Niz kemijske reaktivnosti kovin. Kemijska priprava na vročino in obsežna izdaja dpa. Galvanski členi, njihova elektromotorna sila

Potencialna razlika "elektrodna snov - raztopina" služi ravno kot kvantitativna značilnost sposobnosti snovi (tako kovin kotnekovine) gredo v raztopino v obliki ionov, tj. značajstabilnost OB sposobnosti iona in njegove ustrezne snovi.

Ta potencialna razlika se imenujepotencial elektrode.

Vendar neposredne metode za merjenje takšnih potencialnih razlikne obstaja, zato smo se dogovorili, da jih opredelimo dotako imenovana standardna vodikova elektroda, potencialal, ki se običajno šteje za nič (pogosto imenovano tudireferenčna elektroda). Standardna vodikova elektroda je sestavljena iziz platinaste plošče, potopljene v raztopino kisline, ki vsebujekoncentracijo H ionov + 1 mol/l in izperemo s tokom plinastegavodik pri standardnih pogojih.

Nastanek potenciala na standardni vodikovi elektrodi si lahko predstavljamo na naslednji način. Plin vodik, adsorbiran s platino, preide v atomsko stanje:

H22H.

Med atomskim vodikom, ki nastane na površini plošče, vodikovimi ioni v raztopini in platino (elektroni!) se uresniči stanje dinamičnega ravnovesja:

HH + + e.

Celoten proces je izražen z enačbo:

H 2 2H + + 2e.

Platina ne sodeluje pri redoks reakcijah in tivni proces, ampak je le nosilec atomskega vodika.

Če ploščo določene kovine, potopljeno v raztopino njene soli s koncentracijo kovinskih ionov 1 mol/l, povežemo s standardno vodikovo elektrodo, dobimo galvanski člen. Elektromotorna sila tega elementa(EMF), izmerjen pri 25 ° C, označuje standardni elektrodni potencial kovine, običajno označen kot E 0 .

V povezavi s sistemom H 2 /2H + se bodo nekatere snovi obnašale kot oksidanti, druge kot reducenti. Trenutno so bili pridobljeni standardni potenciali za skoraj vse kovine in številne nekovine, ki označujejo relativno sposobnost reducentov ali oksidantov, da darujejo ali zajemajo elektrone.

Potenciali elektrod, ki delujejo kot reducenti glede na vodik, imajo znak "-", znak "+" pa označuje potenciale elektrod, ki so oksidanti.

Če razporedimo kovine po naraščajočem vrstnem redu njihovih standardnih elektrodnih potencialov, potem dobimo t.i elektrokemične napetostne vrste kovin:

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

Značilne so številne napetosti kemijske lastnosti kovine

1. Bolj ko je elektrodni potencial kovine negativen, večja je njena redukcijska sposobnost.

2. Vsaka kovina je sposobna iz solnih raztopin izpodriniti (reducirati) tiste kovine, ki so v nizu kovinskih napetosti za njo. Edine izjeme so alkalijske in zemeljskoalkalijske kovine, ki ne bodo reducirale ionov drugih kovin iz raztopin njihovih soli. To je posledica dejstva, da v teh primerih reakcije interakcije kovin z vodo potekajo z višjo hitrostjo.

3. Vse kovine, ki imajo negativen standardni elektrodni potencial, tj. tiste, ki se nahajajo v nizu napetosti kovin levo od vodika, ga lahko izpodrinejo iz kislinskih raztopin.

Opozoriti je treba, da predstavljena serija označuje obnašanje kovin in njihovih soli samo v vodnih raztopinah, saj potenciali upoštevajo posebnosti interakcije določenega iona z molekulami topila. Zato se elektrokemični niz začne z litijem, bolj aktivni pa v kemično rubidij in kalij sta desno od litija. To je izključno posledica visoka energija proces hidratacije litijevih ionov v primerjavi z ioni drugih alkalijske kovine.

Algebraična vrednost standardnega redoks potenciala označuje oksidativno aktivnost ustrezne oksidirane oblike. Zato nam primerjava vrednosti standardnih redoks potencialov omogoča odgovor na vprašanje: ali pride do te ali one redoks reakcije?

Torej vse polovične reakcije oksidacije halogenidnih ionov v proste halogene

2 Cl – – 2 e = C l 2 E 0 = -1,36 V (1)

2 Br – -2e = V r 2 E 0 = -1,07 V (2)

2I – -2 e = I 2 E 0 = -0,54 V (3)

se lahko izvede v standardnih pogojih, ko se kot oksidacijsko sredstvo uporablja svinčev oksid ( IV ) (E 0 = 1,46 V) ali kalijevega permanganata (E 0 = 1,52 V). Pri uporabi kalijevega dikromata ( E 0 = 1,35 V) se lahko izvedeta samo reakciji (2) in (3). Na koncu uporabite kot oksidacijsko sredstvo dušikova kislina ( E 0 = 0,96 V) omogoča samo polovično reakcijo, ki vključuje jodidne ione (3).

Tako je kvantitativno merilo za oceno možnosti poteka določene redoks reakcije pozitivna vrednost razlike med standardnimi redoks potenciali oksidacijske in redukcijske polreakcije.

Ko ljudje slišijo besedo "kovina", jo običajno povezujejo s hladno in trdna, ki prevaja električni tok. Vendar se lahko kovine in njihove zlitine med seboj zelo razlikujejo. Obstajajo tiste, ki pripadajo težki skupini; te snovi imajo največjo gostoto. In nekateri, na primer litij, so tako lahki, da bi lahko lebdeli v vodi, če le ne bi aktivno reagirali z njim.

Katere kovine so najbolj aktivne?

Toda katera kovina kaže najbolj intenzivne lastnosti? večina aktivna kovina- to je cezij. Po aktivnosti je na prvem mestu med vsemi kovinami. Za njegova »brata« veljata tudi Francius, ki je na drugem mestu, in Ununennius. Toda znanstveniki še vedno vedo malo o lastnostih slednjega.

Lastnosti cezija

Cezij je element, za katerega se zdi, da se zlahka stopi v rokah. To pa je mogoče le pod enim pogojem: če je cezij v stekleni ampuli. V nasprotnem primeru lahko kovina hitro reagira z okoliškim zrakom in se vname. In interakcijo cezija z vodo spremlja eksplozija - to je najbolj aktivna kovina v svoji manifestaciji. To odgovarja na vprašanje, zakaj je cezij tako težko kontejnerizirati.

Da bi ga postavili v epruveto, mora biti izdelana iz posebnega stekla in napolnjena z argonom ali vodikom. Tališče cezija je 28,7 o C. Pri sobni temperaturi je kovina v tleh tekoče stanje. Cezij je zlato-bela snov. V tekočem stanju kovina dobro odbija svetlobo. Cezijeve pare imajo zelenkasto modri odtenek.

Kako so odkrili cezij?

Najbolj aktivna kovina je bil prvi kemični element, katerega prisotnost na površini zemeljske skorje je bila odkrita z metodo spektralna analiza. Ko so znanstveniki prejeli spekter kovine, so v njej videli dve nebesno modri črti. Tako je ta element dobil ime. Beseda caesius prevedena iz latinski jezik pomeni "nebeško modro".

Zgodovina odkritja

Njegovo odkritje pripada nemškim raziskovalcem R. Bunsenu in G. Kirchhoffu. Že takrat je znanstvenike zanimalo, katere kovine so aktivne in katere ne. Leta 1860 so raziskovalci preučevali sestavo vode iz Durkheimovega rezervoarja. To so storili s spektralno analizo. V vzorcu vode so znanstveniki našli elemente, kot so stroncij, magnezij, litij in kalcij.

Nato so se odločili, da bodo kapljico vode analizirali s spektroskopom. Takrat so zagledali dve svetlo modri črti, ki se nahajata nedaleč druga od druge. Eden od njih je po svojem položaju praktično sovpadal s črto kovinskega stroncija. Znanstveniki so se odločili, da je snov, ki so jo identificirali, neznana in jo uvrstili med alkalijske kovine.

Istega leta je Bunsen napisal pismo svojemu kolegu fotokemiku G. Roscoeju, v katerem je govoril o tem odkritju. O ceziju so uradno poročali 10. maja 1860 na srečanju znanstvenikov na berlinski akademiji. Po šestih mesecih je Bunsenu uspelo izolirati približno 50 gramov cezijevega kloroplatinita. Znanstveniki so obdelali 300 ton mineralne vode in izolirali približno 1 kg litijevega klorida kot stranski produkt, da bi na koncu dobili najbolj aktivno kovino. To nakazuje, da mineralne vode vsebujejo zelo malo cezija.

Težavnost pridobivanja cezija nenehno žene znanstvenike k iskanju mineralov, ki ga vsebujejo, med katerimi je tudi pollucit. Toda pridobivanje cezija iz rud je vedno nepopolno; cezij se zelo hitro razprši. Zaradi tega je ena najtežje pridobivajočih snovi v metalurgiji. IN zemeljska skorja, na primer, vsebuje 3,7 grama cezija na tono. In to v enem litru morska voda le 0,5 μg snovi predstavlja najbolj aktivno kovino. Zaradi tega je pridobivanje cezija eden najbolj delovno intenzivnih procesov.

Prejem v Rusiji

Kot rečeno, je glavni mineral, iz katerega se pridobiva cezij, pollucit. To najbolj aktivno kovino lahko pridobimo tudi iz redkega avogadrita. Pollucite se uporablja v industriji. Rudarjenje po razpadu Sovjetska zveza v Rusiji ni bilo izvedeno, kljub dejstvu, da so že v tistih časih odkrili velikanske zaloge cezija v tundri Voronya blizu Murmanska.

V času, ko si je domača industrija lahko privoščila pridobivanje cezija, je licenco za razvoj tega nahajališča pridobilo podjetje iz Kanade. Trenutno pridobivanje cezija izvaja novosibirsko podjetje ZAO Tovarna redkih kovin.

Uporaba cezija

Ta kovina se uporablja za izdelavo različnih sončnih celic. Cezijeve spojine se uporabljajo tudi v posebnih vejah optike - pri izdelavi infrardečih naprav se cezij uporablja pri izdelavi znamenitosti, ki vam omogočajo opazovanje sovražnikove opreme in delovne sile. Uporablja se tudi za izdelavo posebnih kovinski halid svetilke

Vendar to ne izčrpa obsega njegove uporabe. Na osnovi cezija so bili ustvarjeni tudi številni medicinski pripravki. To so zdravila za zdravljenje davice, peptične razjede, šoka in shizofrenije. Tako kot litijeve soli imajo tudi cezijeve soli normotimične lastnosti - ali, preprosto, lahko stabilizirajo čustveno ozadje.

Kovina francij

Druga izmed kovin z najintenzivnejšimi lastnostmi je francij. Ime je dobil v čast domovine odkritelja kovine. M. Peret, rojen v Franciji, je odkril novo kemični element leta 1939. Je eden tistih elementov, o katerih tudi kemiki sami težko sklepajo.

Francija je največ težka kovina. Poleg tega je poleg cezija najbolj aktivna kovina francij. Francij ima to redko kombinacijo visoke kemične aktivnosti in nizke jedrske odpornosti. Njegov najdlje živi izotop ima razpolovno dobo le 22 minut. Francij se uporablja za odkrivanje drugega elementa, morske vetrnice. Pred tem so bile tudi predlagane francijeve soli za odkrivanje tumorjev raka. Vendar pa zaradi visoki stroški Proizvodnja te soli je nerentabilna.

Primerjava najaktivnejših kovin

Ununenny je kovina, ki še ni bila odkrita. Zasedel bo prvo mesto v osmi vrsti periodni sistem. Razvoj in raziskave tega elementa se izvajajo v Rusiji na Skupnem inštitutu za jedrske raziskave. Ta kovina bo morala imeti tudi zelo visoko aktivnost. Če primerjamo že znana francij in cezij, potem največ visok potencial ionizacija - 380 kJ/mol - bo imela francij.

Za cezij je ta številka 375 kJ/mol. Toda francij še vedno ne reagira tako hitro kot cezij. Tako je cezij najbolj aktivna kovina. To je odgovor (kemija je najpogosteje predmet, v kurikulumu katerega najdete podobno vprašanje), ki je lahko uporaben tako pri pouku v šoli kot v poklicni šoli.

Serije elektrokemijske aktivnosti kovin(niz napetosti, niz standardnih elektrodnih potencialov) - zaporedje, v katerem so kovine razporejene v naraščajočem vrstnem redu svojih standardnih elektrokemičnih potencialov φ 0, kar ustreza polovični reakciji redukcije kovinskega kationa Me n+: Me n+ + nē → jaz

Praktična uporaba niza aktivnosti kovin

Za primerjalno oceno kemijske aktivnosti kovin pri reakcijah z vodnimi raztopinami soli in kislin ter za oceno katodnih in anodnih procesov med elektrolizo se v praksi uporabljajo številne napetosti:

• Kovine levo od vodika so močnejši reducenti kot kovine desno: slednje izpodrivajo iz raztopin soli. Na primer, interakcija Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu je možna samo v smeri naprej.
• Kovine v vrstici levo od vodika izpodrinejo vodik pri interakciji z vodnimi raztopinami neoksidirajočih kislin; najbolj aktivne kovine (do vključno aluminija) - in pri interakciji z vodo.
• Kovine v nizu desno od vodika v normalnih pogojih ne interagirajo z vodnimi raztopinami neoksidirajočih kislin.
• Med elektrolizo se na katodi sprostijo kovine desno od vodika; redukcijo zmerno aktivnih kovin spremlja sproščanje vodika; najbolj aktivnih kovin (do aluminija) ni mogoče izolirati vodne raztopine soli

Alkalijske kovine veljajo za najbolj aktivne:

• litij;
• natrij;
• kalij;
• rubidij;
• cezij;
• francosko

Grosse E., Weissmantel H.

Kemija za radovedneže. Osnove kemije in zabavni eksperimenti.

3. poglavje (nadaljevanje)

MALI TEČAJ ELEKTROKEMIJE KOVIN

Spoznali smo že elektrolizo raztopin alkalijskih kloridov in pridobivanje kovin s pomočjo talin. Zdaj pa poskusimo z nekaj preprostimi poskusi preučiti nekatere zakone elektrokemije vodnih raztopin in galvanskih celic ter se seznaniti s proizvodnjo zaščitnih galvanskih prevlek.
Elektrokemijske metode se uporabljajo v sodobnem analizna kemija, služijo za določanje najpomembnejših količin teoretične kemije.
Končno, korozija kovinski predmeti, ki povzroča veliko škodo nacionalno gospodarstvo, je v večini primerov elektrokemični proces.

METALS STRESS SERIES

Temeljna povezava za razumevanje elektrokemijskih procesov je napetostni niz kovin. Kovine lahko razporedimo v vrsto, ki se začne s kemično aktivnimi in konča z najmanj aktivnimi plemenitimi kovinami:
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.
Takole izgleda najnovejše ideje, razpon napetosti za najpomembnejše kovine in vodik. Če sta elektrodi galvanskega člena izdelani iz katerih koli dveh kovin v vrsti, se bo na materialu pred vrsto pojavila negativna napetost.
Vrednost napetosti ( elektrokemijski potencial) je odvisna od položaja elementa v napetostnem nizu in od lastnosti elektrolita.
Bistvo napetostnega niza bomo ugotovili iz več preprostih poskusov, za katere bomo potrebovali tokovni vir in električne merilne instrumente. Približno 10 g kristalnega bakrovega sulfata raztopite v 100 ml vode in v raztopino potopite jekleno iglo ali kos železne pločevine. (Priporočamo, da likalnik najprej očistite do sijaja s finim brusnim papirjem.) Po kratkem času bo likalnik prekril rdečkast sloj izločenega bakra. Bolj aktivno železo izpodriva baker iz raztopine, pri čemer se železo raztopi kot ioni, baker pa se sprosti kot kovina. Postopek se nadaljuje, dokler je raztopina v stiku z likalnikom. Ko baker prekrije celotno površino likalnika, se praktično ustavi. V tem primeru nastane precej porozna plast bakra, zato zaščitnih premazov ni mogoče dobiti brez uporabe toka.
V naslednjih poskusih bomo majhne trakove cinkove in svinčeve pločevine spustili v raztopino bakrovega sulfata. Po 15 minutah jih vzamemo ven, operemo in pregledamo pod mikroskopom. Razberemo lahko lepe ledu podobne vzorce, ki so v odbiti svetlobi rdeče barve in so sestavljeni iz sproščenega bakra. Tudi tu so bolj aktivne kovine pretvorile baker iz ionskega v kovinsko stanje.
Po drugi strani pa lahko baker izpodrine kovine, ki so nižje v nizu napetosti, to je manj aktivne. Na tanek trak bakrene pločevine ali sploščene bakrene žice nanesite nekaj kapljic raztopine srebrovega nitrata (prej očistite površino do sijaja). S prostim očesom lahko vidite nastalo črnkasto prevleko, ki je pod mikroskopom v odbiti svetlobi videti kot tanke iglice in rastlinski vzorci (tako imenovani dendriti).
Za izolacijo cinka brez toka je potrebno uporabiti bolj aktivno kovino. Če izvzamemo kovine, ki burno reagirajo z vodo, najdemo magnezij v napetostnem nizu nad cinkom. Nekaj ​​kapljic raztopine cinkovega sulfata nakapajte na kos magnezijevega traku ali na tanke elektronske ostružke. Raztopino cinkovega sulfata dobimo tako, da košček cinka raztopimo v razredčeni žveplovi kislini. Skupaj s cinkovim sulfatom dodajte nekaj kapljic denaturiranega alkohola. Na magneziju bomo po kratkem času opazili predvsem pod mikroskopom sproščanje cinka v obliki tankih kristalčkov.
Na splošno je mogoče katerega koli člana napetostnega niza premakniti iz raztopine, kjer obstaja kot ion, in ga pretvoriti v kovinsko stanje. Ob preizkušanju najrazličnejših kombinacij pa smo lahko razočarani. Zdi se, da če trak aluminija potopimo v raztopine soli bakra, železa, svinca in cinka, bi se te kovine morale sprostiti na njem. A to se vendarle ne zgodi. Vzrok okvare ni v napaki v napetostnem nizu, ampak temelji na posebni inhibiciji reakcije, ki je v tem primeru posledica tankega oksidnega filma na površini aluminija. V takih rešitvah se aluminij imenuje pasiven.

POGLEJMO V ZAKULISJE

Za oblikovanje zakonov potekajočih procesov se lahko omejimo na upoštevanje kationov in izključimo anione, saj sami ne sodelujejo v reakciji. (Vendar na hitrost usedanja vpliva vrsta anionov.) Če zaradi poenostavitve predpostavimo, da tako oborjene kot raztopljene kovine proizvajajo dvojno nabite katione, potem lahko zapišemo:

Jaz 1 + Jaz 2 2+ = Jaz 1 2+ + Jaz 2

Še več, za prvi poskus Me 1 = Fe, Me 2 = Cu.
Torej je proces sestavljen iz izmenjave nabojev (elektronov) med atomi in ioni obeh kovin. Če ločeno upoštevamo (kot vmesni reakciji) raztapljanje železa ali obarjanje bakra, dobimo:

Fe = Fe 2+ + 2 e --

Cu 2+ + 2 e-- = Cu

Zdaj razmislite o primeru, ko je kovina potopljena v vodo ali raztopino soli, s kationom katere izmenjava ni mogoča zaradi njegovega položaja v nizu napetosti. Kljub temu se kovina nagiba k temu, da gre v raztopino v obliki iona. V tem primeru atom kovine odda dva elektrona (če je kovina dvovalentna), površina kovine, potopljene v raztopino, postane negativno nabita glede na raztopino in na meji se tvori dvojna električna plast. Ta potencialna razlika prepreči nadaljnje raztapljanje kovine, tako da se proces kmalu ustavi.
Če dve različni kovini potopimo v raztopino, se bosta obe nabili, vendar bo manj aktivna nekoliko šibkejša, saj so njeni atomi manj nagnjeni k izgubi elektronov.
Povežimo obe kovini z vodnikom. Zaradi potencialne razlike bo tok elektronov stekel od bolj aktivne kovine k manj aktivni, ki tvori pozitivni pol elementa. Pride do procesa, pri katerem bolj aktivna kovina preide v raztopino, kationi iz raztopine pa se sprostijo na plemenitejši kovini. Naj zdaj z več poskusi ponazorimo zgoraj navedeno nekoliko abstraktno razmišljanje (ki poleg tega predstavlja veliko poenostavitev).
250 ml čašo najprej do sredine napolnimo z 10 % raztopino žveplove kisline in vanjo potopimo ne premajhne koščke cinka in bakra. Na obe elektrodi spajkamo ali zakovičimo bakreno žico, katere konci se ne smejo dotikati raztopine.
Dokler konca žice nista povezana med seboj, bomo opazovali raztapljanje cinka, ki ga spremlja sproščanje vodika. Cink je, kot izhaja iz napetostne serije, bolj aktiven kot vodik, zato lahko kovina izpodrine vodik iz ionskega stanja. Na obeh kovinah se oblikuje električna dvojna plast. Potencialno razliko med elektrodama najlažje zaznamo z voltmetrom. Takoj po priključitvi naprave na tokokrog bo puščica pokazala približno 1 V, nato pa bo napetost hitro padla. Če na element priključite majhno žarnico, ki porabi 1 V, bo zasvetila - sprva precej močno, nato pa bo sij postal šibek.
Glede na polarnost sponk naprave lahko sklepamo, da je bakrena elektroda pozitivni pol. To je mogoče dokazati brez naprave z upoštevanjem elektrokemije procesa. V majhni čaši ali epruveti pripravimo nasičeno raztopino kuhinjske soli, dodamo približno 0,5 ml alkoholne raztopine indikatorja fenolftaleina in v raztopino potopimo obe z žico zaprti elektrodi. V bližini negativnega pola bo opazna šibka rdečkasta barva, ki je posledica tvorbe natrijevega hidroksida na katodi.
V drugih poskusih lahko v celico postavimo različne pare kovin in določimo posledično napetost. Na primer, magnezij in srebro bosta dala posebno veliko potencialno razliko zaradi velike razdalje med njima in vrsto napetosti, medtem ko bosta cink in železo, nasprotno, dala zelo majhno, manj kot desetinko volta. Z uporabo aluminija zaradi pasivizacije ne bomo prejeli praktično nobenega toka.
Vsi ti elementi ali, kot pravijo elektrokemiki, vezja, imajo to pomanjkljivost, da pri merjenju toka napetost na njih zelo hitro pade. Zato elektrokemiki vedno merijo pravo vrednost napetosti v breznapetostnem stanju z metodo napetostne kompenzacije, to je s primerjavo z napetostjo drugega tokovnega vira.
Oglejmo si nekoliko podrobneje procese v elementu baker-cink. Na katodi gre cink v raztopino po naslednji enačbi:

Zn = Zn 2+ + 2 e --

Vodikovi ioni žveplove kisline se izpraznijo na bakreni anodi. Pritrdijo elektrone, ki prihajajo skozi žico iz cinkove katode in posledično nastanejo vodikovi mehurčki:

2H + + 2 e-- = N 2

Po kratkem času bo baker prekrit s tanko plastjo vodikovih mehurčkov. V tem primeru se bo bakrena elektroda spremenila v vodikovo in potencialna razlika se bo zmanjšala. Ta proces se imenuje polarizacija elektrode. Polarizacijo bakrene elektrode lahko odpravimo tako, da po padcu napetosti celici dodamo malo raztopine kalijevega dikromata. Po tem se bo napetost spet povečala, saj bo kalijev dikromat oksidiral vodik v vodo. Kalijev dikromat v tem primeru deluje kot depolarizator.
V praksi se uporabljajo galvanska vezja, katerih elektrode niso polarizirane, ali vezja, katerih polarizacijo lahko odpravimo z dodajanjem depolarizatorjev.
Kot primer nepolarizacijskega elementa upoštevajte Danielov element, ki je bil v preteklosti pogosto uporabljen kot tokovni vir. To je tudi element bakra in cinka, vendar sta obe kovini potopljeni v različne raztopine. Cinkova elektroda je postavljena v porozno glineno celico, napolnjeno z razredčeno (približno 20 %) žveplovo kislino. Glinena celica je obešena v velikem kozarcu, ki vsebuje koncentrirana raztopina bakrov sulfat, na dnu pa je plast kristalov bakrovega sulfata. Druga elektroda v tej posodi je valj iz bakrene pločevine.
Ta element je mogoče izdelati iz steklenega kozarca, komercialno dostopne glinene celice (v v skrajnem primeru uporabite cvetlični lonček, zaprite luknjo na dnu) in dve elektrodi primerne velikosti.
Med delovanjem elementa se cink raztopi in tvori cinkov sulfat, na bakreni elektrodi pa se sproščajo bakrovi ioni. Toda hkrati bakrena elektroda ni polarizirana in element proizvaja napetost približno 1 V. Pravzaprav je teoretično napetost na sponkah 1,10 V, vendar pri zbiranju toka izmerimo nekoliko manjšo vrednost zaradi električni upor celice.
Če elementu ne odvzamemo toka, moramo iz raztopine žveplove kisline odstraniti cinkovo ​​elektrodo, ker se drugače raztopi in nastane vodik.
Na sliki je prikazan diagram preproste celice, ki ne potrebuje porozne pregrade. Cinkova elektroda se nahaja na vrhu steklenega kozarca, bakrena elektroda pa blizu dna. Celotna celica je napolnjena z nasičeno raztopino kuhinjske soli. Na dno kozarca položite pest kristalov bakrovega sulfata. Nastala koncentrirana raztopina bakrovega sulfata se bo zelo počasi mešala z raztopino kuhinjske soli. Zato se bo med delovanjem celice baker sproščal na bakreni elektrodi, cink pa se bo raztopil v obliki sulfata ali klorida v zgornjem delu celice.
Dandanes baterije uporabljajo skoraj izključno suhe celice, ki so bolj priročne za uporabo. Njihov prednik je element Leclanche. Elektrodi sta cinkov valj in ogljikova palica. Elektrolit je pasta, ki je v glavnem sestavljena iz amonijevega klorida. Cink se v pasti raztopi, vodik pa se sprošča na premog. Da bi se izognili polarizaciji, je ogljikova palica potopljena v laneno vrečko, ki vsebuje mešanico premogovega prahu in piroluzita. Ogljikov prah poveča površino elektrode, piroluzit pa deluje kot depolarizator in počasi oksidira vodik.
Res je, da je depolarizacijska sposobnost piroluzita šibkejša kot pri prej omenjenem kalijevem dikromatu. Zato, ko tok prejme v suhih celicah, napetost hitro pade, ti " utrudi se"zaradi polarizacije. Šele čez nekaj časa pride do oksidacije vodika s piroluzitom. Tako elementi " počivanje", če nekaj časa ne prenašate toka. To preverimo na bateriji za svetilko, na katero priključimo žarnico. Vzporedno s svetilko, to je neposredno na sponke, priključimo voltmeter.
Sprva bo napetost približno 4,5 V. (Najpogosteje imajo takšne baterije tri zaporedno povezane celice, vsaka s teoretično napetostjo 1,48 V.) Čez nekaj časa bo napetost padla in sij žarnice oslabijo. Na podlagi odčitkov voltmetra lahko ocenimo, koliko časa mora baterija počivati.
Posebno mesto zavzemajo regeneracijski elementi, znani kot baterije. Puščajo reverzibilne reakcije, po izpraznitvi celice pa jih je mogoče ponovno napolniti s povezavo na zunanji vir DC.
Trenutno so najpogostejši svinčevi akumulatorji; Elektrolit v njih je razredčena žveplova kislina, v katero sta potopljeni dve svinčeni plošči. Pozitivna elektroda je prevlečena s svinčevim dioksidom PbO 2, negativna je kovinski svinec. Napetost na sponkah je približno 2,1 V. Pri praznjenju se na obeh ploščah tvori svinčev sulfat, ki se pri polnjenju spet spremeni v kovinski svinec in svinčev peroksid.

