อนุกรมของปฏิกิริยาเคมีของโลหะ การเตรียมเคมีสำหรับไข้และฉบับครอบคลุม dpa เซลล์กัลวานิก แรงเคลื่อนไฟฟ้า

ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น “สารอิเล็กโทรด – สารละลาย” ทำหน้าที่เป็นคุณลักษณะเชิงปริมาณของความสามารถของสารได้อย่างแม่นยำ (ทั้งโลหะและอโลหะ) เข้าไปในสารละลายในรูปของไอออนเช่น อักขระความเสถียรของความสามารถ OB ของไอออนและสารที่เกี่ยวข้อง

ความต่างศักย์นี้เรียกว่าศักย์ไฟฟ้า.

อย่างไรก็ตามวิธีการโดยตรงในการวัดความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นดังกล่าวไม่มีอยู่ดังนั้นเราจึงตกลงที่จะกำหนดสิ่งเหล่านั้นโดยสัมพันธ์กับที่เรียกว่าอิเล็กโทรดไฮโดรเจนมาตรฐาน มีศักยภาพอัล ซึ่งตามอัตภาพถือว่าเป็นศูนย์ (มักเรียกอีกอย่างว่าอิเล็กโทรดอ้างอิง) อิเล็กโทรดไฮโดรเจนมาตรฐานประกอบด้วยจากแผ่นแพลตตินั่มที่แช่อยู่ในสารละลายที่มีกรดความเข้มข้นของ H ไอออน + 1 โมล/ลิตร และล้างด้วยกระแสก๊าซไฮโดรเจนภายใต้สภาวะมาตรฐาน

การเกิดขึ้นของศักย์ไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดไฮโดรเจนมาตรฐานสามารถจินตนาการได้ดังนี้ ก๊าซไฮโดรเจนซึ่งถูกดูดซับโดยแพลตตินัมจะเข้าสู่สถานะอะตอม:

H22H.

สภาวะสมดุลไดนามิกเกิดขึ้นระหว่างอะตอมไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของแผ่น ไฮโดรเจนไอออนในสารละลาย และแพลตตินัม (อิเล็กตรอน!):

เอช + + อี

กระบวนการโดยรวมแสดงโดยสมการ:

ชม 2 2H + + 2e

แพลตตินัมไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยารีดอกซ์และ กระบวนการ tive แต่เป็นเพียงพาหะของอะตอมไฮโดรเจนเท่านั้น

ถ้าแผ่นโลหะบางชนิดจุ่มอยู่ในสารละลายเกลือซึ่งมีความเข้มข้นของไอออนโลหะเท่ากับ 1 โมล/ลิตร ต่อกับอิเล็กโทรดไฮโดรเจนมาตรฐาน ก็จะได้เซลล์กัลวานิก แรงเคลื่อนไฟฟ้าของธาตุนี้(EMF) ซึ่งวัดที่ 25° C จะแสดงลักษณะเฉพาะของศักย์ไฟฟ้าอิเล็กโทรดมาตรฐานของโลหะ ซึ่งโดยปกติจะกำหนดเป็น E 0

สัมพันธ์กับระบบ H 2 /2H + สารบางชนิดจะทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์ และบางชนิดทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ ปัจจุบัน ได้รับศักยภาพมาตรฐานสำหรับโลหะเกือบทั้งหมดและอโลหะหลายชนิด ซึ่งแสดงถึงความสามารถสัมพัทธ์ของตัวรีดิวซ์หรือตัวออกซิไดซ์ในการบริจาคหรือจับอิเล็กตรอน

ศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดที่ทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์เกี่ยวกับไฮโดรเจนจะมีเครื่องหมาย "-" และเครื่องหมาย "+" แสดงถึงศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดที่เป็นสารออกซิไดซ์

หากเราจัดเรียงโลหะตามลำดับที่เพิ่มขึ้นของศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของพวกมันก็จะเรียกว่า ซีรีย์แรงดันไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าของโลหะ:

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 ฉัน, С u, Hg, А g, Р d, Р t, А u

ความเครียดจำนวนหนึ่งมีลักษณะเฉพาะ คุณสมบัติทางเคมีโลหะ

1. ยิ่งศักย์ไฟฟ้าของโลหะเป็นลบมากเท่าใด ความสามารถในการรีดิวซ์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

2. โลหะแต่ละชนิดสามารถแทนที่ (ลด) จากสารละลายเกลือโลหะเหล่านั้นที่อยู่ในชุดของความเค้นของโลหะหลังจากนั้น ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ธ ซึ่งจะไม่ลดไอออนของโลหะอื่นจากสารละลายเกลือของพวกมัน เนื่องจากในกรณีเหล่านี้ปฏิกิริยาของปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับน้ำจะเกิดขึ้นในอัตราที่สูงกว่า

3. โลหะทุกชนิดที่มีค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานเป็นลบ เช่น ซึ่งอยู่ในชุดแรงดันไฟฟ้าของโลหะทางด้านซ้ายของไฮโดรเจนสามารถแทนที่มันจากสารละลายกรดได้

ควรสังเกตว่าชุดที่นำเสนอนี้แสดงลักษณะพฤติกรรมของโลหะและเกลือของพวกมันในสารละลายที่เป็นน้ำเท่านั้นเนื่องจากศักยภาพนั้นคำนึงถึงลักษณะเฉพาะของปฏิกิริยาของไอออนเฉพาะกับโมเลกุลของตัวทำละลาย นั่นคือเหตุผลที่ซีรีส์เคมีไฟฟ้าเริ่มต้นด้วยลิเธียม ในขณะที่ซีรีย์ที่มีฤทธิ์มากกว่า ทางเคมีรูบิเดียมและโพแทสเซียมอยู่ทางด้านขวาของลิเธียม นี่เป็นเพราะเหตุพิเศษ พลังงานสูงกระบวนการให้ความชุ่มชื้นของลิเธียมไอออนเมื่อเปรียบเทียบกับไอออนของไอออนอื่น โลหะอัลคาไล.

ค่าพีชคณิตของศักย์รีดอกซ์มาตรฐานแสดงคุณลักษณะของฤทธิ์ออกซิเดชันของรูปแบบออกซิไดซ์ที่สอดคล้องกัน ดังนั้นการเปรียบเทียบค่าศักยภาพรีดอกซ์มาตรฐานทำให้เราสามารถตอบคำถาม: ปฏิกิริยารีดอกซ์นี้เกิดขึ้นหรือไม่?

ดังนั้นปฏิกิริยาออกซิเดชั่นครึ่งหนึ่งของไอออนเฮไลด์ทั้งหมดจึงกลายเป็นฮาโลเจนอิสระ

2 Cl – – 2 e = C l 2 E 0 = -1.36 V (1)

2 ห้องนอน – -2e = V r 2 E 0 = -1.07 V (2)

2I – -2 e = ฉัน 2 E 0 = -0.54 V (3)

สามารถนำไปใช้ภายใต้สภาวะมาตรฐานเมื่อใช้ตะกั่วออกไซด์เป็นตัวออกซิไดซ์ ( IV ) (E 0 = 1.46 V) หรือโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต (E 0 = 1.52 V) เมื่อใช้โพแทสเซียมไดโครเมต (อี 0 = 1.35 V) สามารถดำเนินการได้เฉพาะปฏิกิริยา (2) และ (3) เท่านั้น สุดท้ายใช้เป็นสารออกซิไดซ์ กรดไนตริก (อี 0 = 0.96 V) ยอมให้เกิดปฏิกิริยาเพียงครึ่งเดียวที่เกี่ยวข้องกับไอออนไอโอไดด์ (3)

ดังนั้น เกณฑ์เชิงปริมาณสำหรับการประเมินความเป็นไปได้ของปฏิกิริยารีดอกซ์เฉพาะที่เกิดขึ้นคือค่าบวกของความแตกต่างระหว่างศักยภาพรีดอกซ์มาตรฐานของปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยาครึ่งปฏิกิริยารีดอกซ์

เมื่อผู้คนได้ยินคำว่า "โลหะ" พวกเขามักจะเชื่อมโยงกับความเย็นและ แข็ง, นำกระแสไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม โลหะและโลหะผสมอาจแตกต่างกันอย่างมาก มีสารที่อยู่ในกลุ่มหนักคือสารเหล่านี้มีความหนาแน่นสูงสุด และบางชนิด เช่น ลิเธียม นั้นเบามากจนสามารถลอยอยู่ในน้ำได้ ถ้าเพียงแต่พวกมันไม่ทำปฏิกิริยากับมันอย่างจริงจัง

โลหะชนิดใดที่มีฤทธิ์มากที่สุด?

แต่โลหะชนิดใดที่มีคุณสมบัติเข้มข้นที่สุด? ที่สุด โลหะที่ใช้งานอยู่- นี่คือซีเซียม ในแง่ของกิจกรรม มันครองอันดับหนึ่งในบรรดาโลหะทั้งหมด ผู้ที่ถือว่าเป็น "พี่น้อง" ของเขาด้วย ได้แก่ ฟรานเซียส ซึ่งอยู่อันดับสอง และอูเนนเนียส แต่นักวิทยาศาสตร์ยังรู้เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับคุณสมบัติของสิ่งหลัง

คุณสมบัติของซีเซียม

ซีเซียมเป็นธาตุที่ดูเหมือนละลายง่ายในมือ อย่างไรก็ตาม การดำเนินการนี้สามารถทำได้ภายใต้เงื่อนไขเดียวเท่านั้น นั่นคือ หากซีเซียมอยู่ในหลอดแก้ว มิฉะนั้นโลหะสามารถทำปฏิกิริยากับอากาศโดยรอบและติดไฟได้อย่างรวดเร็ว และปฏิกิริยาของซีเซียมกับน้ำจะมาพร้อมกับการระเบิดซึ่งเป็นโลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุดในการสำแดง นี่เป็นการตอบคำถามว่าทำไมการบรรจุซีเซียมจึงเป็นเรื่องยาก

ในการใส่ไว้ในหลอดทดลอง จะต้องทำจากแก้วชนิดพิเศษและเติมด้วยอาร์กอนหรือไฮโดรเจน จุดหลอมเหลวของซีเซียมคือ 28.7 o C ที่อุณหภูมิห้องโลหะจะอยู่ที่พื้น สถานะของเหลว- ซีเซียมเป็นสารสีขาวทอง โลหะจะสะท้อนแสงได้ดีในสถานะของเหลว ไอซีเซียมมีโทนสีเขียวแกมน้ำเงิน

ซีเซียมถูกค้นพบได้อย่างไร?

โลหะที่ใช้งานมากที่สุดคือองค์ประกอบทางเคมีชนิดแรกซึ่งมีการค้นพบการมีอยู่ของพื้นผิวเปลือกโลกโดยใช้วิธีนี้ การวิเคราะห์สเปกตรัม- เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้รับสเปกตรัมของโลหะ พวกเขาเห็นเส้นสีฟ้าสองเส้นอยู่ในนั้น นี่คือที่มาของชื่อองค์ประกอบนี้ คำว่า caesius แปลมาจาก ภาษาละตินแปลว่า "ท้องฟ้าสีฟ้า"

ประวัติความเป็นมาของการค้นพบ

การค้นพบนี้เป็นของนักวิจัยชาวเยอรมัน R. Bunsen และ G. Kirchhoff ถึงกระนั้น นักวิทยาศาสตร์ยังสนใจว่าโลหะชนิดใดมีฤทธิ์และโลหะชนิดใดไม่มีฤทธิ์ ในปี พ.ศ. 2403 นักวิจัยได้ศึกษาองค์ประกอบของน้ำจากอ่างเก็บน้ำดูร์ไคม์ พวกเขาทำสิ่งนี้โดยใช้การวิเคราะห์สเปกตรัม ในตัวอย่างน้ำ นักวิทยาศาสตร์พบองค์ประกอบต่างๆ เช่น สตรอนเซียม แมกนีเซียม ลิเธียม และแคลเซียม

จากนั้นพวกเขาจึงตัดสินใจวิเคราะห์หยดน้ำโดยใช้สเปกโตรสโคป ทันใดนั้นพวกเขาเห็นเส้นสีฟ้าสดใสสองเส้นซึ่งอยู่ไม่ไกลกัน หนึ่งในนั้นอยู่ในตำแหน่งที่เกือบจะใกล้เคียงกับแนวของโลหะสตรอนเซียม นักวิทยาศาสตร์ตัดสินใจว่าไม่ทราบสารที่พวกเขาระบุและจัดว่าเป็นโลหะอัลคาไล

ในปีเดียวกันนั้น Bunsen ได้เขียนจดหมายถึงเพื่อนร่วมงานนักถ่ายภาพเคมีของเขา G. Roscoe ซึ่งเขาได้พูดคุยเกี่ยวกับการค้นพบนี้ ซีเซียมได้รับการรายงานอย่างเป็นทางการเมื่อวันที่ 10 พฤษภาคม พ.ศ. 2403 ในการประชุมของนักวิทยาศาสตร์ที่ Berlin Academy หลังจากหกเดือน Bunsen ก็สามารถแยกซีเซียมคลอโรพลาทิไนต์ได้ประมาณ 50 กรัม นักวิทยาศาสตร์แปรรูปน้ำแร่ 300 ตัน และแยกลิเธียมคลอไรด์ประมาณ 1 กิโลกรัมเป็นผลพลอยได้ เพื่อให้ได้โลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุดในที่สุด นี่แสดงให้เห็นว่าน้ำแร่มีซีเซียมน้อยมาก

ความยากลำบากในการได้รับซีเซียมทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องค้นหาแร่ธาตุที่มีซีเซียมอยู่ตลอดเวลา ซึ่งหนึ่งในนั้นคือสารมลพิษ แต่การสกัดซีเซียมจากแร่จะไม่สมบูรณ์เสมอไปในระหว่างดำเนินการ ซีเซียมจะสลายตัวเร็วมาก ทำให้เป็นหนึ่งในสิ่งที่ยากที่สุดในการรับสารจากโลหะวิทยา ใน เปลือกโลกเช่น มีซีเซียม 3.7 กรัมต่อตัน และในหนึ่งลิตร น้ำทะเลสารเพียง 0.5 ไมโครกรัมแสดงถึงโลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุด ทำให้การสกัดซีเซียมเป็นกระบวนการที่ต้องใช้แรงงานมากที่สุดกระบวนการหนึ่ง

ใบเสร็จรับเงินในรัสเซีย

ตามที่ระบุไว้แร่ธาตุหลักที่ได้ซีเซียมคือมลพิษ โลหะที่ออกฤทธิ์มากที่สุดนี้สามารถหาได้จากอะโวกาไดรต์ที่หายาก Pollucite ใช้ในอุตสาหกรรม ขุดมันหลังจากการเลิกรา สหภาพโซเวียตไม่ได้ดำเนินการในรัสเซียแม้ว่าในสมัยนั้นจะมีการค้นพบซีเซียมสำรองขนาดยักษ์ในทุ่งทุนดรา Voronya ใกล้เมือง Murmansk

เมื่อถึงเวลาที่อุตสาหกรรมในประเทศสามารถสกัดซีเซียมได้ บริษัทแห่งหนึ่งจากแคนาดาก็ได้รับใบอนุญาตในการพัฒนาเงินฝากนี้ ปัจจุบันการสกัดซีเซียมดำเนินการโดยโรงงาน ZAO Rare Metals ของบริษัทโนโวซีบีร์สค์

การใช้ซีเซียม

โลหะนี้ใช้เพื่อสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดต่างๆ สารประกอบซีเซียมยังใช้ในด้านทัศนศาสตร์พิเศษ - ในการผลิตอุปกรณ์อินฟราเรดซีเซียมใช้ในการผลิตสถานที่ท่องเที่ยวที่ให้คุณสังเกตเห็นอุปกรณ์และกำลังคนของศัตรู มันยังใช้สำหรับทำพิเศษอีกด้วย โลหะเฮไลด์โคมไฟ

แต่นี่ไม่ได้ทำให้ขอบเขตการใช้งานหมดลง มีการสร้างการเตรียมการทางการแพทย์จำนวนหนึ่งโดยใช้ซีเซียม เหล่านี้เป็นยารักษาโรคคอตีบ แผลในกระเพาะอาหาร อาการช็อก และโรคจิตเภท เช่นเดียวกับเกลือลิเธียม เกลือซีเซียมมีคุณสมบัติเป็นบรรทัดฐาน หรือพูดง่ายๆ ก็คือ สามารถทำให้ภูมิหลังทางอารมณ์คงที่ได้

โลหะแฟรนเซียม

โลหะอีกชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติเข้มข้นที่สุดคือแฟรนเซียม มันได้รับชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่บ้านเกิดของผู้ค้นพบโลหะ M. Peret เกิดในฝรั่งเศสค้นพบสิ่งใหม่ องค์ประกอบทางเคมีในปี 1939 มันเป็นหนึ่งในองค์ประกอบเหล่านั้นที่แม้แต่นักวิจัยนักเคมีเองก็พบว่าเป็นการยากที่จะสรุปผล

ฝรั่งเศสเป็นที่สุด โลหะหนัก- นอกจากนี้โลหะที่ออกฤทธิ์มากที่สุดคือแฟรนเซียมและซีเซียม แฟรนเซียมมีฤทธิ์ทางเคมีสูงและมีความต้านทานนิวเคลียร์ต่ำรวมกันซึ่งหาได้ยาก ไอโซโทปที่มีอายุยาวนานที่สุดมีครึ่งชีวิตเพียง 22 นาที แฟรนเซียมใช้ในการตรวจจับองค์ประกอบอื่น นั่นคือดอกไม้ทะเล ก่อนหน้านี้มีการเสนอเกลือแฟรนเซียมเพื่อใช้ในการตรวจหาเนื้องอกมะเร็ง อย่างไรก็ตามเนื่องจาก ค่าใช้จ่ายสูงเกลือนี้ไม่มีประโยชน์ในการผลิต

การเปรียบเทียบโลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุด

Ununenny เป็นโลหะที่ยังไม่ได้ถูกค้นพบ เขาจะเป็นที่หนึ่งในบรรทัดที่แปด ตารางธาตุ- การพัฒนาและการวิจัยองค์ประกอบนี้ดำเนินการในรัสเซียที่สถาบันร่วมเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์ โลหะนี้จะต้องมีกิจกรรมที่สูงมากเช่นกัน หากเราเปรียบเทียบแฟรนเซียมกับซีเซียมที่รู้จักอยู่แล้วก็จะได้มากที่สุด มีศักยภาพสูงไอออไนเซชัน - 380 กิโลจูล/โมล - จะมีแฟรนเซียม

สำหรับซีเซียม ตัวเลขนี้คือ 375 กิโลจูล/โมล แต่แฟรนเซียมก็ยังไม่ทำปฏิกิริยาเร็วเท่าซีเซียม ดังนั้นซีเซียมจึงเป็นโลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุด นี่คือคำตอบ (วิชาเคมีมักเป็นวิชาในหลักสูตรที่คุณสามารถหาคำถามที่คล้ายกันได้) ซึ่งจะมีประโยชน์ทั้งในบทเรียนที่โรงเรียนและในโรงเรียนอาชีวศึกษา

อนุกรมกิจกรรมเคมีไฟฟ้าของโลหะ(ชุดของแรงดันไฟฟ้า ชุดของศักย์ไฟฟ้าอิเล็กโทรดมาตรฐาน) - ลำดับที่โลหะถูกจัดเรียงตามลำดับที่เพิ่มขึ้นของศักย์ไฟฟ้าเคมีมาตรฐาน φ 0 ซึ่งสอดคล้องกับปฏิกิริยาครึ่งหนึ่งของการลดไอออนบวกของโลหะ Me n+: Me n+ + เน → ฉัน

การใช้ชุดกิจกรรมของโลหะในทางปฏิบัติ

ในทางปฏิบัติมีการใช้แรงดันไฟฟ้าจำนวนหนึ่งเพื่อประเมินเปรียบเทียบกิจกรรมทางเคมีของโลหะในการทำปฏิกิริยากับสารละลายเกลือและกรดที่เป็นน้ำ และสำหรับการประเมินกระบวนการแคโทดและขั้วบวกระหว่างอิเล็กโทรไลซิส:

• โลหะทางด้านซ้ายของไฮโดรเจนเป็นตัวรีดิวซ์ที่แข็งแกร่งกว่าโลหะทางด้านขวา: พวกมันจะแทนที่อย่างหลังจากสารละลายเกลือ ตัวอย่างเช่น การโต้ตอบ Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu เป็นไปได้ในทิศทางไปข้างหน้าเท่านั้น
• โลหะในแถวด้านซ้ายของไฮโดรเจนจะแทนที่ไฮโดรเจนเมื่อมีปฏิกิริยากับสารละลายที่เป็นน้ำของกรดที่ไม่ออกซิไดซ์ โลหะที่มีความว่องไวที่สุด (รวมถึงอะลูมิเนียมด้วย) - และเมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำ
• โลหะในซีรีย์ทางด้านขวาของไฮโดรเจนจะไม่ทำปฏิกิริยากับสารละลายในน้ำของกรดที่ไม่ออกซิไดซ์ภายใต้สภาวะปกติ
• ในระหว่างอิเล็กโทรไลซิส โลหะทางด้านขวาของไฮโดรเจนจะถูกปล่อยออกมาที่แคโทด การลดลงของโลหะที่มีฤทธิ์ปานกลางจะมาพร้อมกับการปล่อยไฮโดรเจน ไม่สามารถแยกโลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุด (จนถึงอะลูมิเนียม) ได้ สารละลายที่เป็นน้ำเกลือ

โลหะอัลคาไลถือเป็นโลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุด:

• ลิเธียม;
• โซเดียม;
• โพแทสเซียม;
• รูบิเดียม;
• ซีเซียม;
• ภาษาฝรั่งเศส

กรอส อี., ไวสแมนเทล เอช.

เคมีสำหรับผู้อยากรู้อยากเห็น พื้นฐานของเคมีและการทดลองเพื่อความบันเทิง

บทที่ 3 (ต่อ)

หลักสูตรเล็กๆ สาขาวิชาเคมีไฟฟ้าของโลหะ

เราคุ้นเคยกับอิเล็กโทรไลซิสของสารละลายของโลหะอัลคาไลคลอไรด์และการผลิตโลหะโดยใช้การหลอมแล้ว ตอนนี้เรามาลองใช้การทดลองง่ายๆ หลายๆ การทดลองเพื่อศึกษากฎบางประการของเคมีไฟฟ้าของสารละลายในน้ำและเซลล์กัลวานิก และทำความคุ้นเคยกับการผลิตสารเคลือบกัลวานิกป้องกันด้วย
วิธีการไฟฟ้าเคมีถูกนำมาใช้ในสมัยใหม่ เคมีวิเคราะห์ทำหน้าที่กำหนดปริมาณเคมีเชิงทฤษฎีที่สำคัญที่สุด
ในที่สุดการกัดกร่อน วัตถุที่เป็นโลหะซึ่งทำให้เกิดความเสียหายอย่างใหญ่หลวง เศรษฐกิจของประเทศในกรณีส่วนใหญ่เป็นกระบวนการไฟฟ้าเคมี

ซีรีส์ความเครียดของโลหะ

การเชื่อมโยงพื้นฐานสำหรับการทำความเข้าใจกระบวนการเคมีไฟฟ้าคืออนุกรมแรงดันไฟฟ้าของโลหะ โลหะสามารถจัดเรียงเป็นอนุกรมโดยขึ้นต้นด้วยโลหะมีตระกูลที่มีฤทธิ์น้อยที่สุด:
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.
นี่คือสิ่งที่ดูเหมือน แนวคิดล่าสุดช่วงแรงดันไฟฟ้าสำหรับโลหะและไฮโดรเจนที่สำคัญที่สุด หากอิเล็กโทรดของเซลล์กัลวานิกทำจากโลหะสองชนิดในแถวเดียวกัน แรงดันลบจะปรากฏบนวัสดุที่อยู่ข้างหน้าแถว
ค่าแรงดันไฟฟ้า ( ศักยภาพทางเคมีไฟฟ้า) ขึ้นอยู่กับตำแหน่งขององค์ประกอบในชุดแรงดันไฟฟ้าและคุณสมบัติของอิเล็กโทรไลต์
เราจะสร้างแก่นแท้ของอนุกรมแรงดันไฟฟ้าจากการทดลองง่ายๆ หลายประการ ซึ่งเราจะต้องมีแหล่งกำเนิดกระแสและเครื่องมือวัดทางไฟฟ้า ละลายคอปเปอร์ซัลเฟตประมาณ 10 กรัมในน้ำ 100 มล. แล้วจุ่มเข็มเหล็กหรือแผ่นเหล็กลงในสารละลาย (เราขอแนะนำให้คุณทำความสะอาดเตารีดก่อนจนกว่าจะขัดเงาด้วยกระดาษทรายละเอียด) หลังจากนั้นไม่นาน เหล็กจะถูกเคลือบด้วยชั้นทองแดงที่ปล่อยออกมาเป็นสีแดง เหล็กที่มีฤทธิ์มากกว่าจะเข้ามาแทนที่ทองแดงจากสารละลาย โดยที่เหล็กจะละลายเป็นไอออน และทองแดงจะถูกปล่อยออกมาเป็นโลหะ กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปตราบใดที่สารละลายสัมผัสกับเตารีด เมื่อทองแดงปกคลุมพื้นผิวเหล็กทั้งหมด มันก็จะหยุดลงทันที ในกรณีนี้จะเกิดชั้นทองแดงที่ค่อนข้างมีรูพรุนดังนั้นจึงไม่สามารถรับการเคลือบป้องกันได้โดยไม่ต้องใช้กระแสไฟฟ้า
ในการทดลองต่อไปนี้ เราจะจุ่มแถบสังกะสีและแผ่นตะกั่วเส้นเล็กๆ ลงในสารละลายของคอปเปอร์ซัลเฟต หลังจากผ่านไป 15 นาที เราก็นำออกมาล้างและตรวจดูด้วยกล้องจุลทรรศน์ เราสามารถมองเห็นลวดลายคล้ายน้ำแข็งที่สวยงาม ซึ่งในแสงสะท้อนจะมีสีแดงและประกอบด้วยทองแดงที่ปล่อยออกมา โลหะที่มีฤทธิ์มากขึ้นจะเปลี่ยนทองแดงจากไอออนิกเป็นสถานะโลหะ
ในทางกลับกัน ทองแดงสามารถแทนที่โลหะที่อยู่ต่ำกว่าในชุดแรงดันไฟฟ้า ซึ่งก็คือมีความว่องไวน้อยกว่า ใช้สารละลายซิลเวอร์ไนเตรต 2-3 หยดบนแผ่นทองแดงบางๆ หรือลวดทองแดงที่แบน (หลังจากทำความสะอาดพื้นผิวให้เงางามแล้ว) ด้วยตาเปล่า คุณจะเห็นการเคลือบสีดำที่เกิดขึ้น ซึ่งภายใต้กล้องจุลทรรศน์ที่มีแสงสะท้อนจะดูเหมือนเข็มบางๆ และลวดลายของพืช (เรียกว่าเดนไดรต์)
หากต้องการแยกสังกะสีโดยไม่มีกระแสจำเป็นต้องใช้โลหะที่มีฤทธิ์มากกว่า หากไม่รวมโลหะที่ทำปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำ เราพบแมกนีเซียมในชุดแรงดันไฟฟ้าเหนือสังกะสี วางสารละลายซิงค์ซัลเฟต 2-3 หยดลงบนแผ่นเทปแมกนีเซียมหรือบนเศษอิเล็กตรอนบางๆ เราได้รับสารละลายซิงค์ซัลเฟตโดยการละลายชิ้นส่วนสังกะสีในกรดซัลฟิวริกเจือจาง ในเวลาเดียวกันกับซิงค์ซัลเฟต ให้เติมแอลกอฮอล์ที่เสียสภาพลงไปสองสามหยด สำหรับแมกนีเซียม หลังจากช่วงเวลาสั้นๆ เราจะสังเกตเห็นโดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้กล้องจุลทรรศน์ สังกะสีที่ปล่อยออกมาในรูปของผลึกบางๆ
โดยทั่วไป สมาชิกใดๆ ของอนุกรมแรงดันไฟฟ้าสามารถถูกแทนที่จากสารละลายซึ่งมีอยู่เป็นไอออน และแปลงเป็นสถานะโลหะได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อลองใช้ชุดค่าผสมทุกประเภท เราอาจผิดหวัง ดูเหมือนว่าถ้าแถบอลูมิเนียมจุ่มลงในสารละลายของทองแดง เหล็ก ตะกั่ว และสังกะสี โลหะเหล่านี้ก็ควรจะถูกปล่อยออกมา แต่สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้น สาเหตุของความล้มเหลวไม่ได้อยู่ที่ข้อผิดพลาดในชุดแรงดันไฟฟ้า แต่ขึ้นอยู่กับการยับยั้งปฏิกิริยาพิเศษซึ่งในกรณีนี้เกิดจากฟิล์มออกไซด์บาง ๆ บนพื้นผิวของอลูมิเนียม ในการแก้ปัญหาดังกล่าว อะลูมิเนียมเรียกว่าแบบพาสซีฟ

มาดูเบื้องหลังกัน

เพื่อกำหนดกฎของกระบวนการที่กำลังดำเนินอยู่ เราสามารถจำกัดตัวเองให้พิจารณาแคตไอออนและกำจัดแอนไอออนออกได้ เนื่องจากพวกมันไม่ได้มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา (อย่างไรก็ตาม อัตราการสะสมจะขึ้นอยู่กับประเภทของแอนไอออน) หากเพื่อความง่าย เราถือว่าทั้งโลหะที่ตกตะกอนและโลหะที่ละลายทำให้เกิดไอออนบวกที่มีประจุสองเท่า เราก็สามารถเขียนได้:

ฉัน 1 + ฉัน 2 2+ = ฉัน 1 2+ + ฉัน 2

นอกจากนี้ สำหรับการทดลองครั้งแรก Me 1 = Fe, Me 2 = Cu
ดังนั้นกระบวนการนี้ประกอบด้วยการแลกเปลี่ยนประจุ (อิเล็กตรอน) ระหว่างอะตอมและไอออนของโลหะทั้งสอง หากเราพิจารณา (เป็นปฏิกิริยาขั้นกลาง) แยกการละลายของเหล็กหรือการตกตะกอนของทองแดง เราจะได้:

เฟ = เฟ 2+ + 2 จ --

ลูกบาศ์ก 2+ + 2 จ-- = ลูกบาศ์ก

ตอนนี้ให้พิจารณากรณีที่โลหะแช่อยู่ในน้ำหรือในสารละลายเกลือ โดยที่ไอออนบวกไม่สามารถแลกเปลี่ยนได้เนื่องจากตำแหน่งในอนุกรมความเค้น อย่างไรก็ตาม โลหะมีแนวโน้มที่จะเข้าสู่สารละลายในรูปของไอออน ในกรณีนี้ อะตอมของโลหะจะให้อิเล็กตรอนสองตัว (หากโลหะนั้นมีเวเลนต์คู่) พื้นผิวของโลหะที่แช่อยู่ในสารละลายจะมีประจุลบสัมพันธ์กับสารละลาย และชั้นไฟฟ้าสองชั้นจะถูกสร้างขึ้นที่ส่วนต่อประสาน ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นนี้ป้องกันการละลายของโลหะอีกต่อไป ดังนั้นกระบวนการจะหยุดในไม่ช้า
หากโลหะสองชนิดจุ่มอยู่ในสารละลาย ทั้งสองจะมีประจุ แต่โลหะที่มีฤทธิ์น้อยกว่าจะอ่อนลงเล็กน้อย เนื่องจากอะตอมของโลหะมีแนวโน้มที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนน้อยกว่า
มาเชื่อมต่อโลหะทั้งสองเข้ากับตัวนำ เนื่องจากความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น การไหลของอิเล็กตรอนจะไหลจากโลหะที่มีปฏิกิริยามากกว่าไปยังโลหะที่มีปฏิกิริยาน้อยกว่า ซึ่งก่อตัวเป็นขั้วบวกของธาตุ กระบวนการหนึ่งเกิดขึ้นโดยที่โลหะที่มีฤทธิ์มากกว่าจะเข้าไปในสารละลาย และแคตไอออนจากสารละลายจะถูกปล่อยออกมาบนโลหะที่มีตระกูลมากกว่า ตอนนี้ให้เราอธิบายเหตุผลเชิงนามธรรมด้านบน (ซึ่งยิ่งไปกว่านั้น แสดงถึงการทำให้เข้าใจง่ายมากขึ้น) ด้วยการทดลองหลายๆ ครั้ง
ขั้นแรก เติมบีกเกอร์ขนาด 250 มล. ลงตรงกลางด้วยสารละลายกรดซัลฟิวริก 10% แล้วจุ่มสังกะสีและทองแดงเป็นชิ้นไม่เล็กเกินไป เราบัดกรีหรือตอกลวดทองแดงเข้ากับอิเล็กโทรดทั้งสองซึ่งปลายของสายนั้นไม่ควรสัมผัสกับสารละลาย
ตราบใดที่ปลายลวดไม่ได้เชื่อมต่อถึงกัน เราจะสังเกตการละลายของสังกะสีซึ่งมาพร้อมกับการปล่อยไฮโดรเจน สังกะสีจากอนุกรมแรงดันไฟฟ้าดังต่อไปนี้จะมีฤทธิ์มากกว่าไฮโดรเจน ดังนั้นโลหะจึงสามารถแทนที่ไฮโดรเจนจากสถานะไอออนิกได้ โลหะทั้งสองจะเกิดชั้นไฟฟ้าสองชั้น วิธีที่ง่ายที่สุดในการตรวจจับความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดคือการใช้โวลต์มิเตอร์ ทันทีหลังจากเชื่อมต่ออุปกรณ์เข้ากับวงจรลูกศรจะระบุประมาณ 1 V แต่แรงดันไฟฟ้าจะลดลงอย่างรวดเร็ว หากคุณเชื่อมต่อหลอดไฟขนาดเล็กที่กินไฟ 1 V เข้ากับองค์ประกอบหลอดไฟจะสว่างขึ้น - ในตอนแรกค่อนข้างแรงจากนั้นแสงจะอ่อนลง
จากขั้วของขั้วอุปกรณ์ เราสามารถสรุปได้ว่าอิเล็กโทรดทองแดงเป็นขั้วบวก สิ่งนี้สามารถพิสูจน์ได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์โดยพิจารณาจากเคมีไฟฟ้าของกระบวนการ มาเตรียมสารละลายเกลือแกงที่อิ่มตัวในบีกเกอร์หรือหลอดทดลองขนาดเล็ก เติมสารละลายแอลกอฮอล์ของตัวบ่งชี้ฟีนอล์ฟทาลีนประมาณ 0.5 มล. แล้วจุ่มอิเล็กโทรดทั้งสองที่ปิดด้วยลวดลงในสารละลาย จะสังเกตเห็นสีแดงจางๆ ใกล้ขั้วลบ ซึ่งเกิดจากการสะสมของโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่แคโทด
ในการทดลองอื่นๆ เราสามารถวางคู่โลหะหลายๆ คู่ไว้ในเซลล์และหาแรงดันไฟฟ้าผลลัพธ์ได้ ตัวอย่างเช่น แมกนีเซียมและเงินจะให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าขนาดใหญ่เป็นพิเศษเนื่องมาจากระยะห่างที่สำคัญระหว่างสิ่งเหล่านั้นกับชุดแรงดันไฟฟ้า ในขณะที่สังกะสีและเหล็กจะให้ค่าความต่างศักย์ที่เล็กมาก น้อยกว่าหนึ่งในสิบของโวลต์ เมื่อใช้อะลูมิเนียม เราจะไม่ได้รับกระแสไฟฟ้าใดๆ เนื่องจากการทู่
องค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้หรือตามที่นักเคมีไฟฟ้ากล่าวว่าวงจรมีข้อเสียคือเมื่อทำการวัดกระแสแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมพวกมันจะลดลงอย่างรวดเร็ว ดังนั้นนักเคมีไฟฟ้ามักจะวัดค่าที่แท้จริงของแรงดันไฟฟ้าในสถานะที่ไม่มีพลังงานโดยใช้วิธีการชดเชยแรงดันไฟฟ้า กล่าวคือ เปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายกระแสอื่น
ให้เราพิจารณากระบวนการในองค์ประกอบทองแดง - สังกะสีโดยละเอียดอีกเล็กน้อย ที่แคโทด สังกะสีจะเข้าสู่สารละลายตามสมการต่อไปนี้:

สังกะสี = สังกะสี 2+ + 2 จ --

ไอออนไฮโดรเจนของกรดซัลฟิวริกจะถูกปล่อยออกมาที่ขั้วบวกของทองแดง พวกมันจับอิเล็กตรอนที่มาจากลวดจากแคโทดสังกะสีและเป็นผลให้เกิดฟองไฮโดรเจน:

2H + + 2 จ-- = ไม่มี 2

หลังจากช่วงเวลาสั้นๆ ทองแดงจะถูกปกคลุมไปด้วยฟองไฮโดรเจนบางๆ ในกรณีนี้ อิเล็กโทรดทองแดงจะกลายเป็นไฮโดรเจน และความต่างศักย์จะลดลง กระบวนการนี้เรียกว่าโพลาไรเซชันของอิเล็กโทรด โพลาไรเซชันของอิเล็กโทรดทองแดงสามารถกำจัดได้โดยการเติมสารละลายโพแทสเซียมไดโครเมตเล็กน้อยลงในเซลล์หลังจากแรงดันไฟฟ้าตก หลังจากนั้นแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอีกครั้งเนื่องจากโพแทสเซียมไดโครเมตจะออกซิไดซ์ไฮโดรเจนเป็นน้ำ โพแทสเซียมไดโครเมตในกรณีนี้ทำหน้าที่เป็นตัวดีโพลาไรเซอร์
ในทางปฏิบัติ มีการใช้วงจรกัลวานิกซึ่งอิเล็กโทรดไม่มีโพลาไรซ์ หรือวงจรที่สามารถกำจัดโพลาไรเซชันได้โดยการเพิ่มดีโพลาไรเซอร์
สำหรับตัวอย่างขององค์ประกอบที่ไม่สามารถโพลาไรซ์ได้ ให้พิจารณาองค์ประกอบ Daniel ซึ่งมักใช้ในอดีตเป็นแหล่งปัจจุบัน นี่เป็นธาตุทองแดง-สังกะสีด้วย แต่โลหะทั้งสองถูกแช่อยู่ในสารละลายที่แตกต่างกัน อิเล็กโทรดสังกะสีถูกวางไว้ในเซลล์ดินเหนียวที่มีรูพรุนซึ่งเต็มไปด้วยกรดซัลฟิวริกเจือจาง (ประมาณ 20%) เซลล์ดินเหนียวถูกแขวนไว้ในแก้วขนาดใหญ่ที่บรรจุ สารละลายเข้มข้นคอปเปอร์ซัลเฟตและที่ด้านล่างมีชั้นของผลึกคอปเปอร์ซัลเฟต อิเล็กโทรดตัวที่สองในภาชนะนี้คือทรงกระบอกที่ทำจากแผ่นทองแดง
ธาตุนี้สามารถทำจากขวดแก้ว ซึ่งเป็นเซลล์ดินเหนียวที่มีขายทั่วไป (ใน เป็นทางเลือกสุดท้ายใช้กระถางดอกไม้ปิดรูด้านล่าง) และขั้วไฟฟ้าสองอันที่มีขนาดเหมาะสม
ในระหว่างการทำงานขององค์ประกอบ สังกะสีจะละลายกลายเป็นซิงค์ซัลเฟต และไอออนของทองแดงจะถูกปล่อยออกมาที่อิเล็กโทรดทองแดง แต่ในขณะเดียวกัน อิเล็กโทรดทองแดงจะไม่โพลาไรซ์และองค์ประกอบจะสร้างแรงดันไฟฟ้าประมาณ 1 V ตามทฤษฎีแล้ว แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วคือ 1.10 V แต่เมื่อรวบรวมกระแสเราจะวัดค่าที่น้อยกว่าเล็กน้อยเนื่องจาก ความต้านทานไฟฟ้าเซลล์
ถ้าเราไม่เอากระแสออกจากธาตุ เราจำเป็นต้องเอาอิเล็กโทรดสังกะสีออกจากสารละลายกรดซัลฟิวริก เพราะไม่เช่นนั้นมันจะละลายกลายเป็นไฮโดรเจน
แผนภาพของเซลล์ธรรมดาที่ไม่จำเป็นต้องมีพาร์ติชันที่มีรูพรุนจะแสดงในรูป อิเล็กโทรดสังกะสีจะอยู่ที่ด้านบนของขวดแก้ว และอิเล็กโทรดทองแดงจะอยู่บริเวณด้านล่าง ทั้งเซลล์เต็มไปด้วยสารละลายเกลือแกงที่อิ่มตัว วางคริสตัลคอปเปอร์ซัลเฟตจำนวนหนึ่งไว้ที่ด้านล่างของขวด สารละลายคอปเปอร์ซัลเฟตเข้มข้นที่ได้จะผสมกับสารละลายเกลือแกงช้ามาก ดังนั้นเมื่อเซลล์ทำงาน ทองแดงจะถูกปล่อยออกมาที่อิเล็กโทรดทองแดง และสังกะสีจะละลายในรูปของซัลเฟตหรือคลอไรด์ในส่วนบนของเซลล์
ปัจจุบันแบตเตอรี่ใช้เซลล์แห้งเกือบทั้งหมดซึ่งสะดวกในการใช้งานมากกว่า บรรพบุรุษของพวกเขาคือองค์ประกอบเลแคลนช์ อิเล็กโทรดเป็นกระบอกสังกะสีและแท่งคาร์บอน อิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนผสมที่ประกอบด้วยแอมโมเนียมคลอไรด์เป็นส่วนใหญ่ สังกะสีละลายในส่วนผสม และไฮโดรเจนถูกปล่อยออกมาบนถ่านหิน เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดโพลาไรเซชัน แท่งคาร์บอนจะถูกจุ่มลงในถุงผ้าลินินที่มีส่วนผสมของผงถ่านหินและไพโรลูไซต์ ผงคาร์บอนจะเพิ่มพื้นผิวอิเล็กโทรด และไพโรลูไซต์ทำหน้าที่เป็นตัวดีโพลาไรเซอร์ โดยจะออกซิไดซ์ไฮโดรเจนอย่างช้าๆ
จริงอยู่ที่ความสามารถในการดีโพลาไรซ์ของไพโรลูไซต์นั้นอ่อนแอกว่าโพแทสเซียมไดโครเมตที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ ดังนั้นเมื่อได้รับกระแสในเซลล์แห้งแรงดันไฟฟ้าจะลดลงอย่างรวดเร็ว " เหนื่อย"เนื่องจากโพลาไรเซชัน หลังจากนั้นไม่นานปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนจึงเกิดขึ้นกับไพโรลูไซต์ ดังนั้นองค์ประกอบ " พักผ่อน" ถ้าคุณไม่ผ่านกระแสมาระยะหนึ่ง ลองตรวจสอบสิ่งนี้กับแบตเตอรี่ไฟฉายซึ่งเราเชื่อมต่อหลอดไฟ ขนานกับหลอดไฟนั่นคือเชื่อมต่อโดยตรงกับขั้วเราเชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์
ในตอนแรกแรงดันไฟฟ้าจะอยู่ที่ประมาณ 4.5 V (ส่วนใหญ่แบตเตอรี่ดังกล่าวจะมีเซลล์สามเซลล์เชื่อมต่อกันแบบอนุกรมโดยแต่ละเซลล์มีแรงดันไฟฟ้าตามทฤษฎีที่ 1.48 V) หลังจากนั้นครู่หนึ่งแรงดันไฟฟ้าจะลดลงและการเรืองแสงของหลอดไฟจะ อ่อนแอลง จากการอ่านค่าโวลต์มิเตอร์ เราสามารถตัดสินได้ว่าแบตเตอรี่ต้องพักนานแค่ไหน
สถานที่พิเศษถูกครอบครองโดยการสร้างองค์ประกอบใหม่ที่เรียกว่า แบตเตอรี่- พวกเขารั่วไหล ปฏิกิริยาย้อนกลับและสามารถชาร์จใหม่ได้หลังจากที่เซลล์หมดโดยเชื่อมต่อกับ แหล่งภายนอกดี.ซี.
ปัจจุบันแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด อิเล็กโทรไลต์ในนั้นคือกรดซัลฟิวริกเจือจางซึ่งจุ่มแผ่นตะกั่วสองแผ่นลงไป อิเล็กโทรดขั้วบวกเคลือบด้วยตะกั่วไดออกไซด์ PbO 2 ส่วนขั้วลบคือตะกั่วโลหะ แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วจะอยู่ที่ประมาณ 2.1 V เมื่อทำการคายประจุจะเกิดตะกั่วซัลเฟตบนแผ่นทั้งสองซึ่งจะเปลี่ยนเป็นตะกั่วโลหะและตะกั่วเปอร์ออกไซด์อีกครั้งเมื่อทำการชาร์จ

