A fémek számos kémiai aktivitása. Kémiai előkészítés hő és dpa komplex kiadáshoz. Galvanikus cellák, elektromotoros erejük

Az "elektród anyag - oldat" potenciálkülönbség egy anyag (mind fémek, mind pedignemfémek) ionok formájában oldatba kerülnek, azaz. jellemezaz ion és a neki megfelelő anyag OB képességének botja.

Ezt a potenciálkülönbséget únelektródpotenciál.

Azonban közvetlen módszerek egy ilyen potenciálkülönbség mérésérenem létezik, ezért megállapodtunk abban, hogy a következőkkel kapcsolatban határozzuk meg őketaz úgynevezett standard hidrogénelektród, potenciálamelynek al -ját hagyományosan nullának veszik (gyakran más névenreferenciaelektróda). Egy szabványos hidrogén elektróda állegy platinalemezről, amely savval készült oldatba merülН + ionok központosítása 1 mol / l és gázárammal mossukhidrogén normál körülmények között.

Egy szabványos hidrogénelektródon a potenciál megjelenése a következőképpen képzelhető el. A platina által adszorbeált gáznemű hidrogén atomi állapotba kerül:

H 2 2H.

A lemez felületén képződő atomos hidrogén, az oldatban lévő hidrogénionok és a platina (elektronok!) között dinamikus egyensúlyi állapot jön létre:

H H + + e.

A teljes folyamatot a következő egyenlet fejezi ki:

H22H++2e.

A platina nem vesz részt a redoxbanés a folyamat, de csak hordozója az atomi hidrogénnek.

Ha egy bizonyos fém lemezét, amelyet 1 mol / l-es fémion-koncentrációjú sóoldatba merítenek, egy szabványos hidrogénelektródához csatlakoztatják, akkor galvánelemet kapunk. Ennek az elemnek az elektromotoros ereje(EMF), 25 °C-on mérve, és a fém standard elektródpotenciálját jellemzi, amelyet általában E 0-val jelölnek.

A H 2 / 2H + rendszerrel kapcsolatban egyes anyagok oxidálószerként, mások redukálószerként viselkednek. Jelenleg szinte az összes fém és sok nemfém standard potenciáljait megkapták, amelyek a redukálószerek vagy oxidálószerek relatív elektronfelszabadító vagy -befogó képességét jellemzik.

A redukálószerként működő elektródák hidrogénhez viszonyított potenciálja „-”, a „+” jel pedig az oxidálószerként működő elektródák potenciálját jelöli.

Ha a fémek standard elektródpotenciáljaik növekvő sorrendjében vannak elrendezve, akkor az ún fémfeszültségek elektrokémiai sorozatai:

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.

Számos feszültség jellemzi Kémiai tulajdonságok fémek.

1. Minél negatívabb egy fém elektródpotenciálja, annál nagyobb a redukálhatósága.

2. Mindegyik fém képes kiszorítani (redukálni) a sóoldatokból azokat a fémeket, amelyek utána a fémfeszültségek sorában vannak. Az egyetlen kivétel az alkáli- és alkáliföldfémek, amelyek nem csökkentik más fémek ionjait sóik oldatából. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy ezekben az esetekben a fémek vízzel való kölcsönhatási reakciói nagyobb sebességgel mennek végbe.

3. Minden olyan fém, amelynek negatív standard elektródpotenciálja van, azaz E. a hidrogéntől balra lévő fémfeszültségek sorozatában lévők képesek kiszorítani a savas oldatokból.

Megjegyzendő, hogy a bemutatott sorozat a fémek és sóik viselkedését csak vizes oldatokban jellemzi, mivel a potenciálok figyelembe veszik egyik vagy másik ion és az oldószermolekulák kölcsönhatásának sajátosságait. Ezért az elektrokémiai sorozat lítiummal kezdődik, míg az aktívabb vegyileg a rubídium és a kálium a lítiumtól jobbra található. Ez kizárólag annak köszönhető magas energia a lítium-ionok hidratálási folyamata más alkálifémek ionjaival összehasonlítva.

A standard redoxpotenciál algebrai értéke a megfelelő oxidált forma oxidatív aktivitását jellemzi. Ezért a standard redoxpotenciálok értékeinek összehasonlítása lehetővé teszi, hogy megválaszoljuk a kérdést: előfordul -e ez vagy az a redox -reakció?

Így a halogenidionok szabad halogénekké történő oxidációjának minden félreakciója

2 Cl - - 2 e = С l 2 Е 0 = -1,36 V (1)

2 Br - -2e = B r 2 E 0 = -1,07 V (2)

2I --2 e = I 2 E 0 = -0,54 V (3)

standard körülmények között megvalósítható, ólom -oxidot használva oxidálószerként ( IV ) (E 0 = 1,46 V) vagy kálium-permanganát (E 0 = 1,52 V). Kálium-dikromát használatakor ( E 0 = 1,35 V) csak a (2) és (3) reakciót lehet végrehajtani. Végül használjuk oxidálószerként salétromsav ( E 0 = 0,96 V) csak félreakciót tesz lehetővé jodidionok részvételével (3).

Így egy adott redoxreakció lehetőségének felmérésére kvantitatív kritérium az oxidációs és redukciós félreakciók standard redoxpotenciáljai közötti különbség pozitív értéke.

Amikor az emberek meghallják a „fém” szót, általában a hideggel és a szilárd anyag elektromos áramot vezet. A fémek és ötvözeteik azonban nagyon eltérhetnek egymástól. Vannak, amelyek a nehéz csoportba tartoznak, ezeknek az anyagoknak a legnagyobb a sűrűsége. És néhány, például a lítium, olyan könnyű, hogy lebeghetne a vízben, ha nem lépne aktív reakcióba vele.

Melyek a legaktívabb fémek?

De melyik fém rendelkezik a legintenzívebb tulajdonságokkal? A legtöbb aktív fém cézium. Tevékenységében az összes fém között az első helyen áll. Szintén "testvérei" a második helyen álló Francium és Ununenny. De a tudósok még mindig keveset tudnak az utóbbi tulajdonságairól.

Cézium tulajdonságai

A cézium egy olyan elem, amely hasonlóan könnyen megolvad a kezében. Ezt azonban csak egy feltétel mellett lehet megtenni: ha a cézium üveg ampullában van. Ellenkező esetben a fém gyorsan reagálhat a környező levegővel - meggyullad. És a cézium és a víz kölcsönhatását robbanás kíséri - ez a legaktívabb fém a megnyilvánulásában. Ez a válasz arra a kérdésre, hogy miért olyan nehéz a céziumot edényekbe tenni.

Annak érdekében, hogy a kémcsőbe helyezze, szükséges, hogy speciális üvegből készüljön, és argonnal vagy hidrogénnel töltse fel. A cézium olvadáspontja 28,7 o C. Szobahőmérsékleten a fém a padlóban van folyékony halmazállapot... A cézium arany-fehér anyag. Folyékony állapotban a fém jól visszaveri a fényt. A céziumgőzök zöldeskék árnyalatúak.

Hogyan fedezték fel a céziumot?

A legaktívabb fém az első kémiai elem volt, amelynek jelenlétét a földkéreg felszínén spektrális analízis módszerével mutatták ki. Amikor a tudósok megkapták a fém spektrumát, két égkék színű vonalat láttak benne. Így ez az elem megkapta a nevét. A caesius szó fordításában latinégszínt jelent.

A felfedezés története

Felfedezése R. Bunsen és G. Kirchhoff német kutatóé. A tudósokat már akkor is érdekelte, hogy mely fémek aktívak és melyek nem. 1860-ban a kutatók a Durkheim-tározóból származó víz összetételét tanulmányozták. Ezt spektrális elemzéssel tették. Egy vízmintában a tudósok olyan elemeket találtak, mint a stroncium, magnézium, lítium és kalcium.

Aztán úgy döntöttek, hogy spektroszkóppal elemzik a vízcseppet. Aztán két élénkkék vonalat láttak egymáshoz közel. Az egyik a helyzetében gyakorlatilag egybeesett a stroncium fém vonalával. A tudósok úgy döntöttek, hogy az általuk azonosított anyag ismeretlen, és az alkálifémek csoportjába sorolták.

Ugyanebben az évben Bunsen levelet írt G. Roscoe fotokémikus kollégájának, amelyben beszélt erről a felfedezésről. A céziumról pedig hivatalosan 1860. május 10-én jelentették be a Berlini Akadémia tudósainak találkozóján. Hat hónap elteltével Bunsen körülbelül 50 gramm cézium-klórplatinitot tudott izolálni. A tudósok 300 tonna ásványvizet dolgoztak fel, és mintegy 1 kg lítium-kloridot izoláltak melléktermékként, hogy végül megkapják a legaktívabb fémet. Ez arra utal, hogy az ásványvizekben nagyon kevés cézium található.

A cézium beszerzésének nehézsége folyamatosan arra készteti a tudósokat, hogy keressenek azt tartalmazó ásványokat, amelyek közül az egyik a pollucit. De a cézium ércekből való kinyerése mindig hiányos, működés közben a cézium nagyon gyorsan eloszlik. Emiatt a kohászatban az egyik legnehezebben beszerezhető anyag. V földkéreg például 3,7 gramm céziumot tartalmaz tonnánként. És egy literben tengervíz csak 0,5 μg az anyag a legaktívabb fém. Ez oda vezet, hogy a cézium kinyerése az egyik legmunkaigényesebb folyamat.

Fogadás Oroszországban

Mint említettük, a fő ásvány, amelyből a céziumot nyerik, a pollucit. És ez a legaktívabb fém is előállítható ritka avogadritból. Az iparban a szennyeződést használják. Bomlás után bányászni szovjet Únió Oroszországban nem végeztek, annak ellenére, hogy még ezekben a napokban is óriási céziumtartalékokat fedeztek fel a Murmansk melletti Voronya tundrában.

Mire a hazai ipar megengedhette magának a cézium kitermelését, a lelőhely fejlesztésének engedélyét egy kanadai cég szerezte meg. A céziumot jelenleg a novoszibirszki ZAO Rare Metals Plant cég vonja ki.

A cézium használata

Ezt a fémet különféle napelemek készítésére használják. A céziumvegyületeket az optika speciális ágaiban is használják - az infravörös eszközök gyártása során a céziumot olyan irányzékok gyártásához használják, amelyek lehetővé teszik az ellenség felszerelésének és munkaerőjének észlelését. Különleges készítésére is használják fémhalogén lámpák.

De ez nem meríti ki az alkalmazási kört. Számos gyógyászati ​​készítményt is készítettek cézium alapján. Ezek a gyógyszerek diftéria, peptikus fekélyek, sokk és skizofrénia kezelésére szolgálnak. A lítiumsókhoz hasonlóan a céziumsók is normotimális tulajdonságokkal rendelkeznek - vagy egyszerűen stabilizálják az érzelmi hátteret.

