Платиновый электрод непрерывно омывается газообразным водородом, который частично растворяется в платине. Давление водорода также должно быть стандартным - 1,013•10 5 Па (1 атм), а температура ровна 25 °С. Устанавливается равновесие между осажденными на платине атомами водорода и ионами водорода в растворе. На границе металл - раствор возникает разность потенциалов, которую электрохимики принимают равной нулю. Конечно, в действительности этот потенциал не равен нулю, но его значение нам неизвестно. Поэтому определение потенциала любого электрода с помощью стандартного водородного электрода имеет относительный характер; мы определяем его по отношению к условно принятому за нуль значению стандартного водородного потенциала. Стандартный электродный потенциал - основная характеристика электрода - измерен и отражен в справочной литературе. Электродные потенциалы наиболее активных металлов, реагирующих с водой, получены косвенным путём.

Обычно электродные потенциалы записывают как потенциалы восстановления ионов металлов. Самый отрицательный потенциал (-3,04 В) - у реакции Li + + е → Li один из самых положительных (+1,68 В) - у реакции Au + + е → Au. Это значит, что ЭДС гальванической пары литий - золото (если бы такая пара могла работать в водной среде) равнялась бы 4,72 В; для распространённой пары медь - цинк ЭДС

значительно меньше и составляет 1,10 В (соответствующие потенциалы металлов равны -0,76 и +0,34 В).Для неводных электролитов можно использовать и щелочные металлы; так устроены литиевые элементы - они дают ЭДС до 3,5 В. Конечно, потенциалы для неводных растворов другие.

Стандартные электродные потенциалы увеличиваются в ряду: Li ₂ + выделяется 531 кДж/моль, а ионов Na + - "всего" 423 кДж/моль. По сумме "троеборья" литий занимает первое место: его растворение в воде энергетически более выгодно (на 32 кДж/моль), чем растворение натрия.

Рассмотрим конкретный пример. Пусть это будут пары 2I - /I ₂ и Cu + /Cu 2+ . В таблице против этих пар стоит соответственно 0,536 и 0,153 В. В принципе возможны два процесса:

2I - +2Cu 2+ →I ₂ +2Cu + ;где иодид-ион служит восстановителем и:
I ₂ +2Cu + →2I - +2Cu 2+ ;где иод - окислитель

Значения восстановительно-окислительных потенциалов показывают, что ионы Cu + являются более сильным восстановителем, чем I - . Это означает, что иод растворится в растворах одновалентной меди, т. е. реально будет происходить только второй процесс. Не следует, однако, забывать, что в таблице приведены стандартные восстановительно-окислительные потенциалы, которые соответствуют случаю, когда элемент находится в растворе с концентрацией ионов этого элемента 1 моль/л или когда его окисленная и восстановленная формы имеют одинаковую концентрацию. Реальный электродный потенциал определяется из расширенного уравнения Нернста, которое называется уравнением Петерса:

где [Ox] - концентрация окисленной формы; [Red] - концентрация восстановленной формы; n - число обмененных электронов.

Например, для восстановительно-окислительного потенциала пары Fe 2+ / Fe 3+ получим:

E = 0,75 - 0,059 • lg( Fe 3+ /Fe 2+ )

а для пары (Mn 2+ + 4H ₂ O)/(MnO ₄ - + 8H + ):

E = 1,51 + 0,059/5 • lg( [MnO ₄ - ][ H + ] 8 /[ Mn 2+ ] )

Теперь вы видите, в какой степени электродный потенциал, а значит, и окислительные свойства иона перманганата зависят от кислотности среды. Мы должны пользоваться таблицей восстановительно-окислительных потенциалов, но никогда не следует забывать и уравнения Нернста и Петерса.

Электрохимический ряд активности (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) металлов — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ 0 , отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Me n+ : Me n+ + nē → Me

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительные реакциях в водных растворах.

Содержание

История

Последовательность расположения металлов в порядке изменения их химической активности в общих чертах была известна уже алхимикам [1] . Процессы взаимного вытеснения металлов из растворов и их поверхностное осаждение (например, вытеснение серебра и меди из растворов их солей железом) рассматривались как проявление трансмутации элементов.

В 1798 году Иоганн Вильгельм Риттер указал, что ряд Вольта эквивалентен ряду окисления металлов (т. е. последовательности уменьшения их сродства с кислородом). Таким образом, Риттер высказал гипотезу о возникновении электрического тока вследствие протекания химической реакции [3] .

Не отрицая значительных заслуг Бекетова в становлении современных представлений об ряде активности металлов, следует считать ошибочным бытующее в отечественной популярной и учебной литературе представление о нём как единственном создателе этого ряда. [5] [6] .

Теоретические основы

Значения электрохимических потенциалов являются функцией многих переменных и поэтому обнаруживают сложную зависимость от положения металлов в периодической системе. Так, окислительный потенциал катионов растёт с увеличением энергии атомизации металла, с увеличением суммарного потенциала ионизации его атомов и с уменьшением энергии гидратации его катионов.

В самом общем виде ясно, что металлы, находящиеся в начале периодов характеризуются низкими значениями электрохимических потенциалов и занимают места в левой части ряда напряжений. При этом чередование (щелочных и щёлочноземельных металлов отражает явление диагонального сходства. Металлы, расположенные ближе к серединам периодов, характеризуются большими значениями потенциалов и занимают места в правой половине ряда. Последовательное увеличение электрохимического потенциала (от −3,395 В у пары Eu 2+ /Eu [источник не указан 228 дней] до +1,691 В у пары Au + /Au) отражает уменьшение восстановительной активности металлов (свойство отдавать электроны) и усиление окислительной способности их катионов (свойство присоединять электроны). Таким образом, самым сильным восстановителем является металлический европий, а самым сильным окислителем — катионы золота Au + .

В ряд напряжений традиционно включается водород, поскольку практическое измерение электрохимических потенциалов металлов производится с использованием стандартного водородного электрода.

Практическое использование ряда напряжений

Ряд напряжений используется на практике для сравнительной оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот и для оценки катодных и анодных процессов при электролизе: