تعدادی از فلزات در شیمی فلزات فعال یادآوری به بچه ها داده می شود

هدف کار:با وابستگی خواص ردوکس فلزات به موقعیت آنها در سری ولتاژ الکتروشیمیایی آشنا شوید.

تجهیزات و معرف ها:لوله آزمایش، نگهدارنده لوله آزمایش، لامپ الکل، کاغذ فیلتر، پیپت، 2n.راه حل ها HClو H2SO4، متمرکز شده است H2SO4، رقیق و غلیظ شده است HNO3, 0.5 میلیونراه حل ها CuSO 4، Pb(NO 3) 2یا سرب (CH3COO)2; قطعات فلزی آلومینیوم، روی، آهن، مس، قلع، گیره های کاغذ آهن، آب مقطر.

توضیحات نظری

خصوصیات شیمیایی هر فلز تا حد زیادی با نحوه اکسید شدن آن مشخص می شود، یعنی. اتم های آن چقدر راحت می توانند به حالت یون های مثبت تبدیل شوند.

فلزاتی که قابلیت اکسید شدن آسانی دارند، فلزات پایه نامیده می شوند. فلزاتی که با آن اکسید می شوند با سختی زیاد، نجیب نامیده می شوند.

هر فلز با مقدار معینی از پتانسیل الکترود استاندارد مشخص می شود. برای پتانسیل استاندارد j 0از یک الکترود فلزی داده شده، EMF یک سلول گالوانیکی متشکل از یک الکترود هیدروژن استاندارد واقع در سمت چپ و یک صفحه فلزی قرار گرفته در محلول نمک این فلز گرفته می‌شود و فعالیت (در محلول‌های رقیق غلظت می‌تواند استفاده شده) از کاتیون های فلزی موجود در محلول باید برابر با 1 باشد mol/l; T=298 K; p=1 اتمسفر(شرایط استاندارد). اگر شرایط واکنش با شرایط استاندارد متفاوت باشد، لازم است که وابستگی پتانسیل های الکترود به غلظت (به طور دقیق تر، فعالیت) یون های فلزی در محلول و دما در نظر گرفته شود.

وابستگی پتانسیل های الکترود به غلظت با معادله نرنست بیان می شود که در صورت اعمال به سیستم:

من n + + n e -→من

در;

آر – ثابت گاز, ;

F –ثابت فارادی ("96500 C/mol);

n -

a Me n + - mol/l.

معنی گرفتن تی=298به،دریافت می کنیم

mol/l.

j 0 ,مطابق با نیمه واکنش کاهشی، تعدادی ولتاژ فلزی به دست می آید (تعدادی پتانسیل الکترود استاندارد). پتانسیل استاندارد الکترود هیدروژن که به عنوان صفر در نظر گرفته می شود، برای سیستمی که در آن فرآیند اتفاق می افتد در یک ردیف قرار می گیرد:

2Н + +2е - = Н 2

در عین حال، پتانسیل الکترود استاندارد فلزات پایه دارای مقدار منفی و پتانسیل های فلزات نجیب دارای مقدار مثبت است.

سری ولتاژ الکتروشیمیایی فلزات

لی; K; با Sr; Ca; Na; Mg; Al; منگنز روی Cr; Fe; سی دی; شرکت نی; Sn; سرب ( ح) ; Sb; بی; مس جیوه Ag; Pd; Pt; طلا

این مجموعه توانایی ردوکس سیستم "فلز - یون فلز" را در آن مشخص می کند محلول های آبیتحت شرایط استاندارد هر چه فلز در سری ولتاژها به سمت چپ بیشتر باشد (کوچکتر است j 0) یک عامل احیا کننده قوی تر است و اتم های فلز راحت تر الکترون ها را ترک می کنند و به کاتیون تبدیل می شوند، اما کاتیون های این فلز برای اتصال الکترون ها دشوارتر هستند و به اتم های خنثی تبدیل می شوند.

واکنش‌های ردوکس شامل فلزات و کاتیون‌های آنها در جهتی پیش می‌رود که در آن فلز با پتانسیل الکترود پایین‌تر یک عامل احیاکننده است (یعنی اکسید شده)، و کاتیون‌های فلزی با پتانسیل الکترود بالاتر، عوامل اکسید کننده (یعنی کاهش یافته) هستند. در این راستا، الگوهای زیر مشخصه سری ولتاژ الکتروشیمیایی فلزات است:

1. هر فلز از محلول نمک همه فلزات دیگری را که در سمت راست آن در سری الکتروشیمیایی ولتاژهای فلزی قرار دارند جابجا می کند.

2. تمام فلزاتی که در سمت چپ هیدروژن در سری ولتاژ الکتروشیمیایی قرار دارند، هیدروژن را از اسیدهای رقیق جابجا می کنند.

روش شناسی تجربی

آزمایش 1: برهمکنش فلزات با اسید هیدروکلریک.

2 - 3 را در چهار لوله آزمایش بریزید میلی لیتراسید کلریدریک و یک قطعه آلومینیوم، روی، آهن و مس را جداگانه در آنها قرار دهید. کدام یک از فلزات گرفته شده جایگزین هیدروژن از اسید می شود؟ معادلات واکنش را بنویسید.

آزمایش 2: برهمکنش فلزات با اسید سولفوریک.

یک تکه آهن را در لوله آزمایش قرار داده و 1 عدد به آن اضافه کنید میلی لیتر 2nاسید سولفوریک چه چیزی در حال مشاهده است؟ آزمایش را با یک تکه مس تکرار کنید. آیا واکنش صورت می گیرد؟

بررسی اثر اسید سولفوریک غلیظ بر روی آهن و مس. مشاهدات را توضیح دهید. تمام معادلات واکنش را بنویسید.

آزمایش 3: برهمکنش مس با اسید نیتریک.

یک تکه مس را در دو لوله آزمایش قرار دهید. 2 عدد را در یکی از آنها بریزید میلی لیتررقیق شده اسید نیتریک، در دوم - متمرکز. در صورت لزوم، محتویات لوله های آزمایش را در یک لامپ الکلی گرم کنید. کدام گاز در اولین لوله آزمایش و کدام گاز در لوله آزمایش دوم تشکیل می شود؟ معادلات واکنش را بنویسید.

آزمایش 4: برهمکنش فلزات با نمک ها.

2 تا 3 عدد را داخل لوله آزمایش بریزید میلی لیترمحلول سولفات مس (II) و یک تکه سیم آهن را پایین بیاورید. چه اتفاقی می افتد؟ آزمایش را تکرار کنید و سیم آهن را با یک تکه روی جایگزین کنید. معادلات واکنش را بنویسید. داخل لوله آزمایش 2 بریزید میلی لیترمحلول سرب (II) استات یا نیترات و یک تکه روی بریزید. چه اتفاقی می افتد؟ معادله واکنش را بنویسید. عامل اکسید کننده و عامل کاهنده را مشخص کنید. آیا اگر روی با مس جایگزین شود واکنش رخ می دهد؟ یه توضیح بدید

11.3 سطح مورد نیاز از آمادگی دانش آموز

1. مفهوم پتانسیل الکترود استاندارد را بشناسید و از اندازه گیری آن ایده داشته باشید.

2. بتوانید از معادله نرنست برای تعیین پتانسیل الکترود در شرایطی غیر از شرایط استاندارد استفاده کنید.

3. بدانید که یک سری تنش های فلزی چیست و چه ویژگی هایی دارد.

4. قادر به استفاده از طیف وسیعی از تنش های فلزی برای تعیین جهت واکنش های ردوکس شامل فلزات و کاتیون های آنها و همچنین فلزات و اسیدها باشد.

وظایف خودکنترلی

1. جرم آهن فنی حاوی چه مقدار است 18% ناخالصی های مورد نیاز برای جابجایی سولفات نیکل از محلول (II) 7.42 گرمنیکل؟

2. یک صفحه مسی با وزن 28 گرم. در پایان واکنش، پلیت خارج شد، شسته شد، خشک شد و وزن شد. جرم آن معلوم شد 32.52 گرم. چه جرمی از نیترات نقره در محلول وجود داشت؟

3. مقدار پتانسیل الکترود مس غوطه ور در آن را تعیین کنید 0.0005 Mمحلول نیترات مس (II).

4. پتانسیل الکترود روی غوطه ور در 0.2 Mراه حل ZnSO4، برابر است 0.8 V. درجه آشکار تفکیک را تعیین کنید ZnSO4در محلولی با غلظت مشخص.

5. پتانسیل الکترود هیدروژن را در صورت غلظت یون هیدروژن در محلول محاسبه کنید (H+)بالغ می شود 3.8 10 -3 مول در لیتر.

6. محاسبه پتانسیل یک الکترود آهن غوطه ور در محلول حاوی 0.0699 گرم FeCI 2 در 0.5 لیتر.

7- پتانسیل الکترود استاندارد یک فلز را چه می نامند؟ چه معادله ای وابستگی پتانسیل الکترود به غلظت را بیان می کند؟

کار آزمایشگاهی № 12

موضوع: سلول گالوانیکی

هدف کار:آشنایی با اصول عملکرد سلول گالوانیکی، تسلط بر روش های محاسباتی EMFسلول های گالوانیکی

تجهیزات و معرف ها:صفحات مس و روی متصل به هادی ها، صفحات مس و روی متصل شده توسط هادی به صفحات مسی، کاغذ سنباده، ولت متر، 3 لیوان های شیمیایی روی 200-250 میلی لیتر، استوانه مدرج ، ایستاده با یک لوله U شکل ثابت در آن ، پل نمکی ، 0.1 Mمحلول های سولفات مس، سولفات روی، سولفات سدیم، 0,1 % محلول فنل فتالئین در 50% اتیل الکل

توضیحات نظری

سلول گالوانیکی یک منبع جریان شیمیایی است، یعنی دستگاهی که در نتیجه تبدیل مستقیم انرژی الکتریکی تولید می کند. انرژی شیمیاییواکنش ردوکس

جریان الکتریکی (حرکت هدایت شده ذرات باردار) از طریق هادی های جریان منتقل می شود که به هادی های نوع اول و دوم تقسیم می شوند.

رهبران اولین نوع رفتار جریان الکتریکیبا الکترون هایشان (رسانای الکترونیکی). اینها شامل تمام فلزات و آلیاژهای آنها، گرافیت، زغال سنگ و برخی اکسیدهای جامد است. رسانایی الکتریکی این رساناها از 10 2 تا 10 6 اهم -1 سانتی متر -1 (به عنوان مثال، زغال سنگ - 200 اهم -1 سانتی متر -1، نقره 6 10 5 اهم -1 سانتی متر -1).

هادی های نوع دوم با یون های خود (رسانای یونی) جریان الکتریکی را هدایت می کنند. آنها با هدایت الکتریکی کم مشخص می شوند (به عنوان مثال، H 2 O – 4 10 -8 اهم -1 سانتی متر -1).

هنگامی که هادی های نوع اول و دوم با هم ترکیب می شوند، یک الکترود تشکیل می شود. این اغلب فلزی است که در محلول نمک خود فرو رفته است.

هنگامی که یک صفحه فلزی در آب غوطه ور می شود، اتم های فلزی واقع در لایه سطحی آن تحت تأثیر مولکول های آب قطبی هیدراته می شوند. در اثر هیدراتاسیون و حرکت حرارتی، اتصال آنها با شبکه کریستالی ضعیف شده و تعداد معینی از اتم ها به صورت یون های هیدراته به لایه مایع مجاور سطح فلز عبور می کنند. صفحه فلزی دارای بار منفی می شود:

Me + m H 2 O = Me n + n H 2 O + ne -

کجا مه- اتم فلز؛ من n + n H 2 O- یون فلزی هیدراته؛ الکترونیکی– الکترون، n- بار یون فلزی

حالت تعادل به فعالیت فلز و غلظت یونهای آن در محلول بستگی دارد. در مورد فلزات فعال ( روی، آهن، کادمیوم، نیکل) تعامل با مولکول های قطبیآب با جدا شدن یون های فلزی مثبت از سطح و انتقال یون های هیدراته به محلول به پایان می رسد (شکل 1). الف). این فرآیند اکسیداتیو است. با افزایش غلظت کاتیون ها در نزدیکی سطح، سرعت فرآیند معکوس - کاهش یون های فلزی - افزایش می یابد. در نهایت، نرخ هر دو فرآیند برابر می شود، تعادل برقرار می شود، که در آن یک لایه الکتریکی دوتایی با مقدار مشخصی از پتانسیل فلزی در رابط محلول-فلز ظاهر می شود.

+ + + +

– – – –

‌

Zn 0 + mH 2 O → Zn 2 + mH 2 O + 2e - + + – – Cu 2+ nH 2 O + 2e - → Cu 0 + nH 2 O

+ + + – – –

برنج. 1. طرح وقوع پتانسیل الکترود

هنگامی که یک فلز نه در آب، بلکه در محلول نمک این فلز غوطه ور می شود، تعادل به سمت چپ، یعنی به سمت انتقال یون ها از محلول به سطح فلز، تغییر می کند. در این حالت، یک تعادل جدید در مقدار متفاوتی از پتانسیل فلز برقرار می شود.

برای فلزات غیر فعال، غلظت تعادلی یون های فلزی در آب خالص بسیار کم است. اگر چنین فلزی در محلول نمک خود غوطه ور شود، کاتیون های فلزی با سرعت بیشتری نسبت به سرعت انتقال یون ها از فلز به محلول از محلول آزاد می شوند. در این حالت، سطح فلز یک بار مثبت دریافت می کند و محلول به دلیل وجود بیش از حد آنیون های نمک بار منفی دریافت می کند (شکل 1. ب).

بنابراین، هنگامی که یک فلز در آب یا در محلولی حاوی یون های یک فلز معین غوطه ور می شود، یک لایه دوگانه الکتریکی در سطح مشترک فلز-محلول تشکیل می شود که دارای اختلاف پتانسیل مشخصی است. پتانسیل الکترود به ماهیت فلز، غلظت یونهای آن در محلول و دما بستگی دارد.

مقدار مطلق پتانسیل الکترود jیک الکترود منفرد را نمی توان به صورت تجربی تعیین کرد. با این حال، اندازه گیری اختلاف پتانسیل بین دو الکترود شیمیایی متفاوت امکان پذیر است.

ما موافقت کردیم که پتانسیل یک الکترود هیدروژن استاندارد را برابر با صفر بگیریم. یک الکترود هیدروژن استاندارد یک صفحه پلاتین پوشیده شده با اسفنج پلاتین است که در محلول اسیدی با فعالیت یون هیدروژن 1 غوطه ور شده است. mol/l.الکترود با گاز هیدروژن در فشار 1 شسته می شود خودپردازو دما 298 K.این یک تعادل ایجاد می کند:

2 N + + 2 e = N 2

برای پتانسیل استاندارد j 0از این الکترود فلزی گرفته می شود EMFیک سلول گالوانیکی متشکل از یک الکترود هیدروژن استاندارد و یک صفحه فلزی قرار داده شده در محلول نمک این فلز و فعالیت (در محلول های رقیق می توان از غلظت استفاده کرد) کاتیون های فلزی در محلول باید برابر با 1 باشد. mol/l; T=298 K; p=1 اتمسفر(شرایط استاندارد). مقدار پتانسیل الکترود استاندارد همیشه به عنوان نیمه واکنش کاهشی نامیده می شود:

Me n + +n e - → Me

چیدمان فلزات به ترتیب افزایشی پتانسیل الکترودی استاندارد آنها j 0 ,مطابق با نیمه واکنش کاهشی، تعدادی ولتاژ فلزی به دست می آید (تعدادی پتانسیل الکترود استاندارد). پتانسیل الکترود استاندارد سیستم که به عنوان صفر در نظر گرفته شده است در همان ردیف قرار می گیرد:

Н + +2е - → Н 2

وابستگی پتانسیل الکترود فلزی jبر روی دما و غلظت (فعالیت) توسط معادله نرنست تعیین می شود، که در صورت اعمال به سیستم:

من n + + n e -→من

می توان به شکل زیر نوشت:

پتانسیل الکترود استاندارد کجاست، در;

آر- ثابت گاز، ;

F –ثابت فارادی ("96500 C/mol);

n -تعداد الکترون های درگیر در فرآیند؛

a Me n + -فعالیت یون های فلزی در محلول، mol/l.

معنی گرفتن تی=298به،دریافت می کنیم

علاوه بر این، فعالیت در محلول های رقیق را می توان با غلظت یون بیان شده در جایگزین کرد mol/l.

EMFهر سلول گالوانیکی را می توان به عنوان تفاوت بین پتانسیل الکترود کاتد و آند تعریف کرد:

EMF = j کاتد -j آند

قطب منفی عنصر را آند می نامند و فرآیند اکسیداسیون روی آن انجام می شود:

Me - ne - → Me n +

قطب مثبت کاتد نامیده می شود و فرآیند کاهش روی آن انجام می شود:

من n + + ne - → من

یک سلول گالوانیکی را می توان در حین مشاهده به صورت شماتیک نوشت قوانین خاص:

1. الکترود سمت چپ باید به ترتیب فلز - یون نوشته شود. الکترود سمت راست به ترتیب یون - فلز نوشته شده است. (-) Zn/Zn 2+ //Cu 2+ /Cu (+)

2. واکنشی که در الکترود چپ رخ می دهد به عنوان اکسیداتیو و واکنش در الکترود سمت راست به عنوان کاهنده ثبت می شود.

3. اگر EMFعنصر > 0، سپس عملکرد سلول گالوانیکی خود به خود خواهد بود. اگر EMF< 0, то самопроизвольно будет работать обратный гальванический элемент.

روش انجام آزمایش

تجربه 1: ترکیب سلول گالوانیکی مس-روی

تجهیزات و معرف های لازم را از دستیار آزمایشگاه تهیه کنید. در یک فنجان با حجم 200 میلی لیترریختن 100 میلی لیتر 0.1 Mمحلول سولفات مس (II)و صفحه مسی متصل به هادی را داخل آن پایین بیاورید. همان حجم را در لیوان دوم بریزید 0.1 Mمحلول سولفات روی و صفحه روی متصل به هادی را داخل آن پایین بیاورید. ابتدا باید صفحات را با سمباده تمیز کنید. یک پل نمک از دستیار آزمایشگاه بگیرید و دو الکترولیت را با آن وصل کنید. پل نمک یک لوله شیشه ای پر از ژل (آگار-آگار) است که هر دو انتهای آن با یک سواب پنبه بسته می شود. پل در محلول آبی اشباع سولفات سدیم نگهداری می شود که در نتیجه ژل متورم می شود و هدایت یونی از خود نشان می دهد.

با کمک یک معلم، یک ولت متر را به قطب های سلول گالوانیکی حاصل وصل کنید و ولتاژ را اندازه گیری کنید (اگر اندازه گیری با یک ولت متر با مقاومت کوچک انجام شود، تفاوت بین مقدار EMFو ولتاژ پایین است). با استفاده از معادله نرنست، مقدار نظری را محاسبه کنید EMFسلول گالوانیکی ولتاژ کمتر است EMFسلول گالوانیکی به دلیل پلاریزاسیون الکترودها و تلفات اهمی.

تجربه 2: الکترولیز محلول سولفات سدیم

در تجربه به دلیل انرژی الکتریکیتولید شده توسط یک سلول گالوانیکی، پیشنهاد شده است که الکترولیز سولفات سدیم انجام شود. برای انجام این کار، محلول سولفات سدیم را در یک لوله U شکل بریزید و صفحات مسی را در هر دو زانویی قرار دهید که با کاغذ سنباده سمباده شده و به الکترودهای مس و روی سلول گالوانیکی متصل شده اند، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 2. 2-3 قطره فنل فتالئین را به هر آرنج لوله U شکل اضافه کنید. پس از مدتی محلول در فضای کاتدی الکترولیز به دلیل تشکیل قلیایی در حین احیای کاتدی آب صورتی رنگ می شود. این نشان می دهد که سلول گالوانیکی به عنوان منبع جریان عمل می کند.

معادلات فرآیندهایی را که در کاتد و آند در جریان الکترولیز محلول آبی سولفات سدیم اتفاق می‌افتند، بنویسید.

(–) آند کاتد (+)

پل نمکی

→ Zn 2 + Cu 2 +→

ZnSO 4 Cu SO 4

آند (-) کاتد (+)

Zn – 2e - → Zn 2+ Сu 2+ + 2e - → Cu

کاهش اکسیداسیون

12.3 سطح مورد نیاز از آمادگی دانش آموز

1. مفاهیم: هادی های نوع اول و دوم، دی الکتریک، الکترود، سلول گالوانیکی، آند و کاتد سلول گالوانیکی، پتانسیل الکترود، پتانسیل الکترود استاندارد را بدانید. EMFسلول گالوانیکی

2. در مورد دلایل وقوع پتانسیل های الکترود و روش های اندازه گیری آنها ایده داشته باشید.

3. ایده ای از اصول عملکرد یک سلول گالوانیکی داشته باشید.

4. بتوانید از معادله نرنست برای محاسبه پتانسیل الکترود استفاده کنید.

5. قادر به نوشتن نمودار سلول های گالوانیکی، قادر به محاسبه EMFسلول های گالوانیکی

وظایف خودکنترلی

1. هادی ها و دی الکتریک ها را توضیح دهید.

2. چرا آند در سلول گالوانیکی بار منفی دارد اما در الکترولیز بار مثبت؟

3. تفاوت ها و شباهت های کاتد در الکترولیز و سلول گالوانیکی چیست؟

4. یک بشقاب منیزیم در محلول نمک آن غوطه ور شد. در این مورد، پتانسیل الکترود منیزیم برابر بود -2.41 V. غلظت یون منیزیم را محاسبه کنید mol/l. (4.17x10 -2).

5. با چه غلظت یونی Zn 2+ (mol/l)پتانسیل الکترود روی تبدیل خواهد شد 0.015 Vکمتر از الکترود استانداردش؟ (0.3 mol/l)

6. الکترودهای نیکل و کبالت به ترتیب در محلول ها پایین می آیند. Ni(NO3)2و Co(NO3)2. غلظت یون های این فلزات در چه نسبتی باید باشد تا پتانسیل هر دو الکترود یکسان باشد؟ (C Ni 2+ :C Co 2+ = 1:0.117).

7. در چه غلظت یونی Cu 2+ V mol/lآیا پتانسیل الکترود مس با پتانسیل استاندارد الکترود هیدروژن برابر می شود؟ (1.89x 10 -6 mol/l).

8. یک نمودار تهیه کنید، معادلات الکترونیکی فرآیندهای الکترود را بنویسید و محاسبه کنید EMFسلول گالوانیکی متشکل از صفحات کادمیوم و منیزیم غوطه ور در محلول های نمک آنها با غلظت = = 1.0 مول در لیتر.آیا ارزش تغییر خواهد کرد EMF، اگر غلظت هر یون کاهش یابد 0.01 مول در لیتر? (2.244 V).

کار آزمایشگاهی شماره 13

در کتب درسی شیمی، هنگام ارائه مبحث "اسیدها" به یک شکل یا دیگری، سری جابجایی فلزات به اصطلاح ذکر شده است که ترکیب آن اغلب به بکتوف نسبت داده می شود.

به عنوان مثال، در زمانی گسترده ترین کتاب درسی کلاس هشتم توسط G. E. Rudzitis و F. G. Feldman (از سال 1989 تا 1995 با تیراژ کلی 8.3 میلیون نسخه منتشر شد) موارد زیر آمده است. به راحتی می توان از تجربه تأیید کرد که منیزیم به سرعت با اسیدها واکنش می دهد (به عنوان مثال از اسید هیدروکلریک)، روی تا حدودی کندتر، آهن حتی کندتر و مس با اسید هیدروکلریک واکنش نمی دهد. نویسندگان کتاب درسی در ادامه می نویسند: «آزمایش های مشابهی توسط دانشمند روسی N.N. Beketov انجام شد. - بر اساس آزمایش‌ها، او یک سری جابجایی از فلزات را گردآوری کرد: K، Na، Mg، Al، Zn، Fe، Ni، Sn، Pb (H)، مس، جیوه، Ag، Pt، Au. در این سری، تمام فلزاتی که قبل از هیدروژن قرار می گیرند، می توانند آن را از اسیدها جابجا کنند. همچنین گزارش شده است که بکتوف «بنیانگذار شیمی فیزیک است. در سال 1863 او یک سری جابجایی از فلزات را گردآوری کرد که به نام این دانشمند نامگذاری شده است. سپس به دانش‌آموزان اطلاع داده می‌شود که در سری Beketov، فلزات به سمت چپ، فلزات را از محلول نمک‌هایشان به سمت راست جابجا می‌کنند. استثنا فعال ترین فلزات است. اطلاعات مشابهی را می توان در سایر کتاب های درسی و کتابچه راهنمای مدرسه یافت، به عنوان مثال: "شیمیدان روسی N. N. Beketov تمام فلزات را مطالعه کرد و آنها را بر اساس فعالیت شیمیایی آنها در سری جابجایی (سری فعالیت) مرتب کرد" و غیره.

در اینجا ممکن است چندین سوال مطرح شود.

سوال یک. در واقع، قبل از آزمایشات بکتوف (یعنی قبل از سال 1863)، شیمیدان ها نمی دانستند که منیزیم، روی، آهن و تعدادی فلز دیگر با اسیدها واکنش می دهند و هیدروژن آزاد می کنند، اما مس، جیوه، نقره، پلاتین و طلا این خاصیت را ندارند. ?

سوال دو آیا شیمیدانان قبل از بکتوف متوجه نشده بودند که برخی از فلزات می توانند برخی دیگر را از محلول نمک هایشان جابجا کنند؟

سوال سه. در کتاب V. A. Volkov، E. V. Vonsky، G. I. Kuznetsov "شیمیدانان برجسته جهان. کتاب مرجع زندگینامه" (م.: دانشکده تحصیلات تکمیلی، 1991) گفته می شود که نیکولای نیکولایویچ بکتوف (1827–1911) یک شیمی دان فیزیک روسی، آکادمیک... یکی از بنیانگذاران شیمی فیزیک است... او رفتار اسیدهای آلی را در دماهای بالا مطالعه کرد. بنزوراید و استوراید سنتز شده (1852). ارائه (1865) تعدادی گزاره نظری در مورد وابستگی جهت واکنش ها به وضعیت معرف ها و شرایط خارجی ... گرمای تشکیل اکسیدها و کلریدها را تعیین کرد. فلزات قلیایی، برای اولین بار (1870) اکسیدهای بی آب فلزات قلیایی را به دست آورد. او با استفاده از توانایی آلومینیوم برای کاهش فلزات از اکسیدهای آنها، پایه های آلومینوترمی را بنا نهاد... رئیس انجمن فیزیک و شیمی روسیه...». و هیچ کلمه ای در مورد مجموعه او از سری جابجایی که در آن گنجانده شده بود (برخلاف، به عنوان مثال، از ureides - مشتقات اوره) کتاب های مدرسه، در چند میلیون نسخه منتشر شده است!

نویسندگان کتاب مرجع زندگینامه را به سختی باید به خاطر فراموش کردن کشف مهم دانشمند روسی سرزنش کرد: از این گذشته، D.I. مندلیف، که مطمئناً نمی توان او را به دلیل غیر وطن پرستی سرزنش کرد، در کتاب درسی کلاسیک خود "مبانی شیمی" نیز هرگز به سریال سرکوبگرانه بکتوف اشاره نمی کند. ، اگرچه 15 بار به آثار مختلف وی اشاره می کند. برای پاسخ به همه این سؤالات، باید به تاریخچه شیمی سفر کنیم، بفهمیم که چه کسی و چه زمانی سری فعالیت فلزات را پیشنهاد داده است، خود N.N.

دو سوال اول را می توان اینگونه پاسخ داد. البته هم آزاد شدن هیدروژن از اسیدها توسط فلزات و هم نمونه های مختلفجابجایی آنها از نمکها مدتها قبل از تولد بکتوف شناخته شده بود. به عنوان مثال، در یکی از کتاب‌های راهنمای شیمی‌دان و کانی‌شناس سوئدی تورنبرن اولاو برگمن، که در سال 1783 منتشر شد، توصیه می‌شود هنگام تجزیه و تحلیل سنگ‌های پلی‌فلزی، سرب و نقره را از محلول‌های با استفاده از صفحات آهن جابجا کنید. هنگام انجام محاسبات برای محتوای آهن در سنگ معدن، باید قسمتی از آن را در نظر گرفت که از صفحات وارد محلول شده است. برگمن در همان کتابچه راهنمای کاربر می نویسد: «فلزات را می توان از محلول نمک هایشان توسط فلزات دیگر جابجا کرد، با مقداری قوام. در سری روی، آهن، سرب، قلع، مس، نقره و جیوه، روی جایگزین آهن و غیره می شود. و البته این برگمان نبود که اولین بار این واکنش ها را کشف کرد: چنین مشاهداتی به دوران کیمیاگری بازمی گردد. معروف ترین نمونه چنین واکنشی در قرون وسطی توسط شارلاتان ها استفاده شد که به طور علنی "تبدیل" میخ آهنی را به "طلا" قرمز هنگامی که میخ در محلول سولفات مس فرو می کردند نشان دادند. اکنون این واکنش در درس های شیمی در مدرسه نشان داده می شود. اصل چیست نظریه جدیدبکتووا؟ قبل از ظهور ترمودینامیک شیمیایی، شیمیدانان وقوع واکنش در یک جهت یا جهت دیگر را با مفهوم میل ترکیبی یک جسم به جسم دیگر توضیح می دادند. همان برگمن، بر اساس واکنش های سرکوب شناخته شده، در سال 1775 نظریه قرابت انتخابی را توسعه داد. طبق این نظریه، میل ترکیبی شیمیایی بین دو ماده در شرایط معین ثابت می ماند و به جرم نسبی مواد واکنش دهنده بستگی ندارد. یعنی اگر اجسام A و B با جسم C تماس پیدا کنند، جسمی که تمایل بیشتری به آن دارد با C ارتباط برقرار می کند. به عنوان مثال، آهن نسبت به جیوه میل بیشتری به اکسیژن دارد و بنابراین ابتدا توسط آن اکسید می شود. فرض بر این بود که جهت واکنش صرفاً با میل ترکیبی شیمیایی اجسام واکنش دهنده تعیین می شود و واکنش تا تکمیل ادامه می یابد. برگمن جداول میل ترکیبی شیمیایی را که شیمیدانان تا آغاز قرن نوزدهم استفاده می کردند، تهیه کرد. این جداول به ویژه شامل اسیدها و بازهای مختلف است.

تقریباً همزمان با برگمان، شیمیدان فرانسوی کلود لوئیس برتوله نظریه دیگری را مطرح کرد. میل ترکیبی شیمیایی نیز با جذب اجسام به یکدیگر مرتبط بود، اما نتایج متفاوت بود. برتوله با قیاس با قانون جذب جهانی، معتقد بود که در شیمی، جاذبه باید به جرم اجسام در حال واکنش بستگی داشته باشد. بنابراین، سیر واکنش و نتیجه آن نه تنها به میل ترکیبی شیمیایی معرف ها، بلکه به کمیت آنها نیز بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر اجسام A و B بتوانند با C واکنش نشان دهند، جسم C بین A و B مطابق با قرابت و جرم آنها توزیع می شود و هیچ واکنشی به پایان نمی رسد، زیرا تعادل زمانی رخ می دهد که AC، BC و A آزاد باشند. و B به طور همزمان وجود دارند بسیار مهم است که توزیع C بین A و B می تواند بسته به مقدار اضافی A یا B تغییر کند. بنابراین، با افزایش زیاد، جسمی با میل ترکیبی کم می تواند تقریباً به طور کامل بدن C را از بدن خود خارج کند. "رقیب" آن اما اگر یکی از فرآورده های واکنش (AC یا BC) حذف شود، واکنش تا پایان کامل می شود و تنها محصولی تشکیل می شود که از محدوده عمل خارج می شود.

برتوله با مشاهده فرآیندهای بارش از محلول ها نتیجه گیری کرد. اگر اصطلاحات قدیمی را در نظر بگیرید، این نتیجه گیری ها به طرز شگفت آوری مدرن به نظر می رسند. با این حال، نظریه برتوله کیفی بود و راه‌هایی برای اندازه‌گیری مقادیر قرابت ارائه نکرد.

پیشرفت های بیشتر این نظریه بر اساس اکتشافات در زمینه الکتریسیته بود. فیزیکدان ایتالیایی الساندرو ولتا در پایان قرن هجدهم. نشان داد که وقتی فلزات مختلف با هم تماس پیدا می کنند، بار الکتریکی ایجاد می شود. ولتا با انجام آزمایش‌هایی با جفت‌های مختلف فلزات و تعیین علامت و مقدار بار برخی از فلزات نسبت به برخی دیگر، تعدادی ولتاژ ایجاد کرد: Zn، Pb، Sn، Fe، Cu، Ag، Au. ولتا با استفاده از جفت فلزات مختلف، یک سلول گالوانیکی ساخت که هر چه اعضای این سری از یکدیگر فاصله بیشتری داشته باشند، استحکام آن بیشتر بود. دلیل این امر در آن سال ها مشخص نبود. درست است، در سال 1797، دانشمند آلمانی، یوهان ویلهلم ریتر، پیش بینی کرد که در یک سری ولتاژ، فلزات باید به ترتیبی باشند که توانایی خود را برای ترکیب با اکسیژن کاهش دهند. در مورد روی و طلا، این نتیجه بدون شک بود. در مورد فلزات دیگر، باید توجه داشت که خلوص آنها خیلی بالا نبود، بنابراین سری Volta همیشه با مدرن مطابقت ندارد.

دیدگاه های نظری در مورد ماهیت فرآیندهای رخ داده در این مورد بسیار مبهم و اغلب متناقض بود. شیمیدان معروف سوئدی، یونس یاکوب برزلیوس اوایل XIX V. ایجاد الکتروشیمیایی (یا دوگانه، از لات. dualis - "دوگانه") نظریه ترکیبات شیمیایی. با توجه به این نظریه، فرض بر این بود که هر ترکیب شیمیایی از دو بخش تشکیل شده است - بار مثبت و منفی. در سال 1811 برزلیوس بر اساس خواص شیمیاییعناصر شناخته شده برای او، آنها را در یک ردیف قرار داده است به طوری که هر عضو در آن نسبت به قبلی الکترونگاتیو و نسبت به بعدی الکترومثبت باشد. در یک نسخه کوتاه شده، عناصر زیر به عنوان عناصر الکترونگاتیو (به ترتیب نزولی) طبقه بندی شدند:

O، S، N، Cl، Br، S، Se P، As، Cr، B، C، Sb، Te، Si.

سپس عنصر انتقال - هیدروژن، و پس از آن - عناصر الکترومثبت (به ترتیب افزایش این ویژگی) آمد:

طلا، پلاتین، جیوه، نقره، مس، بی، Sn، سرب، کادمیوم، کو، نیکل، آهن، روی، منگنز، آل، منیزیم، کلسیم، Sr، Ba، لی، Na، K.

این سری، اگر همه فلزات را به ترتیب معکوس بازنویسی کنیم، بسیار به سری مدرن نزدیک است. برخی از تفاوت‌ها در ترتیب فلزات در این سری احتمالاً به دلیل تصفیه ناکافی مواد در زمان برزلیوس و همچنین برخی از خواص دیگر فلزات است که برزلیوس توسط آن هدایت می‌شد. به گفته برزلیوس، هر چه عناصر در این سری از یکدیگر دورتر باشند، بارهای الکتریکی مخالف بیشتری دارند و ترکیبات شیمیایی آنها با یکدیگر قوی تر می شود.

نظریه دوآلیسم برزلیوس در اواسط قرن نوزدهم. غالب بود ناسازگاری آن توسط بنیانگذاران ترموشیمی، دانشمند فرانسوی مارسلین برتلو و محقق دانمارکی جولیوس تامسن نشان داده شد. آنها میل ترکیبی شیمیایی را با کاری که یک واکنش شیمیایی می تواند ایجاد کند اندازه گیری کردند. در عمل با اندازه گیری شد اثر حرارتیواکنش ها این کارها منجر به ایجاد ترمودینامیک شیمیایی شد - علمی که به ویژه محاسبه موقعیت تعادل در یک سیستم واکنش دهنده، از جمله تعادل در الکترود را ممکن کرد. فرآیندهای شیمیایی. مبانی نظریمجموعه ای از فعالیت ها (و یک سری ولتاژ) در محلول های تعیین شده در اواخر نوزدهم V. والتر نرنست شیمیدان فیزیک آلمانی. به جای ویژگی های کیفی- تمایل یا توانایی یک فلز و یون آن برای واکنش های خاص - یک مقدار کمی دقیق ظاهر شده است که مشخص کننده توانایی هر فلز برای رفتن به محلول به شکل یون و همچنین کاهش از یون به فلز است. الکترود این مقدار پتانسیل الکترود استاندارد فلز است و سری مربوطه را که به ترتیب تغییرات پتانسیل مرتب شده اند، سری پتانسیل های الکترود استاندارد می نامند. (حالت استاندارد فرض می کند که غلظت یون در محلول 1 مول در لیتر و فشار گاز 1 اتمسفر است؛ اغلب اوقات شرایط استانداردبرای دمای 25 درجه سانتیگراد محاسبه می شود.)

پتانسیل استاندارد فعال ترین فلزات قلیایی به صورت تئوری محاسبه شد، زیرا اندازه گیری تجربی آنها در محلول های آبی غیرممکن است. برای محاسبه پتانسیل فلزات در غلظت های مختلف یون های آنها (یعنی در حالت های غیر استاندارد)، از معادله نرنست استفاده می شود. پتانسیل های الکترود نه تنها برای فلزات، بلکه برای بسیاری از واکنش های ردوکس شامل کاتیون ها و آنیون ها نیز تعیین شده است. این به ما اجازه می دهد تا از نظر تئوری امکان وقوع واکنش های ردوکس مختلف را در شرایط مختلف پیش بینی کنیم. همچنین لازم به ذکر است که در محلول های غیر آبی پتانسیل فلزات متفاوت خواهد بود، بنابراین ممکن است توالی فلزات در سری به طور محسوسی تغییر کند. به عنوان مثال، در محلول های آبی پتانسیل الکترود مس مثبت است (+0.24 V) و مس در سمت راست هیدروژن قرار دارد. در محلول استونیتریل CH3CN، پتانسیل مس منفی است (-0.28 V)، یعنی مس در سمت چپ هیدروژن قرار دارد. بنابراین واکنش زیر در این حلال رخ می دهد: Cu + 2HCl = CuCl2 + H2.

اکنون زمان پاسخ به سؤال سوم فرا رسیده است و دریابیم که بکتوف دقیقاً چه چیزی را مطالعه کرده و به چه نتایجی رسیده است.

یکی از برجسته ترین شیمیدانان روسی، N. N. Beketov، پس از فارغ التحصیلی (در سال 1848) از دانشگاه کازان، مدتی در آکادمی پزشکی-جراحی در آزمایشگاه N. N. Vinin، سپس در دانشگاه سن پترزبورگ، و از 1855 تا 1886 - کار کرد. در دانشگاه خارکف. بلافاصله پس از دریافت بخش شیمی دانشگاه در سال 1857، بکتوف به مدت یک سال "با انتصاب هزار روبل در سال علاوه بر حقوق دریافتی" به خارج از کشور رفت - در آن زمان این مبلغ زیادی بود. زمانی که در پاریس بود منتشر کرد (در فرانسوی) نتایج مطالعات قبلی او در روسیه در مورد جابجایی فلزات خاص از محلول ها توسط هیدروژن و در مورد اثر کاهشی بخار روی. در جلسه انجمن شیمی پاریس، بکتوف در مورد کار خود در مورد کاهش SiCl4 و BF3 با هیدروژن گزارش داد. اینها اولین حلقه‌های زنجیره تحقیقاتی بودند که به جابجایی برخی از عناصر توسط برخی دیگر اختصاص داشت، که بکتوف در سال 1856 شروع کرد و در سال 1865 تکمیل کرد.

قبلاً در خارج از کشور ، بکتوف توجه را به خود جلب کرد. کافی است به نقل از دی.آی مندلیف که بکتوف با او در آلمان ملاقات کرد: «از شیمیدانان روسی در خارج از کشور، بکتوف را شناختم... ساویچ، سچنوف. همه اینها افرادی هستند که برای روسیه افتخار می‌آورند، افرادی که من خوشحالم که با آنها کنار آمدم."

در سال 1865، پایان نامه بکتوف "مطالعه ای در مورد پدیده جایگزینی برخی از عناصر توسط عناصر دیگر" در خارکف منتشر شد. این اثر در سال 1904 در خارکف (در مجموعه "به یاد پنجاهمین سالگرد فعالیت علمی N. N. Beketov") و در سال 1955 (در مجموعه "N. N. Beketov. آثار منتخب در مورد شیمی فیزیک") مجدداً منتشر شد.