Fém franciaország

A másik legintenzívebb tulajdonságokkal rendelkező fém a francium. Nevét a fém felfedezőjének hazájának tiszteletére kapta. M. Pere, aki Franciaországban született, felfedezett egy újat kémiai elem 1939-ben. Ez azon elemek egyike, amelyekről maguk a vegyészek is nehezen vonnak le következtetéseket.

A francium a legnehezebb fém. Sőt, a legaktívabb fém a francium a céziummal együtt. A francium rendelkezik ezzel a ritka kombinációval - magas kémiai aktivitással és alacsony nukleáris ellenállással. Leghosszabb életű izotópjának felezési ideje mindössze 22 perc. A franciumot egy másik elem, az aktínium kimutatására használják. És korábban a francia sókat is javasolták rákos daganatok kimutatására. Mivel azonban magas ár ezt a sót nem nyereséges előállítani.

A legaktívabb fémek összehasonlítása

Az Ununennium egy még fel nem fedezett fém. Ez lesz az első a nyolcadik sorban periodikus rendszer... Ennek az elemnek a fejlesztését és kutatását Oroszországban a Joint Institute for Nuklear Research végzi. Ennek a fémnek is nagyon nagy aktivitással kell rendelkeznie. Ha a már ismert franciumot és céziumot hasonlítjuk össze, akkor a legtöbb nagy potenciál ionizációt - 380 kJ / mol - a francium birtokolja.

A cézium esetében ez a szám 375 kJ / mol. De a francium még mindig nem reagál olyan gyorsan, mint a cézium. Így a cézium a legaktívabb fém. Ez a válasz (a kémia leggyakrabban az a tantárgy, aminek a tantervében találhat hasonló kérdést), ami hasznos lehet iskolai órán és szakközépiskolában egyaránt.

Fémaktivitás elektrokémiai sorozatai(feszültségek sorozata, szabványos elektródpotenciálok sora) - egy sorozat, amelyben a fémek elrendeződnek a szokásos elektrokémiai potenciáljuk növelésének sorrendjében φ 0, amely megfelel a fém kation redukciójának félreakciójának Me n +: Me n + + nē → Én

Számos fémtevékenység gyakorlati alkalmazása

A gyakorlatban számos feszültséget használnak a fémek kémiai aktivitásának összehasonlító értékelésére sók és savak vizes oldataival való reakciókban, valamint az elektrolízis során zajló katódos és anódos folyamatok értékelésére:

• A hidrogéntől balra lévő fémek erősebb redukálószerek, mint a jobb oldali fémek: ez utóbbiakat kiszorítják a sóoldatokból. Például a Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu kölcsönhatás csak előrefelé lehetséges.
• A hidrogéntől balra lévő sorban lévő fémek kiszorítják a hidrogént, amikor kölcsönhatásba lépnek a nem oxidáló savak vizes oldataival; a legaktívabb fémek (alumíniumig) - és vízzel való kölcsönhatás esetén.
• A hidrogéntől jobbra lévő sorban lévő fémek normál körülmények között nem lépnek kölcsönhatásba nem oxidáló savak vizes oldataival.
• Az elektrolízis során a hidrogéntől jobbra lévő fémek szabadulnak fel a katódon; a mérsékelt aktivitású fémek redukcióját hidrogénfejlődés kíséri; a legaktívabb fémek (alumíniumig) nem különíthetők el vizes oldatok sók.

A legaktívabbak az alkálifémek:

• lítium;
• nátrium;
• kálium;
• rubídium;
• cézium;
• francium.

Grosse E., Weismantel H.

Kémia a kíváncsiaknak. A kémia alapjai és szórakoztató élmények.

3. fejezet (folytatás)

FÉMEK ELEKTROKÉMIA KIS KÍNÉRE

Már megismerkedtünk az alkálifém -kloridok oldatainak elektrolízisével és a fémek olvadékok felhasználásával történő előállításával. Most néhány egyszerű kísérlettel megpróbáljuk tanulmányozni a vizes oldatok, galvánelemek elektrokémiáját szabályozó néhány törvényszerűséget, valamint megismerkedni a galvanikus védőbevonatok előállításával is.
Az elektrokémiai módszereket a modern analitikai kémia, az elméleti kémia legfontosabb értékeinek meghatározására szolgál.
Végül a korrózió fémtárgyak ami sok kárt okoz nemzetgazdaság, a legtöbb esetben elektrokémiai folyamat.