NANAŠANJE GALVANSKIH PREVLEK

Obarjanje kovin iz vodnih raztopin z uporabo električni tok je obraten proces elektrolitskega raztapljanja, ki smo ga spoznali pri obravnavi galvanskih členov. Najprej bomo preučili usedanje bakra, ki se uporablja v bakrenem kulometru za merjenje količine električne energije.

Kovina se odlaga s tokom

Ko smo upognili konca dveh tankih bakrenih plošč, jih obesimo na nasprotni steni čaše ali, še bolje, majhnega steklenega akvarija. Žice pritrdimo na plošče s sponkami.
elektrolit Pripravimo po naslednjem receptu: 125 g kristalnega bakrovega sulfata, 50 g koncentrirane žveplove kisline in 50 g alkohola (denaturiranega alkohola), ostalo je voda do 1 l. Če želite to narediti, najprej raztopite bakrov sulfat v 500 ml vode in nato previdno dodajte v majhnih porcijah. žveplova kislina (Ogrevanje! Tekočina lahko brizga!), nato dodajte alkohol in dodajte vodo do prostornine 1 litra.
Napolnite kulometer s pripravljeno raztopino in priključite spremenljivi upor, ampermeter in svinčena baterija. Z uporom prilagodimo tok tako, da je njegova gostota 0,02-0,01 A/cm 2 površine elektrode. Če ima bakrena plošča površino 50 cm2, mora biti tok v območju 0,5-1 A.
Čez nekaj časa se bo na katodi (negativni elektrodi) začel obarjati svetlo rdeč kovinski baker, na anodi (pozitivna elektroda) pa se bo raztopil. Za čiščenje bakrenih plošč bomo približno pol ure puščali tok v kulometru. Nato vzamemo katodo, jo previdno osušimo s filtrirnim papirjem in natančno stehtamo. V celico namestimo elektrodo, sklenemo vezje z reostatom in vzdržujemo konstanten tok, na primer 1 A. Po eni uri odpremo vezje in ponovno stehtamo posušeno katodo. Pri toku 1 A se bo njegova masa povečala za 1,18 g na uro delovanja.
Zato lahko količina elektrike, enaka 1 amperski uri, ki prehaja skozi raztopino, sprosti 1,18 g bakra. Ali na splošno: količina sproščene snovi je premo sorazmerna s količino elektrike, ki prehaja skozi raztopino.
Za izolacijo 1 ekvivalenta iona je potrebno skozi raztopino prepustiti določeno količino elektrike, enako zmnožku naboj elektrode e z Avogadrovim številom n A:
e*N A = 1,6021 * 10 -19 * 6,0225 * 10 23 = 9,65 * 10 4 A * s * mol -1 Ta vrednost je označena s simbolom F in se imenuje po odkritelju kvantitativnih zakonov elektrolize Faradayevo število(natančna vrednost F- 96,498 A*s*mol -1). Zato izolirati iz raztopine dano številko enakovredni n e Skozi raztopino je treba prenesti količino električne energije, ki je enaka F*n e A*s*mol -1. Z drugimi besedami,
I*t =F*n uh tukaj jaz- trenutni, t- čas prehoda toka skozi raztopino. V rubriki " Osnove titracije»Dokazano je že, da število ekvivalentov snovi n e je enako zmnožku števila molov in ekvivalentnega števila:
n e = n*Z Zato:

jaz*t = F*n*Z

V tem primeru Z- ionski naboj (za Ag + Z= 1, za Cu 2+ Z= 2, za Al 3+ Z= 3 itd.). Če izrazimo število molov kot razmerje med maso in molsko maso ( n = m/M), potem dobimo formulo, ki nam omogoča izračun vseh procesov, ki se pojavljajo med elektrolizo:

I*t =Ž*m*Z/M

S to formulo lahko izračunate tok:

jaz = 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

Če uvedemo relacijo za električno delo W el

W el = U*I*t in W e-pošta/ U = I*t

Potem, poznavanje napetosti U, lahko izračunate:

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

Možno je tudi izračunati, koliko časa traja, da se določena količina snovi elektrolitsko sprosti oziroma koliko snovi se sprosti v določenem času. Med poskusom je treba vzdrževati gostoto toka v določenih mejah. Če je manjši od 0,01 A/cm2, se bo sprostilo premalo kovine, saj bodo delno nastali bakrovi(I) ioni. Tudi kdaj visoka gostota toka, bo oprijem prevleke na elektrodo šibak in ko elektrodo odstranite iz raztopine, se lahko zdrobi.
V praksi se galvanske prevleke na kovinah uporabljajo predvsem za zaščito pred korozijo in za pridobitev zrcalnega sijaja.
Poleg tega se kovine, zlasti baker in svinec, očistijo z anodnim raztapljanjem in kasnejšim ločevanjem na katodi (elektrolitsko rafiniranje).
Za prevleko železa z bakrom ali nikljem morate najprej temeljito očistiti površino predmeta. To storite tako, da ga zloščite s oprano kredo in zaporedoma razmastite z razredčeno raztopino kavstične sode, vode in alkohola. Če je predmet pokrit z rjo, ga morate vnaprej lužiti v 10-15% raztopini žveplove kisline.
Očiščen izdelek obesimo v elektrolitsko kopel (majhen akvarij ali čašo), kjer bo služil kot katoda.
Raztopina za bakrenje vsebuje 250 g bakrovega sulfata in 80-100 g koncentrirane žveplove kisline v 1 litru vode (Pozor!). V tem primeru bo bakrena plošča služila kot anoda. Površina anode mora biti približno enaka površini predmeta, ki ga premazujemo. Zato morate vedno zagotoviti, da bakrena anoda visi v kopeli na isti globini kot katoda.
Postopek bo potekal pri napetosti 3-4 V (dve bateriji) in gostoti toka 0,02-0,4 A/cm 2. Temperatura raztopine v kopeli naj bo 18-25 °C.
Bodimo pozorni na to, da sta ravnina anode in površina, ki jo premazujemo, vzporedni. Predmeti kompleksna oblika Bolje je, da ga ne uporabljate. S spreminjanjem trajanja elektrolize je mogoče dobiti bakrene prevleke različnih debelin.
Pogosto se zatečejo k predhodnemu bakrenju, da na to plast nanesejo trajno prevleko druge kovine. To se še posebej pogosto uporablja za kromiranje železa, nikljanje cinkovih ulitkov in v drugih primerih. Res je, da se v ta namen uporabljajo zelo strupeni cianidni elektroliti.
Za pripravo elektrolita za nikljanje raztopite 25 g kristalnega nikljevega sulfata, 10 g borove kisline ali 10 g natrijevega citrata v 450 ml vode. Natrijev citrat lahko pripravite sami, tako da raztopino 10 g citronske kisline nevtralizirate z razredčeno raztopino natrijevega hidroksida ali raztopino sode. Naj bo morda anoda nikljeva plošča večja površina, in vzemite baterijo kot vir napetosti.
Z uporabo spremenljivega upora bomo vzdrževali gostoto toka enako 0,005 A/cm 2 . Na primer, s površino predmeta 20 cm 2 morate delati pri jakosti toka 0,1 A. Po pol ure dela bo predmet že ponikljan. Vzamemo iz kopeli in obrišemo s krpo. Vendar pa je bolje, da postopka nikljanja ne prekinete, saj se lahko plast niklja pasivizira in kasnejša prevleka iz niklja se ne bo dobro prijela.
Da bi dosegli zrcalni sijaj brez mehanskega poliranja, v galvansko kopel dodamo ti aditiv za sijaj. Takšni dodatki vključujejo na primer lepilo, želatino, sladkor. Kopeli z nikljem lahko na primer dodate nekaj gramov sladkorja in preučujete njegov učinek.
Za pripravo elektrolita za kromiranje železa (po predhodnem bakrenju) v 100 ml vode raztopimo 40 g kromovega anhidrida CrO 3 (Pozor! Strup!) in natančno 0,5 g žveplove kisline (v nobenem primeru več!). Postopek poteka pri gostoti toka približno 0,1 A / cm 2, kot anoda pa se uporablja svinčena plošča, katere površina mora biti nekoliko manjša od površine kromirane površine.
Nikelj in krom kopeli je najbolje rahlo segreti (na približno 35 ° C). Upoštevajte, da elektroliti za kromiranje, zlasti med dolgotrajnim procesom in visokim tokom, oddajajo hlape, ki vsebujejo kromovo kislino, ki je zelo škodljiva za zdravje. Zato je treba kromiranje izvajati pod vleko ali na na prostem, na primer na balkonu.
Pri kromiranju (in v manjši meri pri nikljanju) se ves tok ne uporabi za nanašanje kovin. Ob tem se sprošča vodik. Glede na vrsto napetosti bi pričakovali, da se kovine pred vodikom iz vodnih raztopin sploh ne bi sproščale, ampak nasprotno, manj aktiven vodik. Vendar pa je tukaj, tako kot pri anodnem raztapljanju kovin, katodno razvijanje vodika pogosto zavrto in ga opazimo samo pri visoki napetosti. Ta pojav imenujemo vodikova prenapetost, še posebej velik pa je na primer na svincu. Zahvaljujoč tej okoliščini lahko svinčena baterija deluje. Pri polnjenju akumulatorja bi se moral namesto PbO 2 na katodi pojaviti vodik, vendar se zaradi prenapetosti sproščanje vodika začne, ko je akumulator skoraj popolnoma napolnjen.