بیایید با این اثر بکتوف بیشتر آشنا شویم. از دو بخش تشکیل شده است. بخش اول (شش بخش است) نتایج آزمایش‌های نویسنده را با جزئیات کامل ارائه می‌کند. سه بخش اول به تأثیر هیدروژن بر محلول های نمک های نقره و جیوه در فشارهای مختلف اختصاص دارد. بکتوف فکر می کرد که فوق العاده است وظیفه مهمشفاف سازی مکان هیدروژن در سری فلزات و همچنین وابستگی جهت واکنش به شرایط خارجی - فشار، دما، غلظت معرف ها. او آزمایشاتی را هم در محلول ها و هم با مواد خشک انجام داد. شیمیدانان به خوبی می دانستند که هیدروژن به راحتی برخی از فلزات را از اکسیدهای آنها در دمای بالا جابجا می کند، اما در دمای بالا غیر فعال است. دمای پایین. بکتوف دریافت که فعالیت هیدروژن با افزایش فشار افزایش می یابد، که او با "چگالی بیشتر" معرف مرتبط است (اکنون آنها می گویند با فشار بالاتر، یعنی غلظت گاز).

بکتوف در حین مطالعه امکان جابجایی فلزات با هیدروژن از محلول ها، تعدادی آزمایش نسبتاً خطرناک انجام داد. برای اولین بار در تاریخ شیمی، بکتوف از فشار بیش از 100 اتمسفر استفاده کرد. او آزمایشاتی را در تاریکی، در لوله های شیشه ای مهر و موم شده با چندین خم (آرنج) انجام داد. او محلول نمک را در یک آرنج، اسید را در آرنج دیگر و فلز روی را در انتهای لوله قرار داد. بکتوف با کج کردن لوله، روی را وادار کرد تا به مقدار زیاد در اسید بیفتد. با دانستن جرم روی محلول و حجم لوله، می توان فشار هیدروژن بدست آمده را تخمین زد. در برخی از آزمایشات، بکتوف فشار را با درجه فشرده سازی هوا توسط مایع در یک مویرگی نازک لحیم شده به لوله مشخص کرد. باز کردن لوله همیشه با انفجار همراه بود. در یکی از آزمایش‌ها که فشار به 110 اتمسفر رسید، یک انفجار هنگام باز کردن لوله (که در آب زیر یک استوانه واژگون انجام شد) باعث شکسته شدن استوانه‌ای با دیواره ضخیم شد که حجم آن هزار برابر بیشتر از حجم لوله با معرف ها

آزمایشات نشان داده است که اثر هیدروژن نه تنها به فشار آن، بلکه به "قدرت محلول فلز"، یعنی به غلظت آن نیز بستگی دارد. کاهش نقره از محلول آمونیاک AgCl حتی قبل از انحلال کامل روی در فشار حدود 10 اتمسفر شروع می شود - محلول شفاف قهوه ای می شود (ابتدا در مرز گاز و سپس در کل جرم) و پس از یک چند روزی پودر نقره خاکستری روی دیوارها می نشیند. در فشار اتمسفرهیچ واکنشی مشاهده نشد نقره نیز از نیترات و سولفات احیا شد و هیدروژن نیز بر روی استات نقره در فشار اتمسفر عمل کرد. توپ‌های فلزی از نمک‌های جیوه در فشار بالا آزاد می‌شوند، اما نیترات‌های مس و سرب حتی در فشار هیدروژن بالا نیز قابل کاهش نیستند. کاهش مس تنها در حضور نقره و پلاتین در فشار تا 100 اتمسفر مشاهده شد. بکتوف از پلاتین برای سرعت بخشیدن به فرآیند، یعنی به عنوان کاتالیزور، استفاده کرد. او نوشت که پلاتین برای جابجایی برخی فلزات بیشتر از فشار مساعد است، زیرا هیدروژن روی سطح پلاتین "موجب جاذبه بیشتری است و باید بیشترین چگالی را داشته باشد." اکنون می دانیم که هیدروژن جذب شده روی پلاتین به دلیل برهم کنش شیمیایی آن با اتم های فلز فعال می شود.

در بخش چهارم از بخش اول، Beketov آزمایش‌هایی را با دی اکسید کربن شرح می‌دهد. او اثر آن را بر محلول های استات کلسیم در فشارهای مختلف مطالعه کرد. کشف کرد که واکنش معکوس - انحلال سنگ مرمر در اسید استیک در فشار گاز معین حتی با وجود اسید اضافی متوقف می شود.

در آخرین بخش‌های بخش تجربی، بکتوف اثر بخار روی را در آن شرح داد دمای بالابر روی ترکیبات باریم، سیلیکون، آلومینیوم (او آخرین عنصر را رس می نامد، همانطور که در آن سال ها مرسوم بود). با کاهش تتراکلرید سیلیکون با روی، Beketov برای اولین بار سیلیکون کریستالی به اندازه کافی خالص به دست آورد. او همچنین دریافت که منیزیم آلومینیوم را از کرایولیت (سدیم فلوئوروآلومینات خانگی) و سیلیسیم را از دی اکسید آن کاهش می‌دهد. این آزمایش‌ها همچنین توانایی آلومینیوم را برای کاهش باریم از اکسید و پتاسیم از هیدروکسید را نشان داد. بنابراین، پس از کلسینه کردن آلومینیوم با اکسید باریم بدون آب (با افزودن کمی کلرید باریم برای کاهش نقطه ذوب)، آلیاژی تشکیل شد که طبق نتایج آنالیز، 33.3 درصد باریم و بقیه آلومینیوم بود. در عین حال، کلسینه کردن آلومینیوم به مدت چندین ساعت با کلرید باریم آسیاب شده به صورت پودر هیچ تغییری در پی نداشت.

واکنش غیرمعمول آلومینیوم با KOH در یک لوله تفنگ منحنی انجام شد که در انتهای بسته آن قطعاتی از KOH و آلومینیوم قرار داده شد. هنگامی که این انتها بسیار داغ بود، بخار پتاسیم ظاهر شد که در قسمت سرد بشکه متراکم شد، "از آنجا چندین قطعه فلز نرم که با شعله بنفش سوخته بود استخراج شد." بعداً روبیدیم و سزیم به روشی مشابه جدا شدند.

بخش دوم کار بکتوف به نظریه جابجایی برخی عناصر توسط برخی دیگر اختصاص دارد. در این بخش، بکتوف برای اولین بار داده های تجربی متعددی را - هم خود و هم آنهایی که توسط محققان دیگر، از جمله پروفسور برسلاو فیشر، و همچنین دیوی، گی لوساک، برزلیوس، ولر انجام شده بود، تجزیه و تحلیل کرد. به ویژه اشاره شده است "چندین حقایق جالبرسوب مرطوب فلزات، توسط شیمیدان انگلیسی ویلیام اودلینگ کشف شد. در همان زمان، Beketov موارد جابجایی برخی از عناصر توسط برخی دیگر از طریق "مسیر مرطوب"، به عنوان مثال، در محلول ها، و "مسیر خشک"، یعنی هنگام کلسین کردن معرف ها را در نظر می گیرد. این منطقی بود، زیرا انجام واکنش های آزمایشی در محلول های آبی شامل فلزات قلیایی و قلیایی خاکی غیرممکن است، زیرا آنها به طور فعال با آب واکنش می دهند.

سپس بکتوف نظریه خود را برای توضیح فعالیت های مختلف عناصر ترسیم می کند. با چیدمان تمام فلزات در یک سری بر اساس وزن مخصوص آنها (یعنی چگالی)، بکتوف متوجه شد که کاملاً با سری جابجایی معروف مطابقت دارد. بکتوف نتیجه می گیرد: «در نتیجه، مکان فلز... در سری جابجایی را می توان کاملاً دقیق تعیین کرد و به اصطلاح، از قبل با وزن مخصوص آن پیش بینی کرد.» مقداری عدم قطعیت فقط بین "فلزات همسایه در وزن مخصوص" مشاهده می شود. بنابراین، پتاسیم معمولا یک عنصر "پرانرژی تر" است و به عنوان مثال، سدیم را با کلسینه شدن از NaCl جابجا می کند، اگرچه پتاسیم فرارتر است. با این حال، فرآیندهای معکوس نیز شناخته شده است: به عنوان مثال، سدیم می تواند پتاسیم را از هیدروکسید و استات آن جابجا کند. بکتوف می نویسد: "در مورد رابطه گروه قلیایی اول با دوم و رابطه فلزات گروه دوم با یکدیگر، هنوز به اندازه کافی مورد مطالعه قرار نگرفته اند."

بکتوف نیز با مشکلات جدی تری مواجه شد. به عنوان مثال، او توانست روی را با آلومینیوم از محلول ZnCl2 کاهش دهد، اما نتوانست آن را از محلول ZnSO4 کاهش دهد. علاوه بر این، آلومینیوم «به هیچ وجه آهن، نیکل، کبالت یا کادمیوم را از محلول‌ها کاهش نداد». بکتوف این را با این واقعیت توضیح داد که آلومینیوم «عمدتاً روی آب عمل می‌کند» و فرض می‌کرد که این واکنش‌ها باید در غیاب آب، «به‌وسیله‌ی خشک» انجام شوند. در واقع، بکتوف متعاقباً چنین واکنش هایی را کشف کرد و در واقع آلومینوترمی را کشف کرد.

مشکل دیگر این بود که برخی از فلزات خارج از قانون قرار گرفتند وزن مخصوص. بنابراین، مس (چگالی 8.9) در سری فعالیت نه قبل، بلکه بعد از سرب قرار دارد (چگالی 11.4 - مقادیر چگالی Beketov کمی با موارد مدرن متفاوت است). این "ناهنجاری" بکتوف را مجبور کرد تا سعی کند سرب فعال تر را با مس کمتر فعال جایگزین کند. او صفحات مسی را در محلول های اشباع داغ کلرید سرب - خنثی و اسیدی، قرار داد محلول آمونیاکاکسید سرب، مس گرم شده با اکسید سرب خشک و کلرید. همه آزمایش ها ناموفق بود و بکتوف مجبور شد "انحراف از قانون کلی" سایر «ناهنجاری‌ها» به نقره (تراکم 10.5) و سرب، و همچنین نقره و جیوه (تراکم 13.5) مربوط می‌شوند، زیرا هم سرب و هم جیوه، نقره «سبک‌تر» را از محلول‌های نمک‌های آن کاهش می‌دهند. بکتوف ناهنجاری جیوه را با این واقعیت توضیح داد که این فلز مایع است و بنابراین فعالیت آن بیشتر از آن چیزی است که از قانون وزن مخصوص به دست می آید.

بکتوف حکومت خود را به غیر فلزات نیز گسترش داد. به عنوان مثال، در سری کلر (چگالی کلر مایع 1.33)، برم (چگالی 2.86)، ید (چگالی 4.54) سبک ترین عنصر در همان زمان و فعال ترین عنصر است (فلور توسط مویسان تنها 20 سال بعد به دست آمد). همین امر در سری های O، S، Se، Te مشاهده می شود: اکسیژن فعال ترین است و به راحتی عناصر دیگر را از ترکیبات آنها با هیدروژن یا یک فلز قلیایی جابجا می کند.

بکتوف قانون خود را با قیاس با مکانیک توضیح داد: گرانش مخصوص به جرم ذرات (یعنی اتم ها) و فاصله بین آنها در یک ماده ساده مربوط می شود. شناخت چگالی فلزات و نسبت آنها توده های اتمی، می توان فاصله نسبی بین اتم ها را محاسبه کرد. به گفته بکتوف، هرچه فاصله بین آنها بیشتر باشد، اتم ها در فرآیندهای شیمیایی راحت تر از هم جدا می شوند. این همچنین به "وابستگی" متقابل عناصر مختلف و توانایی جابجایی یکدیگر از ترکیبات مربوط می شود. با محاسبه فاصله نسبی بین اتم ها در فلزات مختلف و در نظر گرفتن پتاسیم به عنوان استاندارد، Beketov مقادیر زیر را به دست آورد: K – 100، Na – 80، Ca – 65، Mg – 53، Al – 43 و غیره تا پلاتین.

بیشتر خلاصهنظریه بکتوف در مورد قدرت نسبی ترکیبات شیمیایی (یعنی توانایی برخی از عناصر برای جابجایی برخی دیگر با این امر مرتبط است) را می توان در کتاب درسی "مبانی شیمی" مندلیف (به نقل از نسخه 1947 با استفاده از اصطلاحات مدرن) یافت. .. پروفسور N. N. Beketov در مقاله خود "تحقیق در مورد پدیده سرکوب" (خارکوف، 1865) فرضیه خاصی را ارائه کرد که تقریباً در سخنان نویسنده ارائه خواهیم کرد.

برای آلومینیوم، اکسید Al2O3 از هالیدهای AlCl3 و AlI3 قوی تر است. در اکسید نسبت Al: O = 112: 100، برای کلرید Al: Cl = 25: 100، برای Al یدید: I = 7: 100 است. برای نقره، اکسید Ag2O (نسبت 1350: 100) دوام کمتری دارد. کلرید (Ag: Cl = = 100: 33)، و یدید قوی ترین است (Ag: I = 85: 100). از این نمونه‌ها و نمونه‌های مشابه مشخص می‌شود که قوی‌ترین اتصالات آن‌هایی هستند که توده‌های عناصر اتصال تقریباً یکسان می‌شوند. بنابراین، این تمایل وجود دارد که توده های بزرگ با توده های بزرگ ترکیب شوند، و توده های کوچک با توده های کوچک، به عنوان مثال: Ag2O + 2KI K2O + 2AgI می دهد. به همین دلیل، اکسیدهای Ag2O، HgO، Au2O3 و اکسیدهای مشابه متشکل از جرم های نابرابر در دمای بالا تجزیه می شوند، در حالی که اکسیدهای فلزات سبک و همچنین آب به این راحتی تجزیه نمی شوند. مقاوم ترین اکسیدها - MgO، CaO، SiO2، Al2O3 - به شرایط برابری جرم ها نزدیک می شوند. به همین دلیل، HI راحت تر از HCl تجزیه می شود. کلر روی MgO و Al2O3 تأثیری ندارد، اما روی CaO، Ag2O و غیره تأثیر می گذارد.