FÉMFESZÜLTSÉGI TARTOMÁNY

Az elektrokémiai folyamatok megértésének alapvető kapcsolata a fémekben lévő feszültségsorozat. A fémek sorba rendezhetők, amelyek vegyileg aktívak és a legkevésbé aktív nemesfémekkel végződnek:
Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Mg, Al, Be, Mn, Zn, Cr, Ga, Fe, Cd, Tl, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, As, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Ez így néz ki a legújabb ötletek, a feszültségek sorozata a legfontosabb fémekre és a hidrogénre. Ha egy galvanikus cella elektródái bármely két fémből készülnek egymás után, akkor a sor előtti anyagon negatív feszültség jelenik meg.
Feszültség értéke ( elektrokémiai potenciál) függ az elem helyzetétől a feszültségsorban és az elektrolit tulajdonságaitól.
Állítsuk meg néhány egyszerű kísérletből a feszültségsor lényegét, melyhez áramforrásra és elektromos mérőműszerekre van szükség. Oldjon fel körülbelül 10 g kristályos réz-szulfátot 100 ml vízben, és merítsen az oldatba egy acéltűt vagy egy darab vas-ónt. (Javasoljuk, hogy először finom csiszolóruhával tisztítsa meg a vasalót, amíg fényessé nem válik.) Rövid idő elteltével a vasalót vöröses vörösrézréteg borítja. Az aktívabb vas kiszorítja a rezet az oldatból, a vas pedig ionok formájában oldódik, a réz pedig fém formájában szabadul fel. A folyamat addig tart, amíg az oldat érintkezik a vassal. Miután a réz a vas teljes felületét beborítja, gyakorlatilag leáll. Ebben az esetben egy meglehetősen porózus rézréteg képződik, így áram nélkül nem lehet védőbevonatot készíteni.
A következő kísérletekben merítsünk kis cink- és ólom-óncsíkokat a réz-szulfát oldatba. 15 perc elteltével vegye ki, öblítse le és vizsgálja meg mikroszkóp alatt. Megkülönböztetünk gyönyörű jégszerű mintákat, amelyek vörösek a visszavert fényben, és felszabadult rézből állnak. Itt is aktívabb fémek alakították át a rezet ionos állapotból fémes állapotba.
A réz viszont kiszoríthatja azokat a fémeket, amelyek alacsonyabbak a feszültségsorozatban, azaz kevésbé aktívak. Vigyen fel néhány csepp ezüst -nitrát oldatot egy vékony rézlemez csíkra vagy lapított rézhuzalra (miután korábban fényesre ecsetelte a felületet). Szabad szemmel észrevehető lesz a kialakult feketés lepedék, amely mikroszkóp alatt visszavert fényben vékony tűleveleknek és növényi mintáknak (ún. dendriteknek) tűnik.
A cink áram nélküli izolálásához aktívabb fémet kell használni. A vízzel heves kölcsönhatásba lépő fémek kivételével a magnéziumot a cink feletti feszültségsorozatban találjuk. Tegyen néhány csepp cink-szulfát oldatot egy magnéziumszalagra vagy egy vékony elektronlapkára. A cink-szulfát oldatát úgy kapjuk, hogy egy darab cinket híg kénsavban feloldunk. A cink-szulfáttal együtt adjunk hozzá néhány csepp denaturált alkoholt. A magnéziumon rövid idő elteltével észrevesszük, különösen mikroszkóp alatt, hogy a cink vékony kristályok formájában kicsapódik.
Általában a feszültségsor bármely tagja kiszorítható az oldatból, ahol ion formájában van, és fémes állapotba alakítható. Ha azonban mindenféle kombinációt kipróbálunk, csalódást okozhatunk. Úgy tűnik, hogy ha egy alumíniumcsíkot réz-, vas-, ólom- és cinksó-oldatba merítenek, ezeknek a fémeknek fel kell szabadulniuk. Ez azonban nem történik meg. A meghibásodás oka nem a feszültségsorozat hibájában rejlik, hanem a reakció speciális gátlásán alapul, ami jelen esetben az alumínium felületén lévő vékony oxidrétegnek köszönhető. Az ilyen megoldásokban az alumíniumot passzívnak nevezik.

NÉZZÜNK AZ Osztályok mögé

A folyamatban lévő folyamatok törvényszerűségeinek megfogalmazása érdekében korlátozhatjuk magunkat a kationok figyelembevételére, az anionokat pedig kizárhatjuk, mivel azok maguk nem vesznek részt a reakcióban. (Igaz, az anionok típusa befolyásolja a lerakódás sebességét.) Ha az egyszerűség kedvéért feltételezzük, hogy a kicsapódott és az oldott fémek is kettős töltésű kationokat adnak, akkor felírhatjuk:

Me 1 + Me 2 2+ = Me 1 2+ + Me 2

Sőt, az első kísérletnél Me 1 = Fe, Me 2 = Cu.
Tehát a folyamat a töltések (elektronok) cseréjéből áll mindkét fém atomjai és ionjai között. Ha külön (köztes reakcióként) vesszük figyelembe a vas oldódását vagy a réz kiválását, akkor a következőt kapjuk:

Fe = Fe 2+ + 2 e --

Cu 2+ + 2 e- = Сu

Tekintsük most azt az esetet, amikor a fémet vízbe vagy sóoldatba merítjük, amelynek kationjával a feszültségsorban elfoglalt helyzete miatt a csere lehetetlen. Ennek ellenére a fém hajlamos ion formájában oldatba menni. Ilyenkor a fématom két elektront ad fel (ha a fém kétértékű), az oldatba merített fém felülete az oldathoz képest negatívan töltődik, és a határfelületen kettős elektromos réteg keletkezik. Ez a potenciálkülönbség megakadályozza a fém további feloldódását, így a folyamat hamarosan leáll.
Ha két különböző fémet merítünk egy oldatba, akkor mindkettő töltődik, de a kevésbé aktív valamivel gyengébb, mivel atomjai kevésbé hajlamosak az elektronok leválására.
Csatlakoztassuk mindkét fémet egy vezetővel. A potenciálkülönbség miatt az elektronok áramlása az aktívabb fémtől a kevésbé aktív felé áramlik, amely az elem pozitív pólusát képezi. Létezik egy folyamat, amelyben egy aktívabb fém oldatba megy, és egy nemesebb fémen kationok szabadulnak fel az oldatból. Most több kísérlettel is illusztráljuk a fenti, kissé elvont érvelést (ami ráadásul durva leegyszerűsítés).
Először egy 250 ml-es főzőpoharat töltsünk a közepéig 10%-os kénsavoldattal, és merítsünk bele nem túl kis cink- és rézdarabokat. Mindkét elektródára rézhuzalt forrasztunk vagy szegecselünk, amelynek végei ne érjenek az oldathoz.
Amíg a vezeték végei nem kapcsolódnak egymáshoz, addig megfigyeljük a cink feloldódását, ami hidrogén felszabadulásával jár. A feszültségsorból a cink aktívabb, mint a hidrogén, ezért a fém kiszoríthatja ionos állapotából a hidrogént. Mindkét fémen elektromos kettős réteg képződik. Az elektródák közötti potenciálkülönbséget voltmérővel lehet a legkönnyebben kimutatni. Az eszköz áramkörhöz való csatlakoztatása után a nyíl körülbelül 1 V -ot jelez, de ekkor a feszültség gyorsan csökken. Ha egy kis izzót csatlakoztat az elemhez, amely 1 V feszültséget fogyaszt, akkor az kigyullad - először elég erősen, majd a fény gyengül.
A készülék kivezetéseinek polaritása alapján megállapítható, hogy a rézelektróda a pozitív pólus. Ez a folyamat elektrokémiáját figyelembe véve eszköz nélkül is bizonyítható. Készítsen telített nátrium-klorid-oldatot egy kis főzőpohárban vagy kémcsőben, adjon hozzá kb. 0,5 ml fenolftalein indikátor alkoholos oldatát, és merítse az oldatba mindkét huzallal lezárt elektródát. A negatív pólus közelében enyhe vöröses elszíneződés figyelhető meg, amelyet a katódon képződő nátrium-hidroxid okoz.
Más kísérletekben különféle fémgőzöket lehet a cellába helyezni, és meghatározni a keletkező feszültséget. Például a magnézium és az ezüst különösen nagy potenciálkülönbséget ad, mivel számos feszültség között jelentős távolság van közöttük, a cink és a vas pedig nagyon kicsi, kevesebb mint egy tizede volt. Alumínium használatával gyakorlatilag semmilyen áramot nem kapunk a passziválás miatt.
Mindezeknek az elemeknek, vagy ahogy az elektrokémikusok mondják, az áramköröknek megvan az a hátránya, hogy áramfelvételkor a feszültség nagyon gyorsan leesik rajtuk. Ezért az elektrokémikusok mindig feszültségmentes állapotban mérik a feszültség valódi értékét feszültségkompenzációs módszerrel, vagyis egy másik áramforrás feszültségével összehasonlítva.
Tekintsük részletesebben a réz-cink elemben zajló folyamatokat. A katódon a cink oldatba kerül a következő egyenlet szerint:

Zn = Zn 2+ + 2 e --

A réz anódnál a kénsav hidrogénionjai kisülnek. A cinkkatódból a huzal mentén érkező elektronokat rögzítik, és ennek eredményeként hidrogénbuborékok keletkeznek:

2H++2 e- = H2

Rövid idő elteltével a rezet a legvékonyabb hidrogénbuborékréteg borítja. Ebben az esetben a rézelektróda hidrogénné válik, és a potenciálkülönbség csökken. Ezt a folyamatot elektróda polarizációnak nevezik. A rézelektróda polarizációja kiküszöbölhető, ha a feszültségesés után kevés kálium-dikromát oldatot adunk a cellához. Ezt követően a feszültség ismét megnő, mivel a kálium-dikromát a hidrogént vízzé oxidálja. A kálium -dikromát ebben az esetben depolarizátorként működik.
A gyakorlatban galvanikus áramköröket alkalmaznak, amelyek elektródái nem polarizáltak, vagy olyan áramköröket, amelyek polarizációja depolarizátorok hozzáadásával kiküszöbölhető.
A nem polarizálható elem példájaként vegyük a Daniel elemet, amelyet gyakran használtak áramforrásként a múltban. Ez is egy réz-cink elem, de mindkét fémet különböző oldatokba merítik. A cinkelektródát híg (kb. 20%) kénsavval töltött porózus agyagcellába helyezzük. Az agyagcellát egy nagy üvegben felfüggesztik tömény oldat réz-szulfát, és az alján - egy réteg réz-szulfát kristályok. A második elektróda ebben az edényben egy rézlemezből készült henger.
Ez az elem üvegedényből, kereskedelmi forgalomban kapható agyagcellából (in végső megoldás virágcserepet használunk, az alján lévő lyukat lezárva) és két megfelelő méretű elektródát.
A cella működése során a cink feloldódik és cink-szulfát keletkezik, és a rézelektródán rézionok szabadulnak fel. De ugyanakkor a rézelektróda nem polarizált, és az elem körülbelül 1 V feszültséget ad. Valójában elméletileg 1,10 V a feszültség a kivezetéseken, de amikor levesszük az áramot, akkor valamivel kisebb értéket mérünk. , következtében elektromos ellenállás sejteket.
Ha nem vonjuk ki az áramot a cellából, akkor a kénsavoldatból a cinkelektródát kell eltávolítanunk, mert különben feloldódik és hidrogén keletkezik.
Egy egyszerű cella diagramja, amelyhez nincs szükség porózus terelőlemezre, az ábrán látható. A cinkelektróda az üvegedényben felül, a rézelektróda pedig alul található. Az egész cellát megtöltjük telített nátrium-klorid oldattal. Az edény aljára egy marék réz-szulfát kristályt öntünk. A kapott tömény réz-szulfát oldat nagyon lassan keveredik a nátrium-klorid oldattal. Ezért a cella működése során réz szabadul fel a rézelektródán, és a cink szulfát vagy klorid formájában feloldódik a cella felső részében.
Napjainkban szinte kizárólag akkumulátorokhoz használnak szárazelemeket, amelyek kényelmesebbek. Ősük a Leclanche elem. Elektródaként cinkhengert és szénrudat használnak. Az elektrolit egy paszta, amely főleg ammónium -kloridból áll. A cink feloldódik a pépben, és hidrogén szabadul fel a szénben. A polarizáció elkerülése érdekében a szénrudat egy vászonzacskóba mártják, amely szénpor és piroluzit keverékét tartalmazza. A szénpor megnöveli az elektróda felületét, míg a piroluzit depolarizálóként működik, lassan oxidálja a hidrogént.
Igaz, a piroluzit depolarizáló képessége gyengébb, mint a korábban említett kálium-dikromáté. Ezért amikor a száraz cellákba áram érkezik, a feszültség gyorsan csökken, fáradj el"a polarizáció miatt. Csak egy idő után következik be a hidrogén piroluzit általi oxidációja. Így az elemek" pihenj"ha egy ideig nem vezetjük át az áramot. Ellenőrizzük ezt egy elemlámpa elemén, amelyre egy izzót csatlakoztatunk. A lámpával párhuzamosan, vagyis közvetlenül a kivezetésekre egy voltmérőt csatlakoztatunk.
Eleinte a feszültség körülbelül 4,5 V lesz. (Az ilyen akkumulátorokban leggyakrabban három cellát kötnek sorba, mindegyik elméleti feszültsége 1,48 V.) Egy idő után a feszültség leesik, a fény izzadása az izzó gyengül. A voltmérő leolvasása szerint meg tudjuk ítélni, hogy mennyi ideig kell pihennie az akkumulátornak.
Különleges helyet foglalnak el a regeneráló elemek, az ún akkumulátorok... Reverzibilis reakciók mennek végbe bennük, és a cella lemerülése után újratölthetők a csatlakozással külső forrás egyenáram.
Az ólom-savas akkumulátorok jelenleg a leggyakoribbak; bennük a hígított kénsav szolgál elektrolitként, amelybe két ólomlemezt merítenek. A pozitív elektróda PbO 2 ólom-dioxiddal van bevonva, a negatív fém ólom. A kivezetéseken a feszültség körülbelül 2,1 V. Kisütéskor mindkét lemezen ólom-szulfát képződik, amely töltéskor ismét fém ólommá és ólom-peroxiddá alakul.