การใช้สีเคลือบกัลวานิก

การตกตะกอนของโลหะจากสารละลายน้ำโดยใช้ กระแสไฟฟ้าเป็นกระบวนการย้อนกลับของการละลายด้วยไฟฟ้า ซึ่งเราคุ้นเคยเมื่อพิจารณาถึงเซลล์กัลวานิก ก่อนอื่น เราจะตรวจสอบการสะสมของทองแดง ซึ่งใช้ในคูลอมเมตริกทองแดงเพื่อวัดปริมาณไฟฟ้า

โลหะสะสมตามกระแส

งอปลายของแผ่นทองแดงบาง ๆ สองแผ่นแล้วจึงแขวนไว้บนผนังด้านตรงข้ามของบีกเกอร์หรือดีกว่าคือตู้ปลาแก้วขนาดเล็ก เราต่อสายไฟเข้ากับแผ่นด้วยขั้วต่อ
อิเล็กโทรไลต์จัดเตรียมตามสูตรต่อไปนี้: คอปเปอร์ซัลเฟตผลึก 125 กรัม, กรดซัลฟิวริกเข้มข้น 50 กรัม และแอลกอฮอล์ 50 กรัม (แอลกอฮอล์แปลงสภาพ) ที่เหลือคือน้ำสูงสุด 1 ลิตร ในการทำเช่นนี้ ขั้นแรกละลายคอปเปอร์ซัลเฟตในน้ำ 500 มล. จากนั้นค่อยๆ เติมในส่วนเล็กๆ กรดซัลฟิวริก (เครื่องทำความร้อน! ของเหลวอาจกระเซ็นได้!) จากนั้นเติมแอลกอฮอล์และเติมน้ำให้ได้ปริมาตร 1 ลิตร
เติมคูลอมมิเตอร์ด้วยสารละลายที่เตรียมไว้ และเชื่อมต่อความต้านทานแบบแปรผัน แอมมิเตอร์ และ แบตเตอรี่ตะกั่ว- เมื่อใช้ความต้านทาน เราจะปรับกระแสเพื่อให้ความหนาแน่นอยู่ที่ 0.02-0.01 A/cm 2 ของพื้นผิวอิเล็กโทรด หากแผ่นทองแดงมีพื้นที่ 50 cm2 ความแรงของกระแสไฟฟ้าควรอยู่ในช่วง 0.5-1 A
หลังจากนั้นครู่หนึ่ง ทองแดงโลหะสีแดงอ่อนจะเริ่มตกตะกอนที่แคโทด (อิเล็กโทรดลบ) และทองแดงจะเข้าสู่สารละลายที่แอโนด (อิเล็กโทรดบวก) ในการทำความสะอาดแผ่นทองแดง เราจะใช้กระแสไฟฟ้าในคูลอมิเตอร์เป็นเวลาประมาณครึ่งชั่วโมง จากนั้นเราก็นำแคโทดออกมาเช็ดให้แห้งด้วยกระดาษกรองอย่างระมัดระวังและชั่งน้ำหนักอย่างแม่นยำ มาติดตั้งอิเล็กโทรดในเซลล์ ปิดวงจรโดยใช้ลิโน่และรักษากระแสให้คงที่ เช่น 1 A หลังจากผ่านไปหนึ่งชั่วโมง ให้เปิดวงจรแล้วชั่งน้ำหนักแคโทดแห้งอีกครั้ง ที่กระแส 1 A มวลของมันจะเพิ่มขึ้น 1.18 กรัมต่อชั่วโมงการทำงาน
ดังนั้นปริมาณไฟฟ้าเท่ากับ 1 แอมแปร์ชั่วโมงที่ไหลผ่านสารละลายสามารถปล่อยทองแดงได้ 1.18 กรัม หรือโดยทั่วไป: ปริมาณของสารที่ปล่อยออกมาจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณไฟฟ้าที่ไหลผ่านสารละลาย
ในการแยกไอออนที่เทียบเท่ากัน 1 ไอออน จำเป็นต้องส่งผ่านปริมาณไฟฟ้าผ่านสารละลาย เท่ากับสินค้าประจุอิเล็กโทรด e ด้วยเลขอาโวกาโดร เอ็นตอบ:
อี*เอ็น A = 1.6021 * 10 -19 * 6.0225 * 10 23 = 9.65 * 10 4 A * s * mol -1 ค่านี้ระบุด้วยสัญลักษณ์ เอฟและตั้งชื่อตามผู้ค้นพบกฎเชิงปริมาณของอิเล็กโทรไลซิส หมายเลขฟาราเดย์(ค่าที่แน่นอน เอฟ- 96,498 A*s*โมล -1) ดังนั้นให้แยกออกจากสารละลาย หมายเลขที่กำหนดเทียบเท่า n e ปริมาณไฟฟ้าควรส่งผ่านสารละลายเท่ากับ ฉ*นอี A*s*mol -1 . กล่าวอีกนัยหนึ่ง
มัน =ฉ*นเอ่อ นี่. ฉัน- ปัจจุบัน, ที- เวลาที่กระแสไหลผ่านสารละลาย ในส่วน " พื้นฐานการไทเทรต“ได้แสดงให้เห็นแล้วว่าจำนวนเทียบเท่าของสาร n e เท่ากับผลคูณของจำนวนโมลและจำนวนที่เท่ากัน:
nอี = n*ซีเพราะฉะนั้น:

ฉัน*ที = ไอ้เหี้ย

ในกรณีนี้ ซี- ประจุไอออน (สำหรับ Ag + ซี= 1 สำหรับ Cu 2+ ซี= 2 สำหรับอัล 3+ ซี= 3 เป็นต้น) หากเราแสดงจำนวนโมลเป็นอัตราส่วนของมวลต่อมวลโมล ( n = ม./ม) จากนั้นเราจะได้สูตรที่ช่วยให้เราสามารถคำนวณกระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรไลซิส:

มัน =F*m*Z/M

การใช้สูตรนี้คุณสามารถคำนวณกระแสได้:

ฉัน = 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

ถ้าเราแนะนำความสัมพันธ์สำหรับงานไฟฟ้า วเอล

วเอล = คุณ*ฉัน*tและ วอีเมล/ คุณ = มัน

แล้วจะรู้ถึงความตึงเครียด คุณคุณสามารถคำนวณ:

วเอล = F*m*Z*U/M

นอกจากนี้ยังสามารถคำนวณว่าต้องใช้เวลานานเท่าใดในการปล่อยสารจำนวนหนึ่งด้วยไฟฟ้า หรือปริมาณของสารที่จะปล่อยออกมาในช่วงเวลาหนึ่งๆ ในระหว่างการทดลอง จะต้องรักษาความหนาแน่นกระแสให้อยู่ภายในขีดจำกัดที่ระบุ หากน้อยกว่า 0.01 A/cm2 โลหะจะถูกปล่อยออกมาน้อยเกินไป เนื่องจากไอออนของทองแดง(I) จะก่อตัวขึ้นบางส่วน เมื่อเช่นกัน ความหนาแน่นสูงกระแสการยึดเกาะของสารเคลือบกับอิเล็กโทรดจะอ่อนลงและเมื่อเอาอิเล็กโทรดออกจากสารละลายก็อาจแตกหักได้
ในทางปฏิบัติ การเคลือบกัลวานิกบนโลหะจะใช้เพื่อป้องกันการกัดกร่อนเป็นหลักและเพื่อให้มีความเงางามเหมือนกระจก
นอกจากนี้ โลหะ โดยเฉพาะทองแดงและตะกั่ว ยังถูกทำให้บริสุทธิ์โดยการละลายขั้วบวกและการแยกที่แคโทด (การกลั่นด้วยไฟฟ้า) ในภายหลัง
หากต้องการชุบเหล็กด้วยทองแดงหรือนิกเกิล คุณต้องทำความสะอาดพื้นผิวของวัตถุให้สะอาดก่อน ในการทำเช่นนี้ให้ขัดด้วยชอล์กที่ล้างแล้วและล้างไขมันอย่างต่อเนื่องด้วยสารละลายโซดาไฟน้ำและแอลกอฮอล์เจือจาง หากสิ่งของนั้นมีสนิมคุณต้องดองล่วงหน้าด้วยสารละลายกรดซัลฟิวริก 10-15%
เราแขวนผลิตภัณฑ์ที่ทำความสะอาดแล้วในอ่างอิเล็กโทรไลต์ (ตู้ปลาขนาดเล็กหรือบีกเกอร์) ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นแคโทด
สารละลายสำหรับเคลือบทองแดงประกอบด้วยคอปเปอร์ซัลเฟต 250 กรัมและกรดซัลฟิวริกเข้มข้น 80-100 กรัมในน้ำ 1 ลิตร (ข้อควรระวัง!) ในกรณีนี้แผ่นทองแดงจะทำหน้าที่เป็นขั้วบวก พื้นผิวของขั้วบวกควรจะเท่ากับพื้นผิวของวัตถุที่ถูกเคลือบโดยประมาณ ดังนั้นคุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจเสมอว่าแอโนดทองแดงแขวนอยู่ในอ่างที่ความลึกเท่ากับแคโทด
กระบวนการนี้จะดำเนินการที่แรงดันไฟฟ้า 3-4 V (แบตเตอรี่สองก้อน) และความหนาแน่นกระแส 0.02-0.4 A/cm2 อุณหภูมิของสารละลายในอ่างควรอยู่ที่ 18-25 °C
ให้เราใส่ใจกับความจริงที่ว่าระนาบแอโนดและพื้นผิวที่จะเคลือบขนานกัน รายการ รูปร่างที่ซับซ้อนเป็นการดีกว่าที่จะไม่ใช้มัน ด้วยการเปลี่ยนแปลงระยะเวลาของอิเล็กโทรไลซิส จึงเป็นไปได้ที่จะได้การเคลือบทองแดงที่มีความหนาต่างกัน
บ่อยครั้งที่พวกเขาหันไปใช้การชุบทองแดงเบื้องต้นเพื่อเคลือบโลหะอื่นที่ทนทานกับชั้นนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมักใช้สำหรับการชุบโครเมี่ยมของเหล็ก การชุบนิกเกิลของการหล่อสังกะสี และในกรณีอื่นๆ อิเล็กโทรไลต์ไซยาไนด์ที่มีพิษร้ายแรงอย่างแท้จริงถูกนำมาใช้เพื่อจุดประสงค์นี้
ในการเตรียมอิเล็กโทรไลต์สำหรับการชุบนิกเกิล ให้ละลายผลึกนิกเกิลซัลเฟต 25 กรัม กรดบอริก 10 กรัม หรือโซเดียมซิเตรต 10 กรัมในน้ำ 450 มล. คุณสามารถเตรียมโซเดียมซิเตรตได้ด้วยตัวเองโดยการทำให้สารละลายกรดซิตริก 10 กรัมเป็นกลางด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์หรือสารละลายโซดาเจือจาง ปล่อยให้ขั้วบวกเป็นแผ่นนิกเกิลบางที พื้นที่ขนาดใหญ่และนำแบตเตอรี่เป็นแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า
เมื่อใช้ความต้านทานแบบแปรผัน เราจะรักษาความหนาแน่นกระแสให้เท่ากับ 0.005 A/cm2 ตัวอย่างเช่นที่พื้นผิววัตถุ 20 ซม. 2 คุณต้องทำงานที่ความแรงของกระแส 0.1 A หลังจากทำงานไปครึ่งชั่วโมงวัตถุนั้นก็จะถูกชุบนิกเกิลแล้ว ให้นำออกจากอ่างแล้วเช็ดด้วยผ้า อย่างไรก็ตาม เป็นการดีกว่าที่จะไม่ขัดขวางกระบวนการชุบนิกเกิล เนื่องจากชั้นนิกเกิลอาจเกิดการพาสซีฟและการเคลือบนิกเกิลที่ตามมาจะไม่เกาะติดกัน
เพื่อให้กระจกเงางามโดยไม่ต้องขัดเงาด้วยกลไก เราแนะนำสิ่งที่เรียกว่าสารเติมแต่งที่ทำให้เกิดความมันเงาลงในอ่างกัลวานิก สารเติมแต่งดังกล่าว ได้แก่ กาว เจลาติน น้ำตาล ตัวอย่างเช่นคุณสามารถเพิ่มน้ำตาลสองสามกรัมลงในอ่างนิกเกิลและศึกษาผลของมัน
ในการเตรียมอิเล็กโทรไลต์สำหรับการชุบโครเมียมเหล็ก (หลังจากการชุบทองแดงเบื้องต้น) ให้ละลายกรดโครมิกแอนไฮไดรด์ CrO 3 40 กรัม (ข้อควรระวัง! พิษ!) และกรดซัลฟิวริก 0.5 กรัมพอดี (ไม่ว่าในกรณีใด!) ในน้ำ 100 มล. . กระบวนการนี้เกิดขึ้นที่ความหนาแน่นกระแสประมาณ 0.1 A/cm 2 และใช้แผ่นตะกั่วเป็นขั้วบวก ซึ่งพื้นที่ควรน้อยกว่าพื้นที่พื้นผิวชุบโครเมียมเล็กน้อย
อ่างนิกเกิลและโครเมียมควรให้ความร้อนดีที่สุดเล็กน้อย (ประมาณ 35 ° C) โปรดทราบว่าอิเล็กโทรไลต์สำหรับการชุบโครเมี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างกระบวนการที่ยาวนานและมีกระแสไฟฟ้าสูง จะปล่อยไอที่มีกรดโครมิกออกมา ซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพอย่างมาก ดังนั้นควรทำการชุบโครเมี่ยมภายใต้แรงฉุดหรือเปิด กลางแจ้งเช่นบนระเบียง
เมื่อชุบโครเมียม (และชุบนิเกิลในระดับที่น้อยกว่า) กระแสไฟทั้งหมดไม่ได้ใช้สำหรับการสะสมของโลหะ ในขณะเดียวกันก็ปล่อยไฮโดรเจนออกมา จากแรงดันไฟฟ้าจำนวนหนึ่ง คาดว่าโลหะที่อยู่หน้าไฮโดรเจนไม่ควรถูกปล่อยออกมาจากสารละลายที่เป็นน้ำเลย แต่ในทางกลับกัน ไฮโดรเจนที่มีฤทธิ์น้อยกว่าควรจะถูกปล่อยออกมา อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ เช่นเดียวกับการละลายขั้วบวกของโลหะ วิวัฒนาการของไฮโดรเจนแบบแคโทดมักถูกยับยั้งและสังเกตได้เมื่อใช้ไฟฟ้าแรงสูงเท่านั้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าแรงดันเกินของไฮโดรเจน และมีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ เช่น บนตะกั่ว ด้วยเหตุนี้แบตเตอรี่ตะกั่วกรดจึงสามารถทำงานได้ เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ แทนที่จะเป็น PbO 2 ไฮโดรเจนควรปรากฏที่แคโทด แต่เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเกิน วิวัฒนาการของไฮโดรเจนจึงเริ่มต้นขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ชาร์จเกือบเต็ม