مندلیف نتیجه‌گیری می‌کند که برای درک روابط واقعی قرابت‌ها، اضافات به نظریه مکانیکی پدیده‌های شیمیایی که بکتوف ارائه می‌دهد هنوز کافی نیست. با این وجود، در روش او برای توضیح استحکام نسبی بسیاری از مفاصل، می توان فرمول بسیار جالبی از سؤالات بسیار مهم را مشاهده کرد. بدون چنین تلاش هایی، درک اشیاء پیچیده دانش تجربی غیرممکن است.

بنابراین، بدون اینکه از شایستگی های یک شیمیدان قابل توجه کاسته شود، باید تشخیص داد که اگرچه نظریه N.N. Beketov نقش قابل توجهی در توسعه شیمی نظری ایفا کرد، اما ایجاد فعالیت نسبی فلزات در واکنش جابجایی هیدروژن. از اسیدها و سلسله فعالیت های مربوط به فلزات را نباید به او نسبت داد: نظریه مکانیکی او نظریه پدیده های شیمیایی در تاریخ شیمی به عنوان یکی از مراحل متعدد آن باقی ماند.

چرا در برخی کتابها به بکتوف چیزی نسبت داده شده است که او کشف نکرده است؟ این سنت، مانند بسیاری دیگر، احتمالاً در اواخر دهه 40 - اوایل دهه 50 ظاهر شد. قرن بیستم، زمانی که مبارزات علیه "تحسین غرب" در اتحاد جماهیر شوروی بیداد می کرد و نویسندگان مجبور بودند تمام اکتشافات کم و بیش قابل توجه در علم را منحصراً به دانشمندان داخلی نسبت دهند و حتی نقل قول از نویسندگان خارجی فتنه تلقی می شد. آن سال ها که شوخی در مورد "روسیه زادگاه فیل ها است"). به عنوان مثال، M.V Lomonosov با کشف قانون بقای انرژی، که تنها در اواسط قرن 19 کشف شد، اعتبار یافت. اینجا مثال ملموسارائه تاریخ علم آن زمان. در کتاب ولادیمیر اورلوف «درباره یک فکر جسورانه» (مسکو: گارد جوان، 1953)، اختراعات در زمینه برق به این صورت توصیف شده است: «خارجی ها گهواره نور الکتریکی را ویران کردند... اختراع شگفت انگیز روسیه توسط آمریکایی ها... ادیسون در آمریکا حریصانه شروع به بهبود اختراع روسیه کرد... دانشمندان خارجی لامپ الکتریکی ساخته شده توسط نابغه مردم روسیه را مثله کردند... امپریالیست های آمریکایی برق را رسوا کردند... به دنبال آنها فاشیست های یوگسلاوی چراغ برق را رسوا کرد...» - و غیره و غیره. طنین انفرادی آن دوران بد خاطره، ظاهراً در برخی کتاب های درسی باقی مانده است و باید از شر آنها خلاص شود. همانطور که یکی از مورخان شیمی گفت: "لومونوسوف به اندازه کافی بزرگ است که اکتشافات دیگران را به او نسبت ندهد."

"شمع در حال سوختن بود..."

پدیده هایی که هنگام سوختن شمع مشاهده می شود به گونه ای است که هیچ قانون طبیعت وجود ندارد که به یک شکل تحت تأثیر قرار نگیرد.

مایکل فارادی تاریخچه شمع

این داستان درباره یک "تحقیق تجربی" است. نکته اصلی در شیمی آزمایش است. در آزمایشگاه‌های سراسر جهان، میلیون‌ها آزمایش مختلف انجام شده و همچنان انجام می‌شود، اما بسیار نادر است که یک محقق حرفه‌ای این کار را به روشی که برخی شیمیدان‌های جوان انجام می‌دهند انجام دهد: اگر چیز جالبی معلوم شود چه؟ اغلب، محقق یک فرضیه به وضوح فرموله شده است، که او به دنبال تایید یا رد تجربی آن است. اما اکنون آزمایش به پایان رسیده است، نتیجه به دست آمده است. اگر با فرضیه موافق نباشد، نادرست است (البته اگر آزمایش به درستی انجام شود و چندین بار تکرار شود). اگر موافق باشد چه؟ آیا این بدان معناست که فرضیه صحیح است و زمان انتقال آن به مقوله نظریه فرا رسیده است؟ یک محقق تازه کار گاهی چنین فکر می کند، اما یک محقق با تجربه در نتیجه گیری عجله نمی کند، بلکه ابتدا به سختی فکر می کند که آیا می توان نتیجه به دست آمده را به طریق دیگری توضیح داد.

تاریخ شیمی هزاران مثال از مفید بودن چنین «تفکری» می داند. سه داستان بعدی به این موضوع اختصاص دارد که چقدر خطرناک است باور کنیم که یک آزمایش "موفق" صحت این فرضیه را ثابت می کند. گاهی چنین تجربیاتی در دروس نشان داده می شود. به یک دایره کوچک چوبی یا فومی اجازه داده می شود در یک بشقاب آب شناور شود، که روی آن یک شمع سوزان نصب شده است. یک شیشه شیشه ای معکوس با شمع روی دایره پایین می آید و در این حالت در پایین بشقاب قرار می گیرد. بعد از مدتی شمع خاموش می شود و قسمتی از شیشه پر از آب می شود. این آزمایش قرار است نشان دهد که تنها یک پنجم هوا (اکسیژن) از احتراق پشتیبانی می کند. در واقع، در نگاه اول به نظر می رسد که آب حدود یک پنجم افزایش یافته است، اگرچه معمولاً اندازه گیری های دقیق تری انجام نمی شود. در نگاه اول، آزمایش ساده و کاملا قانع کننده است: از این گذشته، اکسیژن موجود در هوا واقعاً 21 درصد حجمی است. با این حال، از نقطه نظر شیمی، همه چیز مرتب نیست. در واقع، شمع ها از پارافین ساخته می شوند و پارافین از هیدروکربن های اشباع با ترکیب C تشکیل شده است. n H2 n+2 با 18 تا 35 اتم کربن. معادله واکنش احتراق را می توان در پیدا کرد نمای کلیاینطور بنویس: سی n H2 n +2 + (3 n+ 1)/2 O2 → n CO2 + ( n+ 1) H2O. چون nبزرگ است، پس ضریب قبل از اکسیژن بسیار نزدیک به 1.5 است n(برای n= 18 تفاوت بین (3 n+ +1)/2 و 1.5 nکمتر از 2 درصد خواهد بود برای n= 30 حتی کمتر خواهد شد). بنابراین به ازای هر 1.5 حجم اکسیژن مصرفی، 1 حجم CO2 آزاد می شود. بنابراین، حتی اگر تمام اکسیژن قوطی (0.21 حجمی در آنجا) مصرف شود، به جای آن پس از احتراق باید 0.21: 1.5 = 0.14 حجم دی اکسید کربن آزاد شود. یعنی اصلا آب نباید یک پنجم کوزه را پر کند!

اما آیا این استدلال درست است؟ پس از همه دی اکسید کربن، به خوبی در آب حل می شود. شاید او همه "به آب برود"؟ با این حال، روند انحلال این گاز بسیار کند است. آزمایش‌های ویژه این را نشان داده‌اند: آب تمیز تقریباً در یک ظرف معکوس پر از CO2 در یک ساعت بالا نمی‌آید. آزمایش با شمع کمتر از یک دقیقه طول می کشد، بنابراین حتی اگر اکسیژن به طور کامل مصرف شود، آب باید تنها 0.21 - 0.1 = 0.07 حجم آن (حدود 7٪) وارد شیشه شود.

اما این همه ماجرا نیست. به نظر می رسد که شمع نه تمام اکسیژن موجود در شیشه، بلکه فقط بخش کوچکی از آن را می سوزاند. تجزیه و تحلیل هوایی که در آن شمع خاموش شد نشان داد که هنوز حاوی 16٪ اکسیژن است (جالب است که میزان اکسیژن در بازدم طبیعی انسان تقریباً به همان سطح کاهش می یابد). یعنی اصلا آب نباید وارد کوزه شود! اما تجربه نشان می دهد که اینطور نیست. چگونه می توانیم آن را توضیح دهیم؟

ساده ترین فرض: یک شمع سوزان هوا را گرم می کند، حجم آن افزایش می یابد و مقداری از هوا از شیشه خارج می شود. پس از سرد شدن هوا در کوزه (این خیلی سریع اتفاق می افتد)، فشار در آن کاهش می یابد و آب تحت تأثیر فشار اتمسفر خارجی وارد شیشه می شود. مطابق قانون گازهای ایده آل (و هوا را با تقریب اول می توان گاز ایده آل در نظر گرفت) برای اینکه حجم هوا 1/5 افزایش یابد، دمای آن (مطلق) نیز باید 1/1 افزایش یابد. 5، یعنی از 293 K (20 درجه سانتیگراد) به 1.2 293 = 352 K (حدود 80 درجه سانتیگراد) افزایش دهید. نه چندان! گرم کردن هوا با شعله شمع در دمای 60 درجه کاملاً امکان پذیر است. تنها چیزی که باقی می ماند این است که به طور تجربی بررسی کنید که آیا هوا در طول آزمایش از شیشه خارج می شود یا خیر.

با این حال، به نظر نمی‌رسد اولین آزمایش‌ها این فرض را تأیید کنند. بنابراین، در مجموعه ای از آزمایشات انجام شده با یک شیشه دهان گشاد با حجم 0.45 لیتر، هیچ نشانه قابل توجهی از "حباب زدن" هوا از زیر لبه شیشه وجود نداشت. مشاهدات غیرمنتظره دیگر: تقریباً هیچ آبی وارد کوزه نشده در حالی که شمع در حال سوختن بود.

و تنها پس از خاموش شدن شمع، سطح آب در شیشه وارونه به سرعت بالا رفت. چگونه این را توضیح دهیم؟

می توان فرض کرد که در حالی که شمع در حال سوختن است، هوای شیشه گرم می شود، اما در عین حال حجم آن افزایش نمی یابد، بلکه فشار است که مانع از جذب آب می شود. پس از توقف احتراق، هوای کوزه خنک می شود، فشار آن کاهش می یابد و آب بالا می رود. با این حال، این توضیح مناسب نیست. اولاً، آب جیوه سنگین نیست، که از خروج هوا از شیشه با افزایش اندکی فشار جلوگیری می کند. (یک مهر و موم جیوه ای زمانی توسط تمام فیزیکدانان و شیمیدانانی که گازها را مطالعه می کردند استفاده می شد.) در واقع، آب 13.6 برابر سبک تر از جیوه است و ارتفاع مهر و موم آب بین لبه شیشه و سطح آب در صفحه کم است. بنابراین، حتی افزایش جزئی فشار به ناچار باعث حباب زدن هوا از طریق شیر می شود.

ایراد دوم حتی جدی تر است. حتی اگر سطح آب در بشقاب بالاتر بود و آب تحت فشار افزایش یافته از شیشه، هوای گرم شده را آزاد نمی کرد، پس از خنک شدن هوای شیشه، دما و فشار آن به مقدار اولیه خود باز می گردد. بنابراین هیچ دلیلی برای ورود هوا به داخل شیشه وجود نخواهد داشت.

این معما تنها با تغییر یک جزئیات کوچک در طول آزمایش حل شد. معمولاً شیشه در بالای شمع قرار می گیرد. پس شاید دلیل رفتار عجیب هوا در کوزه همین باشد؟ شمع سوزان یک جریان هوای گرم شده به سمت بالا ایجاد می کند و همانطور که شیشه از بالا حرکت می کند، هوای گرم قبل از اینکه لبه شیشه آب را لمس کند، هوای خنک تر را از شیشه جابجا می کند. پس از این، دمای هوا در شیشه، در حالی که شمع در حال سوختن است، کمی تغییر می کند، بنابراین هوا آن را ترک نمی کند (و همچنین داخل آن نمی رود). و پس از توقف احتراق و خنک شدن هوای داغ در کوزه، فشار در آن به طور محسوسی کاهش می یابد و فشار اتمسفر خارجی مقداری از آب را وارد کوزه می کند.

برای آزمایش این فرض، در چندین آزمایش، شیشه را نه از بالا، بلکه از پهلو روی شمع قرار دادند و تقریباً شعله را با لبه شیشه لمس کرد و پس از آن شیشه را در کف بشقاب قرار دادند. یک حرکت سریع رو به پایین و بلافاصله حباب های هوا از زیر لبه شیشه شروع به بیرون زدن کردند! به طور طبیعی، پس از توقف سوختن شمع، آب به داخل مکیده شد - تقریباً به همان سطح آزمایش های قبلی.

بنابراین این آزمایش با شمع به هیچ وجه نمی تواند ترکیب هوا را نشان دهد. اما او یک بار دیگر گفته حکیمانه فیزیکدان بزرگ را که در کتیبه گنجانده شده است تأیید می کند.

به تعادل نزدیک می شویم...

بیایید توضیح اشتباه دیگری از آزمایش را در نظر بگیریم که در آن گازها نیز گرم می شوند. این توضیح به مقالات معروف شیمی و حتی کتاب های درسی دانشگاه راه پیدا کرده است. بنابراین، تعدادی از کتاب های درسی خارجی در مورد شیمی عمومی توضیح می دهند آزمایش زیباکه ماهیت آن را با نقل قولی از کتاب درسی نوئل ویت نشان خواهیم داد. سینتیک شیمیایی" «روش آرامش. روش Eigen، که نویسنده در سال 1967 جایزه دریافت کرد. جایزه نوبلدر شیمی روش آرام سازی نامیده می شود. سیستم واکنش دهنده زمانی به حالت تعادل می رسد شرایط خاص. این شرایط (دما، فشار، میدان الکتریکی) سپس به سرعت مختل می شوند - سریعتر از جابجایی های تعادل. سیستم دوباره به تعادل می رسد، اما اکنون در شرایط جدید. این "آرامش به یک موقعیت تعادل جدید" نامیده می شود. در حالی که آرامش رخ می دهد، آنها تغییرات در برخی ویژگی های سیستم را نظارت می کنند ...