GALVANIZÁLT BEVONATOK ALKALMAZÁSA

Fémek kicsapása vizes oldatokból felhasználásával elektromos áram az elektrolitikus oldódás fordított folyamata, amellyel az elektrokémiai cellák vizsgálatakor ismerkedtünk meg. Mindenekelőtt a réz lerakódását vizsgáljuk, amelyet réz kulométerben használnak az elektromosság mennyiségének mérésére.

A fém áram hatására rakódik le

Húzza vissza két vékony rézlemez végét, és akassza fel egy főzőpohár vagy jobb esetben egy kis üvegakvárium ellenkező oldalára. A vezetékeket a terminálokhoz rögzítjük a lemezekhez.
Elektrolit a következő recept szerint készítsük el: 125 g kristályos réz-szulfátot, 50 g tömény kénsavat és 50 g alkoholt (denaturált alkoholt), a többi 1 literes víz. Ehhez először oldjon fel réz-szulfátot 500 ml vízben, majd óvatosan adjon hozzá kis adagokban kénsavat ( A fűtés! Folyadék kifröccsenhet!), majd öntsünk alkoholt és forraljuk fel a vizet 1 literes térfogatra.
Töltse fel a kulométert az elkészített oldattal, és csatlakoztassa a változó ellenállást, az ampermérőt és az ólomelemet az áramkörhöz. Az ellenállás használatával úgy állítjuk be az áramot, hogy sűrűsége 0,02-0,01 A / cm 2 legyen az elektróda felületéről. Ha a rézlemez területe 50 cm 2, akkor az áramerősségnek 0,5-1 A tartományban kell lennie.
Egy idő után világosvörös fémréz kezd kicsapódni a katódon (negatív elektróda), és a réz feloldódik az anódon (pozitív elektróda). A rézlemezek tisztításához körülbelül fél órán keresztül vezetjük át az áramot a kulométeren. Ezután kivesszük a katódot, szűrőpapírral óvatosan megszárítjuk és pontosan lemérjük. Szereljen be egy elektródát a cellába, zárja le az áramkört reosztáttal, és tartson állandó áramerősséget, például 1 A-t. Egy óra múlva nyissa ki az áramkört, és ismét mérje meg a megszáradt katódot. Üzemóra óránként 1 A áram mellett a tömege 1,18 g -tal nő.
Ezért az 1 amperórának megfelelő mennyiségű elektromosság, amikor áthalad az oldaton, 1,18 g rezet szabadíthat fel. Vagy általában: egy anyag felszabaduló mennyisége egyenesen arányos az oldaton áthaladó elektromosság mennyiségével.
1 ekvivalens ion izolálásához bizonyos mennyiségű áramot kell átvezetni az oldaton, egyenlő termék elektródatöltés e Avogadro-számonként N V:
e * n A = 1,6021 * 10 -19 * 6,0225 * 10 23 = 9,65 * 10 4 A * s * mol -1 Ezt az értéket a szimbólum jelzi Fés az elektrolízis mennyiségi törvényeinek felfedezőjéről kapta a nevét Faraday szám(pontos érték F- 96 498 A * s * mol -1). Ezért adott számú ekvivalenst izolálni az oldatból n e az oldaton keresztül egyenlő mennyiségű villamos energia F * n e A * s * mol -1. Más szavakkal,
I * t =F * n uh itt én- jelenlegi, t- az áram áthaladásának ideje az oldaton. Fejezetben " A titrálás alapjai„Már kimutatták, hogy az anyagegyenértékek száma n e egyenlő a mólok számának az ekvivalens számmal való szorzatával:
n e = n*Z Ennélfogva:

én*t = F*n*Z

Ebben az esetben Z- iontöltés (Ag + esetén Z= 1, Cu 2+ esetén Z= 2, Al 3+ esetén Z= 3 stb.). Ha a mólszámot a tömeg és a moláris tömeg arányaként fejezzük ki ( n = m / M), akkor kapunk egy képletet, amely lehetővé teszi számunkra az elektrolízis során előforduló összes folyamat kiszámítását:

I * t =F*m*Z/M

Ezzel a képlettel kiszámíthatja az áramerősséget:

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

Ha bevezetjük az arányt az elektromos munkákra W email

W email = U * I * tés W e / U = I * t

Ismerve a feszültséget U, kiszámolhatod:

W email = F*m*Z*U/M

Kiszámolhatja azt is, hogy mennyi ideig tart egy bizonyos mennyiségű anyag elektrolitikus felszabadulása, vagy egy adott idő alatt mennyi anyag szabadul fel. A kísérlet során az áramsűrűséget a megadott határok között kell tartani. Ha ez kisebb, mint 0,01 A / cm 2, akkor túl kevés fém szabadul fel, mivel részben réz (I) ionok képződnek. Ha az áramsűrűség túl nagy, a bevonat elektródához való tapadása gyenge lesz, és ha az elektródát eltávolítják az oldatból, az összeomolhat.
A gyakorlatban a fémek galvanizált bevonatait elsősorban korrózióvédelemre és tükörfényezésre használják.
Ezenkívül a fémeket, különösen a rezet és az ólmot anódos oldással, majd a katódon történő elválasztással (elektrolitikus finomítás) tisztítják.
A vas rézzel vagy nikkellel való bevonásához először alaposan meg kell tisztítani az elem felületét. Ehhez fényesítsd ki elutriált krétával, majd zsírtalanítsd híg nátrium-hidroxid-oldattal, vízzel és alkohollal. Ha az elemet rozsda borítja, előzetesen 10-15% -os kénsavoldatba kell maratni.
A megtisztított terméket elektrolitfürdőbe (kis akváriumba vagy főzőpohárba) akasztjuk, ahol katódként fog szolgálni.
A rézbevonat alkalmazására szolgáló oldat 1 liter vízben 250 g réz-szulfátot és 80-100 g tömény kénsavat tartalmaz (Vigyázat!). Ebben az esetben egy rézlemez szolgál anódként. Az anód felületének megközelítőleg egyenlőnek kell lennie a bevonandó tárgy felületével. Ezért mindig gondoskodnia kell arról, hogy a réz anód a katóddal azonos mélységben lógjon a fürdőben.
A folyamatot 3-4 V feszültségen (két akkumulátor) és 0,02-0,4 A / cm 2 áramsűrűséggel hajtják végre. Az oldat hőmérséklete a fürdőben 18-25 ° C legyen.
Ügyeljen arra, hogy az anód síkja és a bevonandó felület párhuzamos legyen egymással. Jobb, ha nem használ összetett alakú tárgyakat. Az elektrolízis időtartamának változtatásával különböző vastagságú rézbevonat nyerhető.
Az előrézbevonatot gyakran használják egy másik fém tartós bevonatának felvitelére erre a rétegre. Ezt különösen gyakran használják vas krómozására, cinköntvény nikkelezésére és más esetekben. Igaz, nagyon mérgező cianid elektrolitokat használnak erre a célra.
Az elektrolit nikkelezéshez való előkészítéséhez 25 g kristályos nikkel -szulfátot, 10 g bórsavat vagy 10 g nátrium -citrátot feloldunk 450 ml vízben. A nátrium-citrátot saját maga is elkészítheti, ha 10 g citromsavoldatot híg nátrium-hidroxid-oldattal vagy szódaoldattal semlegesít. Az anód lehet nikkellemez. nagyobb terület, és vegyük az akkumulátort feszültségforrásnak.
A változó ellenállást használó áramsűrűség értéke 0,005 A / cm 2 marad. Például, ha a tárgy felülete 20 cm 2, akkor 0,1 A áramerősséggel kell dolgozni. Fél óra munka után a tárgy már nikkelezett lesz. Vegyük ki a fürdőből és töröljük át egy ronggyal. A nikkelezési folyamatot azonban jobb nem megszakítani, mert akkor a nikkelréteg passziválható, és az ezt követő nikkelezés nem tapad jól.
Ahhoz, hogy mechanikus polírozás nélkül tükörszerű ragyogást érjünk el, úgynevezett fényesítő adalékot vezetünk be a galvanizáló fürdőbe. Ilyen adalékok például a ragasztó, zselatin, cukor. Tegyünk például néhány gramm cukrot egy nikkelfürdőbe, és tanulmányozzuk a hatását.
A vas krómozására szolgáló elektrolit elkészítéséhez (előzetes rézbevonat után) 100 ml vízben feloldunk 40 g krómsav-anhidridet CrO 3 (Vigyázat! Méreg!) És pontosan 0,5 g kénsavat (semmiképpen sem többet) !). A folyamat körülbelül 0,1 A / cm 2 áramsűrűséggel megy végbe, és anódként egy ólomlemezt használnak, amelynek területe valamivel kisebb legyen, mint a krómozott felület területe.
A nikkel- és krómfürdőket legjobb enyhén felmelegíteni (körülbelül 35 °C-ra). Vegye figyelembe, hogy a krómozáshoz használt elektrolitok, különösen hosszú folyamat és nagy áramerősség esetén, krómsavat tartalmazó gőzöket bocsátanak ki, amelyek nagyon károsak az egészségre. Ezért a krómozást vonóerővel vagy azon kell elvégezni szabadban például az erkélyen.
A krómozásnál (és kisebb mértékben a nikkelezésnél) nem az áram teljes mennyiségét használják fel fémleválasztásra. Ugyanakkor a hidrogén fejlődik. Számos igénybevétel alapján azt várnánk, hogy a hidrogénnel szemben álló fémek egyáltalán nem szabadulhatnak fel a vizes oldatokból, hanem éppen ellenkezőleg, kevésbé aktív hidrogén szabadul fel. Azonban itt is, mint a fémek anódos oldódása esetén, a katódos hidrogénfejlődés gyakran gátolt, és csak nagy feszültségeknél figyelhető meg. Ezt a jelenséget a hidrogén túlfeszültségének nevezik, és különösen nagy, például ólom esetében. Emiatt az ólom akkumulátor működhet. Akkumulátor töltésekor PbO 2 helyett hidrogénnek kell megjelennie a katódon, de a túlfeszültség miatt a hidrogénfejlődés akkor indul meg, amikor az akkumulátor majdnem teljesen feltöltődött.

