Ряд хімічної активності металів. Хімія підготовка до зно і дпа комплексне видання. Гальванічні елементи, їх електрорушійна сила

Різниця потенціалів «речовина електрода - розчин» якраз і служить кількісною характеристикою здатності речовини (як металів, так інеметалів) переходити в розчин у вигляді іонів, тобто характериСтік ОВ здатності іона і відповідного йому речовини.

Таку різницю потенціалів називаютьелектродним потенціалом.

Однак прямих методів вимірів такої різниці потенціалівне існує, тому домовилися їх визначати по відношенню дотак званого стандартного водневого електроду, потенциал якого умовно прийнятий за нуль (часто його також називаютьелектродом порівняння). Стандартний водневий електрод складаєтьсяз платинової пластинки, зануреної в розчин кислоти з кінцентрацией іонів Н + 1 моль / л і омивається струменем газоподібноговодню при стандартних умовах.

Виникнення потенціалу на стандартному водневому електроді можна уявити собі таким чином. Газоподібний водень, адсорбируясь платиною, переходить в атомарний стан:

H 2 2H.

Між атомарним воднем, що утворюється на поверхні пластини, іонами водню в розчині і платиною (електрони!) Реалізується стан динамічної рівноваги:

H Н + + е.

Сумарний процес виражається рівнянням:

Н 2 2Н + + 2е.

Платина не приймає участі в окисно - восстанові тельном процесі, а є лише носієм атомарного водню.

Якщо пластинку деякого металу, занурену в розчин його солі з концентрацією іонів металу, що дорівнює 1 моль / л, з'єднати зі стандартним водневим електродом, то вийде гальванічний елемент. Електрорушійна сила цього елемента(ЕРС), виміряна при 25 ° С, і характеризує електродний потенціал металу, що позначається зазвичай як Е 0.

По відношенню до системи Н 2 / 2Н + деякі речовини будуть вести себе як окислювачі, інші - як відновники. В даний час отримані стандартні потенціали практично всіх металів і багатьох неметалів, які характеризують відносну здатність восстановителей або окислювачів до віддачі або захоплення електронів.

Потенціали електродів, виступаючих як відновники по відношенню до водню, мають знак "-", а знаком "+" відзначені потенціали електродів, що є окислювачами.

Якщо розташувати метали в порядку зростання їх стандартних електродних потенціалів, то утворюється так званий електрохімічний ряд напруг металів:

Li, Rb, K, Ва, Sr, Са, N а, М g, А l, М n, Zn, З r, F е, С d, З, N i, Sn, Р b, Н, Sb, В i, С u, Hg, А g, Р d, Р t, А u.

Ряд напруг характеризує Хімічні властивостіметалів.

1. Чим більше негативний електродний потенціал металу, тим більше його відновна здатність.

2. Кожен метал здатний витісняти (відновлювати) з розчинів солей ті метали, які стоять в ряду напруг металів після нього. Винятками є лише лужні і лужноземельні метали, які не будуть відновлювати іони інших металів з розчинів їх солей. Це пов'язано з тим, що в цих випадках з більшою швидкістю протікають реакції взаємодії металів з водою.

3. Всі метали, що мають негативний стандартний електродний потенціал, тобто що знаходяться в ряді напруг металів лівіше водню, здатні витісняти його з розчинів кислот.

Необхідно відзначити, що представлений ряд характеризує поводження металів і їх солей тільки у водних розчинах, оскільки потенціали враховують особливості взаємодії того чи іншого іона з молекулами розчинника. Саме тому електрохімічний ряд починається літієм, тоді як більш активні в хімічному відношеннірубідій і калій знаходяться правіше літію. Це пов'язано з виключно високою енергієюпроцесу гідратації іонів літію в порівнянні з іонами інших лужних металів.

Алгебраїчне значення стандартного окисно-відновного потенціалу характеризує окислительную активність відповідної окисленої форми. Тому зіставлення значень стандартних окисно-відновних потенціалів дозволяє відповісти на питання: чи протікає та чи інша окислювально-відновна реакція?