آزمایشی که پدیده آرامش را نشان می دهد.

در برخی موارد، وضعیت تعادل در شرایط جدید به آرامی برقرار می شود که با استفاده از تکنیک های معمولی آزمایشگاهی می توان تغییر غلظت را کنترل کرد و در نتیجه پدیده آرامش را مشاهده کرد. به عنوان مثال، انتقال دی اکسید نیتروژن (گاز قهوه ای تیره) به یک دایمر را در نظر بگیرید. گاز بی رنگ):

سرنگ گاز شیشه ای را با حدود 80 سانتی متر مکعب گاز پر کنید. به سرعت پیستون سرنگ را فشار دهید و گاز را تا 50 تا 60 سانتی متر مکعب فشرده کنید. بررسی کنید که رنگ گاز تغییر کرده باشد. در ابتدا، با افزایش غلظت NO2، گاز به سرعت تاریک می شود، اما پس از آن یک پاکسازی آهسته رخ می دهد، زیرا فشار بالا باعث تشکیل N2O4 می شود و تعادل در شرایط خارجی جدید حاصل می شود.

در تعدادی از کتاب های درسی، توضیحات مشابهی برای نشان دادن اصل لو شاتلیه ارائه شده است: با افزایش فشار گاز، تعادل به سمت کاهش تعداد مولکول ها تغییر می کند، در این مورد به سمت دایمر بی رنگ N2O4. متن با سه عکس رنگی همراه است. آنها نشان می دهند که چگونه بلافاصله پس از فشرده سازی، مخلوط قهوه ای مایل به زرد در ابتدا به رنگ قهوه ای تیره در می آید و در عکس سوم که چند دقیقه بعد گرفته شده است، مخلوط گاز در سرنگ به طرز محسوسی روشن می شود.

گاهی اوقات اضافه می کنند که پیستون باید در سریع ترین زمان ممکن فشار داده شود تا تعادل در این مدت زمان حرکت نداشته باشد.

در نگاه اول، این توضیح بسیار قانع کننده به نظر می رسد. با این حال، بررسی کمی فرآیندهای موجود در سرنگ تمام نتایج را کاملاً رد می کند. واقعیت این است که تعادل مشخص شده بین دی اکسید نیتروژن NO2 و دایمر آن (تتروکسید نیتروژن) N2O4 بسیار سریع برقرار می شود: در میلیونم ثانیه! بنابراین، فشرده کردن گاز در سرنگ سریعتر از این تعادل غیرممکن است. حتی اگر پیستون را در یک "سرنگ" فولادی با کمک یک انفجار حرکت دهید، به احتمال زیاد تعادل زمانی که پیستون به دلیل اینرسی حرکت می کند، برقرار می شود. چگونه می توانیم پدیده مشاهده شده در این آزمایش را توضیح دهیم؟ البته کاهش حجم و افزایش غلظت گاز مربوطه منجر به افزایش رنگ می شود. اما نه این دلیل اصلی. هرکسی که لوله داخلی دوچرخه را با پمپ دستی باد کرده باشد، می داند که پمپ (مخصوصاً آلومینیومی) بسیار داغ می شود. اصطکاک پیستون در برابر لوله پمپ هیچ ربطی به آن ندارد - شما می توانید به راحتی با انجام چندین نوسان بیکار هنگامی که هوا در پمپ فشرده نمی شود ، این موضوع را تأیید کنید. گرمایش در نتیجه فشرده سازی به اصطلاح آدیاباتیک رخ می دهد - زمانی که گرما زمان لازم برای پخش شدن در فضای اطراف را ندارد. این بدان معنی است که وقتی مخلوطی از اکسیدهای نیتروژن فشرده می شود، باید گرم شود. و هنگامی که گرم می شود، تعادل در این مخلوط به شدت به سمت دی اکسید تغییر می کند.

مخلوط در هنگام فشرده شدن چقدر داغ می شود؟ در مورد فشرده سازی هوا در یک پمپ، گرمایش را می توان به راحتی با استفاده از معادله آدیاباتیک برای یک گاز ایده آل محاسبه کرد: تلویزیونγ–1 = const، جایی که تی- دمای گاز (بر حسب کلوین) V– حجم آن، γ = S p / C v- نسبت ظرفیت گرمایی گاز در فشار ثابت به ظرفیت گرمایی در حجم ثابت. برای گازهای تک اتمی (نجیب) γ = 1.66، برای دو اتمی (هوا نیز به آنها تعلق دارد) γ = 1.40، برای سه اتمی (به عنوان مثال، برای NO2) γ = 1.30، و غیره. معادله آدیاباتیک برای هوا، قابل تراکم از حجم 1 به حجم 2 را می توان به صورت بازنویسی کرد تی 2/ تی 1 = (V 1/ V 2) γ-1. اگر پیستون به شدت به وسط پمپ فشار داده شود، زمانی که حجم هوا در آن نصف شود، برای نسبت دما قبل و بعد از فشرده سازی معادله را به دست می آوریم. تی 2/ تی 1 = = 20.4 = 1.31. و اگر تی 1 = 293 K (20 درجه سانتیگراد)، سپس تی 2 = 294 K (111 درجه سانتیگراد)!

استفاده مستقیم از معادله گاز ایده آل برای محاسبه وضعیت مخلوط اکسیدهای نیتروژن بلافاصله پس از فشرده سازی غیرممکن است، زیرا در این فرآیند نه تنها تغییر حجم، فشار و دما، بلکه تعداد مول ها (نسبت NO2 N2O4) در طول واکنش شیمیایی مشکل فقط با ادغام عددی قابل حل است معادله دیفرانسیل، که در نظر می گیرد که کار انجام شده در هر لحظه توسط یک پیستون متحرک از یک طرف برای گرم کردن مخلوط و از طرف دیگر در تفکیک دایمر صرف می شود. فرض بر این است که انرژی تفکیک N2O4، ظرفیت گرمایی هر دو گاز، مقدار γ برای آنها، و وابستگی موقعیت تعادل به دما شناخته شده است (همه اینها داده های جدولی هستند). محاسبات نشان می دهد که اگر مخلوط اولیه گازها در فشار اتمسفر و دمای اتاق به سرعت به نصف حجم خود فشرده شود، مخلوط تنها 13 درجه سانتیگراد گرم می شود. اگر مخلوط را فشرده کنید تا حجم آن 3 برابر شود، دما 21 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. و حتی حرارت جزئی مخلوط موقعیت تعادل را به سمت تفکیک N2O4 تغییر می دهد.

و سپس به سادگی خنک شدن آهسته مخلوط گاز وجود دارد، که همان تغییر آهسته در تعادل به سمت N2O4 و تضعیف رنگ، همانطور که در آزمایش مشاهده شد، ایجاد می کند. سرعت خنک کننده به مواد دیواره های سرنگ، ضخامت آنها و سایر شرایط تبادل حرارت با هوای اطراف، به عنوان مثال، پیش نویس های اتاق بستگی دارد. مهم است که با تغییر تدریجی تعادل به سمت راست، به سمت N2O4، دیمریزاسیون مولکول‌های NO2 با آزاد شدن گرما اتفاق می‌افتد که سرعت سرد شدن مخلوط را کاهش می‌دهد (مثل انجماد آب در مخازن بزرگ در ابتدا). زمستان اجازه نمی دهد دمای هوا به سرعت کاهش یابد).

چرا هیچ یک از آزمایش‌کنندگان هنگام فشار دادن پیستون گرمای سرنگ را احساس نکردند؟ پاسخ بسیار ساده است. ظرفیت حرارتی مخلوط گاز و شیشه (در واحد جرم) تفاوت چندانی با هم ندارند. اما جرم پیستون شیشه ای ده ها و گاهی صدها برابر بیشتر از جرم گاز است. بنابراین، حتی اگر تمام گرمای مخلوط گاز خنک کننده به دیواره های سرنگ منتقل شود، این دیواره ها تنها کسری از درجه گرم می شوند.

سیستم در نظر گرفته شده با تعادل بین دو اکسید نیتروژن دارای و اهمیت عملی. در فشار کم، مخلوط NO2 و N2O4 به راحتی مایع می شود. این اجازه می دهد تا آن را به عنوان یک خنک کننده موثر، با وجود فعالیت شیمیایی بالا و اثر خورنده آن بر روی تجهیزات، استفاده کنید. بر خلاف آب که، گرفتن انرژی حرارتیمثلاً از راکتور هسته ای، بسیار گرم می شود و حتی می تواند تبخیر شود، انتقال گرما به مخلوط اکسیدهای نیتروژن عمدتا منجر به گرم شدن آن نمی شود، بلکه منجر به یک واکنش شیمیایی می شود - پارگی پیوند N-N در مولکول N2O4. در واقع، شکستن پیوند N-N در یک مول از یک ماده (92 گرم) بدون گرم کردن، به 57.4 کیلوژول انرژی نیاز دارد. اگر چنین انرژی به 92 گرم آب در دمای 20 درجه سانتیگراد منتقل شود، 30.8 کیلوژول برای گرم کردن آب تا جوش استفاده می شود و 26.6 کیلوژول باقیمانده منجر به تبخیر حدود 11 گرم آب می شود! در مورد اکسیدهای نیتروژن، مخلوط در مکان های سردتر در نصب زیاد گرم نمی شود، مخلوط در حال گردش کمی خنک می شود، تعادل به سمت N2O4 تغییر می کند و مخلوط دوباره آماده است تا گرما را از بین ببرد.

به یاد داشته باشید:

مواد ساده از یک اتم تشکیل شده اند عنصر شیمیایی، آنها را به فلزات و غیر فلزات تقسیم می کنند.

فلزات با درخشش فلزی، هدایت الکتریکی، شکل پذیری و غیره مشخص می شوند.

مفهوم سری فعالیت فلزات

بسیاری از واکنش های شیمیایی شامل مواد ساده، به ویژه فلزات است. فلزات تقریباً با همه طبقات می توانند تعامل داشته باشند ترکیبات معدنی، که در مورد مطالعه قرار می گیرند دوره مدرسهشیمی با این حال، فلزات مختلف فعالیت متفاوتی را در آن نشان می دهند فعل و انفعالات شیمیایی، و این تعیین می کند که آیا واکنش رخ خواهد داد یا خیر.

هرچه فعالیت یک فلز بیشتر باشد، برهمکنش قوی‌تری با سایر مواد دارد. با توجه به فعالیت، تمام فلزات را می توان در یک سری قرار داد که به آن سری فعالیت فلزات می گویند (سری جابجایی فلزات، سری ولتاژ فلزات، سری الکتروشیمیایی ولتاژ فلزات). این مجموعه برای اولین بار توسط دانشمند برجسته اوکراینی N.N Beketov گردآوری و مورد مطالعه قرار گرفت، بنابراین این مجموعه نام دیگری دارد - سری Beketov.

سری فعالیت فلزات Beketov به این شکل است (برای یک سری کامل تر، به flyleaf 2 مراجعه کنید):

شیمیدان روسی و اوکراینی، بنیانگذار مدرسه شیمی فیزیک اوکراین، آکادمیک آکادمی علوم سن پترزبورگ از سال 1886. در خانواده یک افسر نیروی دریایی متولد شد. او از دانشگاه کازان فارغ التحصیل شد و در سن پترزبورگ در آزمایشگاه پزشکی و شیمیایی کار کرد.

او شیمی را به تزارویچ - امپراتور آینده نیکلاس دوم - آموزش داد. از سال 1855، او استاد دانشگاه امپراتوری خارکف بود، جایی که به پیشنهاد یک دانشمند، اولین بخش فیزیکی و شیمیایی در اوکراین در سال 1864 افتتاح شد. در آنجا بود که برای اولین بار در جهان شروع به تدریس شیمی فیزیک به عنوان یک رشته جداگانه کرد. بکتوف روشی را برای احیای فلزات از اکسیدهای آنها کشف کرد که امروزه هنوز در متالورژی استفاده می شود، وابستگی میل ترکیبی عناصر را به عدد اتمی ثابت کرد، اولین کسی بود که اکسیدهای خالص عناصر قلیایی (سدیم، پتاسیم) را به دست آورد. مجموعه‌ای از فعالیت‌های فلزات را گردآوری کرد که به نام او نامگذاری شده است، نویسنده اولین کتاب درسی شیمی فیزیک در جهان است.

در این سری فلزات با توجه به کاهش فعالیت شیمیایی آنها در محلول های آبی مرتب می شوند. بنابراین، در میان فلزات داده شده، فعال ترین پتاسیم و کمترین فعالیت طلا است. با استفاده از این سری می توان به راحتی متوجه شد که کدام فلز نسبت به دیگری فعال تر است. همچنین در این سری هیدروژن قرار دارد. البته هیدروژن یک فلز نیست، اما در این سری فعالیت آن به عنوان نقطه شروع (نوعی صفر) در نظر گرفته شده است.