Kovine, ki zlahka reagirajo, se imenujejo aktivne kovine. Sem spadajo alkalijske, zemeljskoalkalijske kovine in aluminij.

Položaj v periodnem sistemu

Kovinske lastnosti elementov se v periodnem sistemu zmanjšujejo od leve proti desni. Zato se elementi skupin I in II štejejo za najbolj aktivne.

riž. 1. Aktivne kovine v periodnem sistemu.

Vse kovine so reducenti in se zlahka ločijo od elektronov na zunanji energijski ravni. Aktivne kovine imajo le enega ali dva valenčna elektrona. Ob istem času kovinske lastnosti stopnjujejo od zgoraj navzdol z naraščajočim številom energijskih nivojev, ker Dlje kot je elektron od jedra atoma, lažje se loči.

Alkalijske kovine veljajo za najbolj aktivne:

• litij;
• natrij;
• kalij;
• rubidij;
• cezij;
• francosko

Zemeljskoalkalijske kovine vključujejo:

• berilij;
• magnezij;
• kalcij;
• stroncij;
• barij;
• radij.

Stopnjo aktivnosti kovine lahko določimo z elektrokemičnim nizom kovinskih napetosti. Bolj kot je element levo od vodika, bolj je aktiven. Kovine desno od vodika so neaktivne in lahko reagirajo samo s koncentriranimi kislinami.

riž. 2. Elektrokemični nizi kovinskih napetosti.

Seznam aktivnih kovin v kemiji vključuje tudi aluminij, ki se nahaja v skupini III in levo od vodika. Vendar je aluminij na meji aktivnih in srednje aktivnih kovin in z nekaterimi snovmi v normalnih pogojih ne reagira.

Lastnosti

Aktivne kovine so mehke (lahko jih režemo z nožem), lahke in imajo nizko tališče.

Glavne kemijske lastnosti kovin so predstavljene v tabeli.

Reakcija	Enačba	Izjema
Alkalijske kovine se spontano vžgejo v zraku pri interakciji s kisikom	K + O 2 → KO 2	Litij reagira s kisikom le pri visokih temperaturah
Zemeljsko alkalijske kovine in aluminij na zraku tvorijo oksidne filme in se pri segrevanju spontano vnamejo	2Ca + O 2 → 2CaO
Reagirajte z preproste snovi, ki tvorijo soli	Ca + Br 2 → CaBr 2; - 2Al + 3S → Al 2 S 3	Aluminij ne reagira z vodikom
Burno reagira z vodo, tvori alkalije in vodik	- Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2	Reakcija z litijem je počasna. Aluminij reagira z vodo šele po odstranitvi oksidnega filma
Reagirajte s kislinami, da nastanejo soli	Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2; 2K + 2HMnO 4 → 2KMnO 4 + H 2
Interagirajte z raztopinami soli, najprej reagirajte z vodo in nato s soljo	2Na + CuCl 2 + 2H 2 O: 2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 ; - 2NaOH + CuCl 2 → Cu(OH) 2 ↓ + 2NaCl

Aktivne kovine zlahka reagirajo, zato jih v naravi najdemo le v mešanicah - mineralih, kamninah.

riž. 3. Minerali in čiste kovine.

Kaj smo se naučili?

Aktivne kovine vključujejo elemente skupin I in II - alkalijske in zemeljskoalkalijske kovine ter aluminij. Njihovo aktivnost določa struktura atoma - nekaj elektronov se zlahka loči od zunanjega raven energije. To so mehke lahke kovine, ki hitro reagirajo s preprostimi in kompleksne snovi, ki tvorijo okside, hidrokside, soli. Aluminij je bližje vodiku in njegova reakcija s snovmi zahteva dodatni pogoji - visoke temperature, uničenje oksidnega filma.

Test na temo

Ocena poročila

Povprečna ocena: 4.4. Skupaj prejetih ocen: 388.