โลหะที่ทำปฏิกิริยาได้ง่ายเรียกว่าโลหะแอคทีฟ ซึ่งรวมถึงโลหะอัลคาไล โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ และอะลูมิเนียม

ตำแหน่งในตารางธาตุ

คุณสมบัติโลหะของธาตุลดลงจากซ้ายไปขวาในตารางธาตุ ดังนั้นองค์ประกอบของกลุ่ม I และ II จึงถือว่ามีการเคลื่อนไหวมากที่สุด

ข้าว. 1. โลหะที่ใช้งานอยู่ในตารางธาตุ

โลหะทุกชนิดเป็นตัวรีดิวซ์และแยกตัวกับอิเล็กตรอนในระดับพลังงานภายนอกได้อย่างง่ายดาย โลหะแอคทีฟจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงหนึ่งหรือสองตัวเท่านั้น ในเวลาเดียวกัน คุณสมบัติของโลหะเข้มข้นขึ้นจากบนลงล่างด้วยจำนวนระดับพลังงานที่เพิ่มขึ้นเพราะว่า ยิ่งอิเล็กตรอนอยู่ห่างจากนิวเคลียสของอะตอมมากเท่าใด การแยกตัวก็จะง่ายขึ้นเท่านั้น

โลหะอัลคาไลถือเป็นโลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุด:

• ลิเธียม;
• โซเดียม;
• โพแทสเซียม;
• รูบิเดียม;
• ซีเซียม;
• ภาษาฝรั่งเศส

โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธได้แก่:

• เบริลเลียม;
• แมกนีเซียม;
• แคลเซียม;
• ธาตุโลหะชนิดหนึ่ง;
• แบเรียม;
• เรเดียม

ระดับของกิจกรรมของโลหะสามารถกำหนดได้จากชุดแรงดันไฟฟ้าของโลหะไฟฟ้าเคมี ยิ่งธาตุอยู่ทางด้านซ้ายของไฮโดรเจนมากเท่าไรก็ยิ่งมีความว่องไวมากขึ้นเท่านั้น โลหะทางด้านขวาของไฮโดรเจนจะไม่ใช้งานและสามารถทำปฏิกิริยากับกรดเข้มข้นเท่านั้น

ข้าว. 2. ชุดเคมีไฟฟ้าของแรงดันไฟฟ้าของโลหะ

รายชื่อโลหะออกฤทธิ์ในเคมียังรวมถึงอะลูมิเนียม ซึ่งอยู่ในกลุ่ม III และทางด้านซ้ายของไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม อะลูมิเนียมอยู่บริเวณขอบของโลหะที่มีฤทธิ์และมีปฏิกิริยาปานกลาง และไม่ทำปฏิกิริยากับสารบางชนิดภายใต้สภาวะปกติ

คุณสมบัติ

โลหะที่แอคทีฟมีความอ่อน (สามารถตัดด้วยมีดได้) น้ำหนักเบา และมีจุดหลอมเหลวต่ำ

คุณสมบัติทางเคมีหลักของโลหะแสดงอยู่ในตาราง

ปฏิกิริยา	สมการ	ข้อยกเว้น
โลหะอัลคาไลติดไฟในอากาศได้เองเมื่อมีปฏิกิริยากับออกซิเจน	K + O 2 → เกาะ 2	ลิเธียมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น
โลหะอัลคาไลน์เอิร์ทและอะลูมิเนียมจะเกิดฟิล์มออกไซด์ในอากาศและติดไฟได้เองเมื่อถูกความร้อน	2Ca + O 2 → 2CaO
ทำปฏิกิริยากับ สารง่ายๆทำให้เกิดเกลือ	Ca + Br 2 → CaBr 2; - 2อัล + 3S → อัล 2 ส 3	อลูมิเนียมไม่ทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน
ทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับน้ำ ทำให้เกิดเป็นด่างและไฮโดรเจน	- Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2	ปฏิกิริยากับลิเธียมจะช้า อลูมิเนียมจะทำปฏิกิริยากับน้ำหลังจากเอาฟิล์มออกไซด์ออกเท่านั้น
ทำปฏิกิริยากับกรดให้เกิดเกลือ	Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2; 2K + 2HMnO 4 → 2KMnO 4 + H 2
ทำปฏิกิริยากับสารละลายเกลือ โดยทำปฏิกิริยากับน้ำก่อนแล้วจึงทำปฏิกิริยากับเกลือ	2Na + CuCl 2 + 2H 2 O: 2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 ; - 2NaOH + CuCl 2 → Cu(OH) 2 ↓ + 2NaCl

โลหะที่มีฤทธิ์ทำปฏิกิริยาได้ง่าย ดังนั้นโดยธรรมชาติแล้วจะพบได้ในสารผสมเท่านั้น - แร่ธาตุหิน

ข้าว. 3. แร่ธาตุและโลหะบริสุทธิ์

เราได้เรียนรู้อะไรบ้าง?

โลหะที่แอคทีฟประกอบด้วยองค์ประกอบของกลุ่ม I และ II - โลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ทรวมถึงอะลูมิเนียม กิจกรรมของพวกมันถูกกำหนดโดยโครงสร้างของอะตอม - อิเล็กตรอนสองสามตัวถูกแยกออกจากด้านนอกได้ง่าย ระดับพลังงาน- เหล่านี้เป็นโลหะเบาอ่อนที่ทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วด้วยความเรียบง่ายและ สารที่ซับซ้อนทำให้เกิดออกไซด์ ไฮดรอกไซด์ เกลือ อะลูมิเนียมมีความใกล้เคียงกับไฮโดรเจนมากกว่าและจำเป็นต้องทำปฏิกิริยากับสารต่างๆ เงื่อนไขเพิ่มเติม - อุณหภูมิสูง,การทำลายฟิล์มออกไซด์

ทดสอบในหัวข้อ

การประเมินผลการรายงาน

คะแนนเฉลี่ย: 4.4. คะแนนรวมที่ได้รับ: 388