برهمکنش فلزات با اسیدها

فلزات واقع در سری فعالیت در سمت چپ هیدروژن قادر به واکنش با اسیدهایی هستند که در آن اتم های عناصر فلزی جایگزین اتم های هیدروژن در اسیدها می شوند. در این مورد، نمک اسید مربوطه و هیدروژن H2 تشکیل می شود (شکل 36.1، ص 194):

هرچه یک فلز در سمت چپ در سری فعالیت قرار گیرد، با اسیدها تعامل شدیدتری دارد. آن دسته از فلزاتی که در همان ابتدای سری قرار دارند، به شدت هیدروژن را از اسیدها جابجا می کنند. بنابراین، منیزیم به شدت واکنش نشان می دهد (مایع به نظر می رسد

می‌جوشد)، روی بسیار آرام‌تر واکنش نشان می‌دهد، آهن بسیار ضعیف واکنش نشان می‌دهد (حباب‌های هیدروژن به سختی تشکیل می‌شوند)، و مس اصلاً با اسید تعامل نمی‌کند (شکل 36.2).

اگر فلز در سری فعالیت سمت راست هیدروژن قرار گیرد، آنگاه نمی‌تواند هیدروژن را از محلول‌های اسیدی جابجا کند و بنابراین واکنش رخ نمی‌دهد (جدول 12، ص 197):

به معادلات واکنش فلزات با اسیدهای داده شده در بالا توجه کنید: در این واکنش ها اتم های عناصر فلزی از ماده سادهجایگزین اتم های هیدروژن در اسیدها شود. چنین واکنش هایی را واکنش های جانشینی می نامند.

واکنش‌های جانشینی واکنش‌هایی هستند که در آن یک اتم از یک عنصر یک ماده ساده، یک اتم عنصر دیگر را از یک ماده پیچیده جابجا می‌کند.

برهمکنش نیترات و اسیدهای سولفات غلیظ با فلزات بر اساس طرح متفاوتی انجام می شود. در چنین واکنش هایی تقریباً هیچ هیدروژنی آزاد نمی شود، بلکه سایر محصولات واکنش آزاد می شوند که در کلاس های بعدی با آن آشنا خواهید شد.

برهمکنش فلزات با آب

فلزات واقع در سری فعالیت در سمت چپ هیدروژن قادرند هیدروژن را نه تنها از محلول های اسیدی بلکه از آب نیز جابجا کنند. همانطور که در مورد اسیدها، فعالیت برهمکنش فلزات با آب بستگی به محل فلز در سری فعالیت دارد (شکل 36.3).

فلزات واقع در سری فعالیت در سمت چپ منیزیم در شرایط عادی با آب واکنش می دهند. در چنین واکنش هایی قلیایی و هیدروژن تشکیل می شود:

لیتیوم به شدت با آب تعامل می کند (شکل 36.4):

پتاسیم به قدری با آب واکنش می دهد که گاهی اوقات انفجار رخ می دهد: در طی واکنش آنقدر آزاد می شود. تعداد زیادیحرارت می دهد تا هیدروژن آزاد شده مشتعل شود و خود فلز مشتعل شود.

کلسیم و سدیم با آب به همان شدت، اما بدون انفجار، تعامل دارند:

این واقعیت که قلیاها در نتیجه واکنش فلزات فعال با آب تشکیل می شوند را می توان با افزودن محلول فنل فتالئین که رنگ زرشکی مشخصی به دست می آورد ثابت کرد (شکل 36.5، ص 196).

منیزیم مانند فلزات فعال با آب واکنش می دهد، اما به جای قلیایی تشکیل می شود پایه نامحلول. واکنش آنقدر آهسته پیش می رود که در ابتدا، هنگامی که منیزیم به آب اضافه می شود، هیچ واکنشی مشاهده نمی شود - حباب های هیدروژن تنها پس از مدتی شروع به آزاد شدن می کنند (شکل 36.6). برای شروع واکنش، آب باید کمی گرم شود یا واکنش باید در آب جوش انجام شود.

اکثر فلزات دیگری که بین منیزیم و هیدروژن در سری فعالیت قرار دارند نیز می توانند با آب برهم کنش داشته باشند (هیدروژن را از آن جابجا می کند)، اما این در شرایط "شدید" بیشتر اتفاق می افتد: برای این کار، بخار آب فوق گرم از براده های فلزی داغ عبور می کند. البته در چنین شرایطی، هیدروکسیدها (به اکسید و آب) تجزیه می شوند، بنابراین محصولات واکنش، اکسید عنصر فلزی مربوطه و هیدروژن هستند:

نیکل، قلع و سرب توسط آب غیرفعال می شوند، بنابراین تحت هیچ شرایطی با آب واکنش نشان نمی دهند.

جدول 12. وابستگی خواص شیمیایی فلزات به موقعیت آنها در سری فعالیت

K Ca Na Mg	Al Zn Fe	Ni Sn Pb		Cu Ag Hg Au
^ فعالیت فلز افزایش می یابد
برای تشکیل نمک و هیدروژن با اسیدها واکنش نشان دهید				با اسیدها واکنش نمی دهد
در شرایط عادی با آب واکنش نشان می دهد	هیدروژن را از آب در دمای بالا جابجا می کند و اکسید تشکیل می دهد	با آب تداخل ندارد
جابجایی فلز از محلول نمک آبی غیرممکن است	یک فلز را می توان با جابجایی آن با فلز فعال تر از محلول نمک به دست آورد

برهمکنش فلزات با نمک ها

اگر نمک در آب محلول باشد، عنصر فلزی موجود در آن را می توان با یک فلز فعال تر جایگزین کرد:

به عنوان مثال، اگر یک صفحه آهن را در محلول سولفات مس (P) فرو کنید، پس از مدتی مس به شکل یک پوشش قرمز روی آن آزاد می شود:

با گذشت زمان، صفحه آهن با یک لایه نسبتاً متراکم از پودر مس پوشیده می شود و محلول سبک تر می شود که نشان دهنده کاهش غلظت سولفات مس (II) در آن است (شکل 36.7).

آهن در سری فعالیت در سمت چپ مس قرار دارد، بنابراین اتم های فروم می توانند اتم های Cuprum را از نمک جابجا کنند. اما اگر یک صفحه نقره در محلول سولفات مس (P) غوطه ور شود، واکنش رخ نمی دهد:

CuSO 4 + Ag f

مس را می توان با هر فلزی که در سمت چپ مس در سری فعالیت فلز قرار دارد از نمک جابجا کرد. در عین حال

برنج. 36.8. نقره نسبت به مس فعالیت کمتری دارد و روی سطح سیم مسی می نشیند. محلول به دلیل تشکیل نمک کوپروم روی آن رنگ آبی به خود می گیرد.

مس از محلول های نمک های دیگر هر فلزی را که در سری فعالیت سمت راست آن قرار دارد جابجا می کند (شکل 36.8):

فعال ترین فلزات واقع در همان ابتدای مجموعه - سدیم، پتاسیم - فلزات دیگر را از محلول های نمکی جابجا نمی کنند، زیرا آنها به قدری فعال هستند که نه با نمک محلول، بلکه با آبی که این نمک در آن حل می شود، تعامل دارند. .

برهمکنش فلزات با اکسیدها

اکسیدهای عناصر فلزی نیز قادر به واکنش با فلزات هستند. فلزات فعال تر، فلزات کمتر فعال را از اکسیدها جابجا می کنند. اما بر خلاف برهمکنش فلزات با نمک ها، برای انجام واکنش، اکسیدها باید ذوب شوند:

برای به دست آوردن یک فلز از یک اکسید، می توانید از هر فلزی که در سمت چپ در سری فعالیت قرار دارد استفاده کنید، حتی از فعال ترین سدیم و پتاسیم، زیرا در اکسید مذاب آب وجود ندارد:

جابجایی فلزات از نمک ها یا اکسیدها توسط فلزات فعال تر گاهی اوقات در صنعت برای به دست آوردن فلزات استفاده می شود.

کیمیاگران بسیاری از اسیدها و مواد دیگر را "الکل" نامیدند (از لاتین.روح - "روح"، "بو"). بله همینطور بودفروش روح - الکل هیدروکلریک یا اسید کلرید،نیترات روحی - اسید نیترات و غیره در زبان شیمی مدرن فقط این نام ها باقی مانده استآمونیاک روحی - آمونیاک که محلول آمونیاک NH 3 است و Spiritus Vini - شراب یا الکل اتیلیک.

سوزاندن فلزات فعال (منیزیم، سدیم و غیره) را نمی توان با آب خاموش کرد. دلیل آن این است که در تماس با آب، سوختن منیزیم با آن واکنش می دهد و در نتیجه هیدروژن آزاد می شود که فقط احتراق را تشدید می کند.

. شیمیدانان "ودکای سلطنتی" را اسیدی می نامند که مخلوطی از اسیدهای نیترات غلیظ و کلرید است. این مخلوط این نام را دریافت کرد زیرا حتی طلا نیز با آن تعامل دارد.

واکنش اسید کلرید با فلزات

تجهیزات: قفسه با لوله های آزمایش

معرف ها: نمونه های فلزی دانه ای: آهن، روی، قلع، آلومینیوم، مس؛ اسید کلرید

قوانین ایمنی:

مراقب باشید که معرف ها روی لباس، پوست یا چشم ها وارد نشوند. اگر اسید وارد شود، باید فوراً با آب فراوان شسته شود و ناحیه مورد نظر با محلول سودا رقیق شده پاک شود.

1. قطعات فلزی که به شما داده شده (آهن، روی، قلع، آلومینیوم، مس) را در لوله های آزمایش جداگانه قرار دهید.

2. در هر لوله آزمایش 1-2 میلی لیتر اسید کلرید بریزید. چه چیزی را مشاهده می کنید؟ تکامل هیدروژن با کدام فلز شدیدتر اتفاق می افتد؟

3. مشاهدات خود را در دفترچه یادداشت کنید.

4. در مورد امکان برهمکنش فلزات با اسیدها نتیجه گیری کنید. فعالیت این برهمکنش را با موقعیت فلز در سری فعالیت مقایسه کنید.

برهمکنش فلزات با نمک در محلول آبی

تجهیزات: قفسه با لوله های آزمایش

معرف ها: محلول‌های سولفات مس (P)، نیترات (P) صفحات آهن و روی.

قوانین ایمنی:

از مقادیر کم معرف استفاده کنید.

مراقب باشید که معرف ها روی لباس، پوست یا چشم ها وارد نشوند. در صورت تماس با ماده باید فوراً با آب شسته شود.

1. محلول سولفات مس (P) را در لوله آزمایش اول و محلول نیترات plumbum (P) را در لوله آزمایش بریزید.

2. یک صفحه آهن را در اولین لوله آزمایش با سولفات مس (P) و یک صفحه روی را در لوله آزمایش دوم فرو کنید. چه چیزی را مشاهده می کنید؟ آیا اگر یک صفحه روی به محلول سولفات مس (II) و یک صفحه آهن به محلول نیترات plumbum (II) پایین بیاید، علائم واکنش تغییر می کند؟ اگر در هر دو مورد از بشقاب نقره استفاده می شد چه می شد؟

3. مشاهدات خود را یادداشت کنید. معادلات واکنش مربوطه را بنویسید.

4. نتیجه گیری کنید که در آن امکان برهمکنش نمک ها با فلزات را از نظر موقعیت فلزات در سری فعالیت توجیه کنید.

نتیجه گیری

1. همه فلزات که در یک ردیف قرار گرفته اند با توجه به کاهش فعالیت آنها یک ردیف از فعالیت فلز را تشکیل می دهند. هیدروژن نیز به عنوان ماده ای به آن اضافه می شود که فعالیت فلزات نسبت به آن مشخص می شود.

2. فلزات واقع در سری فعالیت در سمت چپ هیدروژن آن را از اسیدها و آب جابجا می کنند. هر چه فلز بیشتر در سمت چپ قرار گیرد، واکنش فعال‌تری نشان می‌دهد. فلزات سمت چپ منیزیم در شرایط عادی با آب واکنش می دهند و هیدروکسیدها و هیدروژن مربوطه را تشکیل می دهند و فلزات واقع از منیزیم تا هیدروژن با آب در دمای بالا واکنش می دهند و اکسید تشکیل می دهند.

3. فلزات می توانند یکدیگر را از یک نمک یا اکسید جابجا کنند: یک فلز فعال تر همیشه جایگزین فلز کمتر فعال می شود. برای انجام چنین واکنش‌هایی با محلول‌های آبی نمک‌ها، فلزاتی که در سری فعالیت قبل از منیزیم قرار دارند را نمی‌توان استفاده کرد، زیرا آنها با آب و نه با نمک محلول در آن تعامل خواهند داشت.

سوالات امنیتی

1. سری فعالیت فلزات Beketov شامل چه اطلاعاتی است؟ فلزات بر اساس چه اصل در آن چیده شده اند؟

2. چه فلزاتی هیدروژن را از اسیدها جابجا می کنند؟ مثال بزنید.

3. چه فلزاتی با آب واکنش نشان می دهند؟ کدام یک از آنها در شرایط عادی و کدام در دماهای بالا برهم کنش دارند؟

4. انتخاب فلزات برای جابجایی فلزات دیگر از محلول های نمک بر اساس کدام اصل ضروری است؟ از اکسید ذوب می شود؟

تکالیف برای تسلط بر مطالب

1. اسیدها تحت چه شرایطی واکنش نشان می دهند: الف) با فلزات. ب) دلایل؛ ج) نمک ها؟ پاسخ خود را با معادلات واکنش تایید کنید.

2. نمکها تحت چه شرایطی واکنش نشان می دهند: الف) با اسیدها. ب) فلزات؛ ج) دلایل؟ پاسخ خود را با معادلات واکنش تایید کنید.

3. قطعات منیزیم و قلع در محلول اسید کلرید قرار داده شد. در چه صورت واکنش شدیدتر است؟ معادلات این واکنش ها را بنویسید.

4. نمونه های سدیم، کلسیم و روی با آب پر شد. در هر مورد چه مواردی رعایت می شود؟ معادلات واکنش مربوطه را بنویسید.

5. صفحات سرب و آهن در محلول سولفات نیکل (I) غوطه ور شدند. در چه صورت واکنش رخ می دهد؟ پاسخ خود را توجیه کنید.