Так, все полуреакции окислення галогенид-іонів до вільних галогенів

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

2 Br - -2е = В r 2 E 0 = -1,07 В (2)

2I - -2 е = I 2 E 0 = -0,54 В (3)

можуть бути реалізовані в стандартних умовах при використанні в якості окислювача оксиду свинцю ( IV ) (Е 0 = 1,46 В) або перманганату калію (Е 0 = 1,52 В). При використанні дихромата калію ( E 0 = 1,35 В) вдається здійснити тільки реакції (2) і (3). Нарешті, використання в якості окислювача азотної кислоти ( E 0 = 0,96 В) дозволяє здійснити тільки полуреакции за участю йодид-іонів (3).

Таким чином, кількісним критерієм оцінки можливості протікання тієї чи іншої окислювально-відновної реакції є позитивне значення різниці стандартних окисно-відновних потенціалів напівреакцій окислення і відновлення.

Коли люди чують слово «метал», то зазвичай воно асоціюється з холодним і твердою речовиною, Які проводять електричний струм. Однак метали і їх сплави можуть дуже сильно відрізнятися між собою. Є ті, які відносяться до групи важких, ці речовини мають найвищу щільність. А деякі, наприклад, літій, настільки легкі, що могли б плавати у воді, якби тільки не вступали з нею в активну реакцію.

Які метали активні найбільше?

Але який метал проявляє найбільш інтенсивні властивості? самий активний метал- це цезій. За активністю серед всіх металів він займає перше місце. Також його «побратимами» вважаються франций, що знаходиться на другому місці, і унуненній. Але про властивості останнього вченим поки відомо мало.

властивості цезію

Цезій - це елемент, який, подібно до легко розплавити в руках. Зробити це, правда, можна лише за однієї умови: якщо цезій знаходиться в скляній ампулі. В іншому випадку метал може швидко вступити в реакцію з навколишнім повітрям - запалиться. А взаємодія цезію з водою супроводжується вибухом - такий в своєму прояві найактивніший метал. Це відповідь на питання про те, чому так складно поміщати в контейнери цезій.

Для того щоб його помістити всередину пробірки, необхідно, щоб вона була виготовлена ​​зі спеціального скла і наповнена аргоном або воднем. Температура плавлення цезію становить 28,7 о С. При кімнатній температурі метал знаходиться в підлозі рідкому стані. Цезій є речовина золотисто-білого кольору. У рідкому стані метал добре відбиває світло. Пари цезію мають зеленувато-синій відтінок.

Яким способом був відкритий цезій?

Найактивніший метал був першим хімічним елементом, наявність якого в поверхні земної кори було виявлено за допомогою методу спектрального аналізу. Коли вчені отримали спектр металу, то в ньому вони побачили дві лінії небесно-блакитного кольору. Таким чином і отримав свою назву цей елемент. Слово caesius в перекладі з латинської мовизначить «небесно-блакитний».

Історія відкриття

Його відкриття належить німецьким дослідникам Р. Бунзену і Г. Кірхгофа. Вже тоді вчені цікавилися, які метали активні, а які - ні. У 1860 році дослідники вивчали склад води з Дюркгеймского водосховища. Робили вони це за допомогою спектрального аналізу. У зразку води вчені виявили такі елементи, як стронцій, магній, літій, кальцій.

Потім вони вирішили проаналізувати краплю води за допомогою спектроскопа. Тоді вони і побачили дві яскраво-блакитні лінії, що знаходяться недалеко один від одного. Одна з них за своїм становищем практично збігалася з лінією металу стронцію. Вчені вирішили, що виявлене ними речовина є невідомим і віднесли його до групи лужних металів.

У тому ж році Бунзен написав листа своєму колезі-фотохіміку Г. Роско, в якому розповідав про це відкриття. А офіційно про цезіі було повідомлено 10 травня 1860 року на засіданні вчених Берлінської академії. Через шість місяців Бунзен зміг виділити близько 50 грамів хлороплатініта цезію. Вчені переробили 300 тонн мінеральної води і виділили близько 1 кг хлориду літію в якості побічного продукту, щоб в кінцевому рахунку отримати найактивніший метал. Це говорить про те, що цезію в мінеральних водах міститься дуже мало.

Складність отримання цезію постійно штовхає вчених на пошук містять його мінералів, одним з яких є поллуціт. Але витяг цезію з руд завжди виявляється неповним, в процесі експлуатації цезій дуже швидко розсіюється. Це робить його одним з найбільш важкодоступних речовин в металургії. В земній корі, Наприклад, міститься 3,7 грамів цезію на одну тонну. А в одному літрі морської водилише 0,5 мкг речовини є найактивніший метал. Це призводить до того, що витяг цезію є одним з найбільш трудомістких процесів.

Отримання в Росії

Як було зазначено, головним мінералом, з якого отримують цезій, є поллуціт. А також цей найактивніший метал можна отримати з рідкісного авогадріта. У промисловості використовується саме поллуціт. Видобуток його після розпаду Радянського Союзув Росії не велося, незважаючи на те що ще в ті часи були виявлені гігантські запаси цезію в Воронячої тундрі під Мурманськом.

До того моменту, коли вітчизняна промисловість змогла дозволити собі видобуток цезію, ліцензія на розробку цього родовища була придбана компанією з Канади. Зараз витяг цезію виробляє Новосибірська компанія ЗАТ «Завод рідкісних металів».

Використання цезію

Цей метал використовується для виготовлення різних фотоелементів. А також сполуки цезію застосовуються в спеціальних галузях оптики - в виготовленні інфрачервоних приладів, Цезій використовують у виготовленні прицілів, які дозволяють помітити техніку та живу силу ворога. Також його застосовують для виготовлення особливих металогалогеннихламп.

Але цим не вичерпується коло його застосування. На основі цезію був створений також ряд медичних препаратів. Це ліки для лікування дифтерії, виразкових хвороб, шоків і шизофренії. Як і солі літію, солі цезію мають нормотіміческімі властивостями - або, попросту, здатні стабілізувати емоційний фон.

метал франций

Ще одним з металів з найбільш інтенсивними властивостями є францій. Він отримав свою назву на честь батьківщини першовідкривальниці металу. М. Пере, яка народилася у Франції, відкрила новий хімічний елементв 1939 році. Він належить до числа таких елементів, про які навіть самі дослідники-хіміки не можуть робити будь-які висновки.

Францій є найважчим металом. При цьому і найактивніший метал - це франций, поряд з цезієм. Цим рідкісним поєднанням - високу хімічну активність і низькою ядерної стійкістю і має францій. У його самого долгоживущего ізотопу період напіврозпаду становить всього лише 22 хвилини. Францій використовується для виявлення іншого елемента - актинія. А також солі франція раніше пропонувалося застосовувати для виявлення ракових пухлин. Однак через високу вартістьцю сіль невигідно виробляти.

Порівняння найактивніших металів

Унуненній - це поки ще не відкритий метал. Він буде займати перше місце в восьмому рядку періодичної системи. Розробка і дослідження цього елемента проводяться в Росії в Об'єднаному інституті ядерних досліджень. Цей метал повинен буде володіти також дуже високою активністю. Якщо ж порівнювати вже відомі франций і цезій, то самим високим потенціаломіонізації - 380 кДж / моль - буде володіти франций.

У цезію цей показник становить 375 кДж / моль. Але реагує франций все ж не так швидко, як цезій. Таким чином, цезій - найактивніший метал. Це - відповідь (хімія найчастіше є тим предметом, в програмі якого можна зустріти подібне питання), який може бути корисним як на уроці в школі, так і в професійно-технічному училищі.

Електрохімічний ряд активності металів(Ряд напруг, ряд стандартних електродних потенціалів) - послідовність, в якій метали розташовані в порядку збільшення їх стандартних електрохімічних потенціалів φ 0, що відповідають полуреакции відновлення катіона металу Me n +: Me n + + nē → Me

Практичне використання ряду активності металів

Ряд напруг використовується на практиці для порівняльної оцінки хімічної активності металів в реакціях з водними розчинами солей та кислот і для оцінки катодних і анодних процесів при електролізі:

• Метали, що стоять лівіше водню, є більш сильними відновниками, ніж метали, розташовані правіше: вони витісняють останні з розчинів солей. Наприклад, взаємодія Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu можливо тільки в прямому напрямку.
• Метали, що стоять в ряду лівіше водню, витісняють водень при взаємодії з водними розчинами кислот-неокислителях; найбільш активні метали (до алюмінію включно) - і при взаємодії з водою.
• Метали, що стоять в ряду правіше водню, з водними розчинами кислот-неокислителях при звичайних умовах не взаємодіють.
• При електролізі метали, що стоять правіше водню, виділяються на катоді; відновлення металів помірної активності супроводжується виділенням водню; найбільш активні метали (до алюмінію) неможливо при звичайних умовах виділити з водних розчинівсолей.

Найактивнішими вважаються лужні метали:

• літій;
• натрій;
• калій;
• рубідій;
• цезій;
• Францій.

Гроссе Е., Вайсмантель X.

Хімія для допитливих. Основи хімії і цікаві досліди.

Глава 3 (продовження)

НЕБОЛЬШОЙ КУРС електрохімії МЕТАЛІВ

Ми вже познайомилися з електролізом розчинів хлоридів лужних металів і отриманням металів за допомогою розплавів. Зараз спробуємо на кількох нескладних дослідах вивчити деякі закономірності електрохімії водних розчинів, гальванічних елементів, а також познайомитися з отриманням захисних гальванічних покриттів.
Електрохімічні методи застосовуються в сучасній аналітичної хімії, Служать для визначення найважливіших величин теоретичної хімії.
Нарешті, корозія металевих предметів, Яка завдає великої шкоди народному господарству, В більшості випадків є електрохімічним процесом.

РЯД напруги МЕТАЛІВ

Основоположним ланкою для розуміння електрохімічних процесів є ряд напруги металів. Метали можна розташувати в ряд, який починається з хімічно активних і закінчується найменш активними благородними металами:
Li, Rb, K, Ва, Sr, Са, Mg, Al, Be, Mn, Zn, Cr, Ga, Fe, Cd, Tl, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, As, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Так виглядає, по новітніх уявлень, Ряд напруг для найважливіших металів і водню. Якщо з двох будь-яких металів ряду виготовити електроди гальванічного елемента, то на попередньому в ряду матеріалі з'явиться негативне напруга.
Величина напруги ( електрохімічний потенціал) Залежить від положення елемента в ряду напрузі і від властивостей електроліту.
Сутність ряду напруги встановимо з декількох простих дослідів, для яких нам знадобляться джерело струму і електричні вимірювальні прилади. Розчинний близько 10 г кристалічного сульфату міді в 100 мл води і погрозами в розчин сталеву голку або шматочок залізної жерсті. (Рекомендуємо попередньо до блиску зачистити залізо тонкої наждачним шкіркою.) Через короткий час залізо покриється червонуватим шаром виділилася міді. Активніше залізо витісняє мідь з розчину, причому залізо розчиняється у вигляді іонів, а мідь виділяється у вигляді металу. Процес триває до тих пір, поки розчин знаходиться в контакті з залізом. Як тільки мідь покриє всю поверхню заліза, він практично припиниться. В цьому випадку утворюється досить пористий шар міді, так що захисні покриття без застосування струму отримувати не можна.
У наступних дослідах опустимо в розчин сульфату міді невеликі смужки цинкової і свинцевою жерсті. Через 15 хвилин витягнемо їх, промиємо і досліджуємо під мікроскопом. Ми помітний красиві, схожі на крижані, візерунки, які в відбитому світлі мають червоне забарвлення і складаються з виділилася міді. Тут також більш активні метали перевели мідь з іонного в металевий стан.
У свою чергу, мідь може витісняти метали, які стоять нижче в ряду напруг, тобто менш активні. На тонку смужку листової міді або на розплющену мідний дріт (попередньо зачистивши поверхню до блиску) нанесемо кілька крапель розчину нітрату срібла. Неозброєним поглядом можна буде помітити утворився чорнуватий наліт, який під мікроскопом у відбитому світлі має вигляд тонких голок і рослинних візерунків (так званих дендритів).
Щоб виділити цинк без струму, необхідно застосувати більш активний метал. Виключаючи метали, які бурхливо взаємодіють з водою, знаходимо в ряді напруг вище цинку магній. Кілька крапель розчину сульфату цинку помістимо на шматок магнієвої стрічки або на тонку стружку електрона. Розчин сульфату цинку отримаємо, розчинивши шматочок цинку в розведеної сірчаної кислоти. Одночасно з сульфатом цинку додамо кілька крапель денатурату. На магнії через короткий проміжок часу зауважимо, особливо під мікроскопом, що виділився у вигляді тонких кристалів цинк.
Загалом, будь-який член ряду напруги може бути витіснений з розчину, де він знаходиться у вигляді іона, і переведений в металевий стан. Однак при випробуванні всіляких комбінацій, нас може спіткати розчарування. Здавалося б, якщо смужку алюмінію занурити в розчини солей міді, заліза, свинцю і цинку, на ній повинні виділятися ці метали. Але цього, однак, не відбувається. Причина невдачі криється не в помилці в ряді напруг, а заснована на особливому гальмуванні реакції, яке в даному випадку обумовлено тонкою оксидною плівкою на поверхні алюмінію. У таких розчинах алюміній називають пасивним.

ЗАЗИРНЕМО за лаштунками

Щоб сформулювати закономірності процесів, що протікають, ми можемо обмежитися розглядом катіонів, а аніони виключити, так як вони самі в реакції не беруть участь. (Правда, на швидкість осадження впливає вид аніонів.) Якщо для простоти припустити, що і виділяється і розчинений метали дають двозарядні катіони, то можна записати:

Me 1 + Me 2 2+ = Ме 1 2+ + Ме 2

Причому для першого досвіду Ме 1 = Fe, Me 2 = Сu.
Отже, процес полягає в обміні зарядами (електронами) між атомами і іонами обох металів. Якщо окремо розглядати (як проміжні реакцій) розчинення заліза або осадження міді, то отримаємо:

Fe = Fe 2+ + 2 е --

Сu 2+ + 2 е- = Сu

Тепер розглянемо випадок, коли метал занурений у воду або в розчин солі, з катіоном якої обмін неможливий через його положення в ряді напруг. Незважаючи на це, метал прагне перейти в розчин у вигляді іона. При цьому атом металу віддає два електрони (якщо метал двовалентний), поверхня навантаженого в розчин металу заряджається по відношенню до розчину негативно, а на кордоні розділу утворюється подвійний електричний шар. Ця різниця потенціалів перешкоджає подальшому розчиненню металу, так що процес незабаром припиняється.
Якщо в розчин занурити два різних металу, то вони обидва зарядиться, але менш активний - дещо слабше, в силу того, що його атоми менш схильні до отщеплению електронів.
З'єднаємо обидва металу провідником. Внаслідок різниці потенціалів потік електронів потече від більш активного металу до менш активного, який утворює позитивний полюс елемента. Протікає процес, при якому більш активний метал переходить в розчин, а катіони з розчину виділяються на більш благородному металі. Проілюструємо тепер кількома дослідами наведені вище кілька абстрактні міркування (які до того ж є грубе спрощення).
Спочатку наповнимо хімічний стакан місткістю 250 мл до середини 10% -ним розчином сірчаної кислоти і погрозами в неї не дуже маленькі шматки цинку і міді. До обох електродів припаяти або приклепати мідний дріт, кінці якої не повинні стосуватися розчину.
Поки кінці дроту пов'язані друг з одним, ми будемо спостерігати розчинення цинку, яке супроводжується виділенням водню. Цинк, як випливає з ряду напруги, активніше водню, тому метал може витісняти водень із іонного стану. На обох металах утворюється подвійний електричний шар. Різниця потенціалів між електродами найпростіше виявити за допомогою вольтметра. Безпосередньо після включення приладу в ланцюг стрілка вкаже приблизно 1 В, але потім напруга швидко впаде. Якщо під'єднати до елементу маленьку лампочку, що споживає напругу 1 В, то вона загориться - спочатку досить сильно, а потім напруження стане слабким.
За полярності клем приладу можна зробити висновок, що мідний електрод є позитивним полюсом. Це можна довести і без приладу, розглянувши електрохімію процесу. Приготуємо в маленькому хімічному стакані або в пробірці насичений розчин кухонної солі, додамо приблизно 0,5 мл спиртового розчину індикатора фенолфталеїну і погрозами обидва замкнутих дротом електрода в розчин. Близько негативного полюса буде спостерігатися слабке червоне забарвлення, яке викликане утворенням на катоді гідроксиду натрію.
В інших дослідах можна поміщати в осередок різні пари металів і визначати виникає напруга. Наприклад, магній і срібло дадуть особливо велику різницю потенціалів завдяки значній відстані між ними ряду напруг, а цинк і залізо, навпаки, дуже маленьку, менше десятої частки вольта. Застосовуючи алюміній, ми не отримаємо через пасивації практично ніякого струму.
Всі ці елементи, або, як кажуть електрохіміків, ланцюги, мають той недолік, що при зйомці струму на них дуже швидко падає напруга. Тому електрохіміків завжди вимірюють справжню величину напруги в знеструмленому стані за допомогою методу компенсації напруги, тобто порівнюючи його з напругою іншого джерела струму.
Розглянемо процеси в мідно-цинковій елементі трохи докладніше. На катоді цинк переходить в розчин за наступним рівнянням:

Zn = Zn 2+ + 2 е --

На мідному аноді розряджаються іони водню сірчаної кислоти. Вони приєднують електрони, що надходять по дроті від цинкового катода і в результаті утворюються бульбашки водню:

2Н + + 2 е- = Н 2

Через короткий проміжок часу мідь покриється найтоншим шаром бульбашок водню. При цьому мідний електрод перетвориться в водневий, а різниця потенціалів зменшиться. Цей процес називають поляризацією електрода. Поляризацію мідного електрода можна усунути, додавши в осередок після падіння напруги трохи розчину дихромата калію. Після цього напруга знову збільшиться, так як Дихромат калію окислить водень до води. Біхромат калію діє в цьому випадку як деполяризатор.
На практиці застосовують гальванічні ланцюга, електроди яких не поляризуються, або ланцюга, поляризацію яких можна усунути, додавши деполяризатори.
Як приклад неполярізуемого елемента розглянемо елемент Даніеля, який раніше часто використовували як джерело струму. Це теж мідно-цинковий елемент, але обидва метали занурені в різні розчини. Цинковий електрод поміщається в пористої глиняної осередку, наповненою розведеної (приблизно 20% -ної) сірчаної кислотою. Глиняну осередок підвішують у великому склянці, в якому знаходиться концентрований розчинсульфату міді, а на дні - шар кристалів сульфату міді. Другим електродом в цій посудині служить циліндр з мідного листа.
Цей елемент можна виготовити зі скляної банки, що є у продажу керамічної осередку (в крайньому випадкувикористовуємо квітковий горщик, закривши отвір в дні) і двох відповідних за розміром електродів.
В процесі роботи елемента цинк розчиняється з утворенням сульфату цинку, а на мідному електроді виділяються іони міді. Але при цьому мідний електрод НЕ поляризується і елемент дає напругу близько 1 В. Власне, теоретично напруга на клемах становить 1,10 В, але при зніманні струму ми вимірюємо дещо меншу величину, внаслідок електричного опоруосередки.
Якщо ми не знімемо ток з елемента, потрібно витягнути цинковий електрод з розчину сірчаної кислоти, тому що інакше він буде розчинятися з утворенням водню.
Схема проста осередки, для якої не потрібно пористої перегородки, показана на малюнку. Цинковий електрод розташований в скляній банці нагорі, а мідний - поблизу дна. Вся осередок наповнена насиченим розчином кухонної солі. На дно банки насиплемо жменю кристалів сульфату міді. Утворений концентрований розчин сульфату міді буде змішуватися з розчином кухонної солі дуже повільно. Тому при роботі елемента на мідному електроді буде виділятися мідь, а у верхній частині осередку буде розчинятися цинк у вигляді сульфату або хлориду.
Зараз для батарей використовують майже виключно сухі елементи, які більш зручні в користуванні. Їх родоначальником є ​​елемент Лекланше. Електродами служать цинковий циліндр і вугільний стрижень. Електроліт є пасту, яка в основному складається з хлориду амонію. Цинк розчиняється в пасті, а на вугіллі виділяється водень. Щоб уникнути поляризації, вугільний стрижень опускають в полотняний мішечок з сумішшю з вугільного порошку і пиролюзита. Вугільний порошок збільшує поверхню електрода, а пиролюзит діє як деполяризатор, повільно окисляя водень.
Правда, деполярізуется здатність пиролюзита слабкіше, ніж у згадуваного раніше дихромата калію. Тому при отриманні струму в сухих елементах напруга швидко падає, вони " стомлюються"Внаслідок поляризації. Тільки через деякий час відбувається окислення водню піролюзитом. Таким чином, елементи" відпочивають", Якщо деякий час не пропускати струм. Перевіримо це на батарейці для кишенькового ліхтарика, до якої подсоединим лампочку. Паралельно лампі, тобто безпосередньо на клеми, підключимо вольтметр.
Спочатку напруга складе близько 4,5 В. (Найчастіше в таких батарейках послідовно включені три осередки, кожна з теоретичним напругою 1,48 В.) Через деякий час напруга впаде, напруження лампочки ослабне. За свідченнями вольтметра ми зможе судити, як довго батарейці потрібно відпочивати.
Особливе місце займають регенерирующие елементи, відомі під назвою акумулятори. У них протікають оборотні реакції, і їх можна перезаряджати після розрядки елементу, підключивши до зовнішнього джерелапостійного струму.
В даний час найбільш поширені свинцеві акумулятори; в них електролітом служить розбавлена ​​сірчана кислота, куди занурені дві свинцеві пластини. Позитивний електрод покритий діоксидом свинцю PbO 2, негативний являє собою металевий свинець. Напруга на клемах становить приблизно 2,1 В. При розрядці на обох пластинах утворюється сульфат свинцю, який знову перетворюється при зарядці в металевий свинець і в пероксид свинцю.