A könnyen reagáló fémeket aktív fémeknek nevezzük. Ide tartoznak az alkálifémek, az alkáliföldfémek és az alumínium.

Pozíció a periódusos rendszerben

Az elemek fémes tulajdonságai a periódusos rendszerben balról jobbra gyengülnek. Ezért a legaktívabb elemeknek az I. és II. csoport elemeit tekintjük.

Rizs. 1. Aktív fémek a periódusos rendszerben.

Minden fém redukálószer, és könnyen elválik az elektronoktól a külső energia szintjén. Az aktív fémeknek csak egy vagy két vegyértékű elektronja van. Ahol fémes tulajdonságok növekszik felülről lefelé az energiaszintek számának növekedésével, mert minél távolabb van az elektron az atommagtól, annál könnyebben válik szét.

A legaktívabbak az alkálifémek:

• lítium;
• nátrium;
• kálium;
• rubídium;
• cézium;
• francium.

Az alkáliföldfémek közé tartoznak:

• berillium;
• magnézium;
• kalcium;
• stroncium;
• bárium;
• rádium.

A fémek aktivitásának mértékét a fémfeszültségek elektrokémiai sorozatával állapíthatja meg. Minél balra van a hidrogéntől az elem, annál aktívabb. A hidrogéntől jobbra lévő fémek inaktívak, és csak koncentrált savakkal tudnak kölcsönhatásba lépni.

Rizs. 2. Fémfeszültségek elektrokémiai tartománya.

A kémiai aktív fémek listáján szerepel a III. Csoportba tartozó alumínium is, amely a hidrogéntől balra áll. Az alumínium azonban az aktív és közepesen aktív fémek határán helyezkedik el, és normál körülmények között nem lép reakcióba egyes anyagokkal.

Tulajdonságok

Az aktív fémek lágyak (késsel vághatók), könnyedek, alacsony olvadáspontúak.

A fémek főbb kémiai tulajdonságait a táblázat mutatja be.

Reakció	Az egyenlet	Kivétel
Az alkálifémek spontán meggyulladnak a levegőben, és kölcsönhatásba lépnek az oxigénnel	K + O 2 → KO 2	A lítium csak magas hőmérsékleten lép reakcióba oxigénnel
Az alkáliföldfémek és az alumínium oxidfilmeket képeznek a levegőben, és hevítés hatására spontán meggyulladnak	2Ca + O 2 → 2CaO
Reagáljon vele egyszerű anyagok sókat képezve	Ca + Br 2 → CaBr 2; - 2Al + 3S → Al 2 S 3	Az alumínium nem lép reakcióba hidrogénnel
Hevesen reagál vízzel, lúgokat és hidrogént képezve	- Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2	A lítiummal való reakció lassú. Az alumínium csak az oxidfilm eltávolítása után lép reakcióba vízzel
Reagál savakkal, sókat képezve	Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2; 2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2
Sóoldatokkal lép kölcsönhatásba, először vízzel, majd sóval reagál	2Na + CuCl 2 + 2H 2O: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; - 2NaOH + CuCl 2 → Cu (OH) 2 ↓ + 2NaCl

Az aktív fémek könnyen reakcióba lépnek, ezért a természetben csak keverékek - ásványok, kőzetek - összetételében találhatók.

Rizs. 3. Ásványok és tiszta fémek.

Mit tanultunk?

Az aktív fémek közé tartoznak az I. és II. csoport elemei - alkáli- és alkáliföldfémek, valamint alumínium. Tevékenységük az atom szerkezetének köszönhető – néhány elektron könnyen elválik a külsőtől energia szint... Ezek lágy könnyűfémek, amelyek gyorsan reagálnak az egyszerű és összetett anyagok oxidokat, hidroxidot, sókat képezve. Az alumínium közelebb áll a hidrogénhez, és megköveteli további feltételek - magas hőmérsékletek, az oxidfilm megsemmisítése.

Teszt téma szerint

A jelentés értékelése

Átlagos értékelés: 4.4. Összes értékelés: 388.