6. چرا نمی توان از سدیم و پتاسیم برای بدست آوردن مس از محلول سولفات مس (P) استفاده کرد، زیرا آنها فعال تر از مس هستند؟ آیا می توان از آنها برای استخراج مس از مذاب اکسید مس (I) استفاده کرد؟

7. پتاسیم با آب چنان شدید واکنش می دهد که هیدروژن آزاد شده مشتعل می شود. چه ماده ای در محلول تشکیل می شود؟ یک معادله برای واکنش بنویسید.

8. نحوه استفاده را پیشنهاد دهید واکنش های شیمیاییمخلوط مس و آهن را جدا کنید.

9. در اثر برهمکنش آب چه موادی به وجود می آید: الف) با فلزات فعال. ب) اکسیدهای عناصر فلزی فعال. ج) اکسیدها عناصر غیر فلزی? مثال بزنید.

10. معادلات واکنش های احتمالی را بنویسید:

11. اسید سولفات با کدام یک از این مواد تعامل دارد: NaNO 3، CO 2، NaOH، AgNO 3، Zn، Ba، CaCO 3، Cu(OH) 2، Zn(OH) 2، HCl، SiQ 2، Fe 2 O. 3، جیوه؟ معادلات واکنش را بنویسید.

12. کدام یک از مواد زیر با آب برهمکنش می کنند: Na, Ba, Fe, Fe 2 O 3, H 2 SO 4 NaOH, CaO, ZnO؟ پاسخ خود را با معادلات واکنش تایید کنید.

13. هنگامی که یک صفحه روی در محلول نیترات مس (II) غوطه ور شد، مس به وزن 3.2 گرم روی صفحه آزاد شد.

14. جرم قلع را که در نتیجه برهمکنش اکسید stannum(ii) با آلومینیوم به وزن 0.54 کیلوگرم بدست می آید محاسبه کنید.

15. اگر روی با وزن 97.5 گرم به طور کامل با اسید کلرید واکنش نشان دهد، چه حجمی از هیدروژن (n.u.) آزاد می شود؟

16- چه مقدار اسید سولفات برای واکنش با منیزیم به وزن 12 گرم لازم است؟ چه توده ای از نمک تشکیل می شود؟ چه حجمی از گاز آزاد می شود؟

17. از محلول سولفات مس (II) حاوی 32 گرم از این نمک چه مقدار ماده مس می توان جدا کرد؟

18. مخلوطی از منیزیم به وزن 6 گرم و آهن به وزن 16.8 گرم با مقدار کافی محلول اسید سولفات تیمار شد. چه حجمی از هیدروژن (n.u.) در نتیجه واکنش آزاد شد؟

19. در محلول نیترات آرژانتوم (I) به وزن 85 گرم با کسر جرمینمک های 2 درصد صفحه روی را غوطه ور کردند. جرم نقره ای که پس از پایان واکنش در صفحه آزاد می شود را محاسبه کنید. تعیین کنید که جرم صفحه در مقایسه با جرم اصلی آن چگونه تغییر می کند.

20 5. آلومینیوم یک فلز نسبتاً فعال است، اما محصولات آلومینیومی بدون علائم قابل مشاهده زوال در هوا ذخیره می شوند. اگر یک محصول آلومینیومی تمیز شده، مانند قاشق یا چنگال، برای مدتی در محلول نیترات جیوه (II) قرار داده شود، با یک پوشش نقره ای پوشانده می شود. محصولی که به این روش درمان می شود، هنگامی که در هوا ذخیره می شود، در مدت زمان نسبتاً کوتاهی به پودر خاکستری تبدیل می شود که در میان آن توپ های نقره ای رنگ مشاهده می شود. از دیدگاه شیمیایی توضیح دهید که چرا چنین تغییراتی ممکن است رخ دهد. معادلات واکنش مربوطه را بنویسید.

این مطالب کتاب درسی است

لی، پتاسیم، کلسیم، سدیم، منیزیم، آل، روی، کروم، آهن، سرب، اچ 2 , مس، نقره، جیوه، طلا

هر چه فلز در ردیف پتانسیل‌های استاندارد الکترود در سمت چپ قرار گیرد، قوی‌ترین عامل احیاکننده، فلز لیتیوم، طلا ضعیف‌ترین و برعکس، یون طلا (III) قوی‌ترین اکسیدکننده است. عامل، لیتیوم (I) ضعیف ترین است.

هر فلزی می‌تواند از نمک‌های موجود در محلول، فلزاتی را که در یک سری تنش‌ها قرار دارند، کاهش دهد، به عنوان مثال، آهن می‌تواند مس را از محلول‌های نمک خود جابجا کند. با این حال، به یاد داشته باشید که فلزات قلیایی و قلیایی خاکی مستقیماً با آب واکنش می دهند.

فلزاتی که در سری ولتاژ سمت چپ هیدروژن قرار دارند، می توانند آن را از محلول های اسیدهای رقیق جابجا کرده و در آنها حل شوند.

فعالیت کاهشی یک فلز همیشه با موقعیت آن در جدول تناوبی مطابقت ندارد، زیرا هنگام تعیین مکان یک فلز در یک سری، نه تنها توانایی آن در اهدای الکترون در نظر گرفته می شود، بلکه انرژی صرف شده برای تخریب فلز نیز در نظر گرفته می شود. شبکه کریستالی فلز و همچنین انرژی صرف شده برای هیدراتاسیون یونها.

تعامل با مواد ساده

با اکسیژن بیشتر فلزات اکسیدهای آمفوتریک و اساسی را تشکیل می دهند:

4Li + O 2 = 2Li 2 O،

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3.

فلزات قلیایی، به استثنای لیتیوم، پراکسیدها را تشکیل می دهند:

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

با هالوژن ها فلزات نمک اسیدهای هیدروهالیک را تشکیل می دهند، به عنوان مثال،

Cu + Cl 2 = CuCl 2.

با هیدروژن فعال ترین فلزات هیدریدهای یونی را تشکیل می دهند - مواد نمک مانند که در آنها هیدروژن حالت اکسیداسیون -1 دارد.

2Na + H2 = 2NaH.

با خاکستری فلزات سولفید تشکیل می دهند - نمک های اسید هیدروژن سولفید:

با نیتروژن برخی از فلزات نیترید تشکیل می دهند، واکنش تقریباً همیشه هنگام گرم شدن رخ می دهد:

3Mg + N2 = Mg3N2.

با کربن کاربیدها تشکیل می شوند:

4Al + 3C = Al 3 C 4.

با فسفر - فسفیدها:

3Ca + 2P = Ca 3 P 2 .

فلزات می توانند با یکدیگر تعامل داشته باشند و تشکیل شوند ترکیبات بین فلزی :

2Na + Sb = Na 2 Sb،

3Cu + Au = Cu 3 Au.

فلزات می توانند در دمای بالا بدون واکنش در یکدیگر حل شوند و تشکیل شوند آلیاژها.

آلیاژها

آلیاژها سیستم‌هایی متشکل از دو یا چند فلز و همچنین فلزات و غیرفلزات نامیده می‌شوند که دارای خواص مشخصه‌ای هستند که فقط در حالت فلزی ذاتی هستند.

خواص آلیاژها بسیار متنوع است و با خواص اجزای آنها متفاوت است، مثلاً برای اینکه طلا سخت‌تر شود و برای ساخت جواهرات مناسب‌تر شود به آن نقره و آلیاژی حاوی 40 درصد کادمیوم و 60 درصد بیسموت اضافه می‌کنند. دارای نقطه ذوب 144 درجه سانتیگراد، یعنی بسیار کمتر از نقطه ذوب اجزای آن (Cd 321 ° C، Bi 271 ° C).

انواع آلیاژهای زیر امکان پذیر است:

فلزات مذاب با هر نسبتی با یکدیگر مخلوط می شوند و به طور نامحدود در یکدیگر حل می شوند، به عنوان مثال، Ag-Au، Ag-Cu، Cu-Ni و دیگران. این آلیاژها از نظر ترکیب همگن هستند، مقاومت شیمیایی بالایی دارند و جریان الکتریکی را هدایت می کنند.

فلزات صاف شده به هر نسبت با یکدیگر مخلوط می شوند، اما هنگامی که سرد می شوند از هم جدا می شوند و جرمی متشکل از کریستال های جداگانه اجزاء، به عنوان مثال، Pb-Sn، Bi-Cd، Ag-Pb و غیره به دست می آید.

واضح است که هیچ چیز مشخص نیست.

اجازه دهید با جزئیات بیشتری فرآیندهایی را که ممکن است هنگام غوطه ور شدن یک صفحه فلزی در محلول نمکی از همان فلزی که خود صفحه از آن ساخته شده است رخ دهد که در چنین مواردی نامیده می شود بررسی کنیم. الکترود.

دو گزینه وجود دارد.

گزینه 1. الکترود از فلزی ساخته شده است که یک عامل کاهنده فعال است (از اینکه الکترون های خود را از دست می دهد "متأسف نیست")، مثلاً روی باشد.

پس از غوطه‌ور شدن الکترود روی در محلول، دوقطبی‌های آب موجود در محلول شروع به جذب بخش خاصی از اتم‌های روی می‌کنند که به صورت یون‌های هیدراته وارد محلول می‌شوند، اما در عین حال الکترون‌های خود را روی اتم‌های روی می‌گذارند. سطح الکترود

Me 0 +mH 2 O → Me n+ mH 2 O+ne - Me 0 → Me n+ +ne -

به تدریج، الکترون های منفی "پرتاب" بیشتری روی سطح الکترود روی جمع می شوند - الکترود روی بار منفی به دست می آورد. به موازات این فرآیند، مقدار یون های روی دارای بار مثبت که از الکترود خارج می شوند در محلول افزایش می یابد. کاتیون های روی شروع به جذب توسط الکترود با بار منفی می کنند، در نتیجه یک به اصطلاح دو لایه الکتریکی(DES).

گزینه 2. الکترود از فلزی ساخته شده است که یک عامل احیا کننده ضعیف است (از اینکه الکترون هایش را جدا می کند "متأسف است". بگذارید مس نقش چنین فلزی را بازی کند. بنابراین، یون های مس موجود در محلول، عوامل اکسید کننده قوی هستند. هنگامی که یک الکترود مس در یک محلول غوطه ور می شود، برخی از یون های مس شروع به تماس با سطح الکترود می کنند و به دلیل الکترون های آزاد موجود در مس کاهش می یابند.

Me n+ +ne - → Me 0

فرآیند مخالف گزینه 1 به تدریج، کاتیون های مس بیشتری روی سطح الکترود رسوب می کنند. هنگامی که کاتیون ها بازسازی می شوند، با افزایش بار، یون های مثبت مس را به طور مثبت شارژ می کنند، بنابراین یک لایه الکتریکی دوتایی تشکیل می دهند، اما با قطبیت مخالف آن در گزینه 1.

در مرز شکل گرفت الکترود محلولاختلاف پتانسیل نامیده می شود پتانسیل الکترود.

اندازه گیری چنین پتانسیل بسیار دشوار است. برای رهایی از وضعیت دشوار، آنها تصمیم گرفتند نه مقادیر مطلق، بلکه مقادیر نسبی را بگیرند و به عنوان یک استاندارد تصمیم گرفتند پتانسیل الکترود هیدروژن را که برابر با صفر گرفته شده است، بگیرند.

پتانسیل یک الکترود فلزی خاص به ماهیت فلز، غلظت و دمای محلول بستگی دارد.

از آنجایی که فلزات قلیایی و قلیایی خاکی در محلول های آبی با آب واکنش می دهند، پتانسیل الکترود آنها به صورت تئوری محاسبه می شود.

مرسوم است که تمام فلزات را به ترتیب افزایش ارزش پتانسیل الکترود استاندارد آنها مرتب می کنند - این سری نامیده می شود سری ولتاژ الکتروشیمیایی فلزات:

پتانسیل الکترود چه چیزی را نشان می دهد؟

پتانسیل الکترود توانایی یک فلز برای رها کردن الکترون های خود یا بازیابی آن را به صورت عددی منعکس می کند، به عبارت دیگر، منعکس کننده فعالیت شیمیایی فلز است.

هر چه یک فلز در سمت چپ در سری الکتروشیمیایی قرار گیرد (به بالا مراجعه کنید)، به راحتی الکترون های خود را رها می کند، یعنی فعال تر است و راحت تر با عناصر دیگر واکنش نشان می دهد.

اگر افراط را در نظر بگیریم، پس:

• لیتیوم قوی ترین عامل کاهنده و یون لیتیوم ضعیف ترین عامل اکسید کننده است.
• طلا ضعیف ترین عامل کاهنده و یون طلا قوی ترین عامل اکسید کننده است.

پیامدهای ناشی از سری الکتروشیمیایی ولتاژهای فلزی:

• این فلز تمام فلزات دیگری را که در سری سمت راست آن قرار دارند (که عوامل کاهنده ضعیف تری هستند) از نمک ها جابجا می کند.
• فلزاتی که پتانسیل الکترود منفی دارند، یعنی در سمت چپ هیدروژن ایستاده اند، آن را از اسیدها جابه جا می کنند.
• فعال ترین فلزات که دارای کمترین پتانسیل الکترود هستند (این فلزات از لیتیوم تا سدیم هستند) در درجه اول با آب در محلول های آبی واکنش می دهند.

لازم به ذکر است که موقعیت فلزات در جدول تناوبی و موقعیت فلزات مشابه در سری ولتاژ الکتروشیمیایی کمی متفاوت است. این واقعیت با این واقعیت توضیح داده می شود که مقدار پتانسیل الکترود نه تنها به انرژی مورد نیاز برای حذف الکترون ها از یک اتم جدا شده بستگی دارد، بلکه شامل انرژی لازم برای از بین بردن شبکه کریستالی + انرژی آزاد می شود که در طول هیدراتاسیون اتم آزاد می شود. یون ها