НАНЕСЕННЯ ГАЛЬВАНІЧНИХ покриттів

Осадження металів з водних розчинів за допомогою електричного струмує процесом, зворотним електролітичному розчиненню, з яким ми познайомилися при розгляді гальванічних елементів. Перш за все досліджуємо осадження міді, яке використовують в мідному кулонометр для вимірювання кількості електрики.

Метал осідає струмом

Відігнувши кінці двох пластин з тонкої листової міді, підвісимо їх на протилежних стінках хімічного склянки або, краще, маленького скляного акваріума. Клемами прикріпимо до пластин дроти.
електролітприготуємо за наступним рецептом: 125 г кристалічного сульфату міді, 50 г концентрованої сірчаної кислоти і 50 г спирту (денатурату), решта - вода до 1 літра. Для цього спочатку розчинний сульфат міді в 500 мл води, потім обережно, маленькими порціями додамо сірчану кислоту ( Нагрівання! Рідина може розбризкується!), Після цього влити спирт і доведемо водою до об'єму 1 л.
Готовим розчином наповнимо кулонометр і включимо в ланцюг змінний опір, амперметр і свинцевий акумулятор. За допомогою опору відрегулюємо ток таким чином, щоб його щільність склала 0,02-0,01 А / см 2 поверхні електродів. Якщо мідна пластина має площу 50 см 2, то сила струму повинна знаходитися в межах 0,5-1 А.
Через деякий час на катоді (негативний електрод) почне виділятися світло-червона металева мідь, а на аноді (позитивний електрод) мідь буде переходити в розчин. Щоб очистити мідні пластини, будемо пропускати струм в кулонометр близько півгодини. Потім витягнемо катод, обережно висушити його за допомогою фільтрувального паперу і точно зважимо. Встановимо в осередку електрод, замкнемо ланцюг за допомогою реостата і будемо підтримувати постійну силу струму, наприклад 1 А. Через годину розімкніть ланцюг і знову зважимо висушений катод. При струмі 1 А за годину роботи його маса збільшиться на 1,18 м
Отже, кількість електрики, рівне 1 ампер-й годині, при проходженні через розчин може виділити 1,18 г міді. Або в загальному: виділилося кількість речовини прямо пропорційно кількості пройшов через розчин електрики.
Щоб виділити 1 еквівалент іона, необхідно пропустити через розчин кількість електрики, дорівнює добуткузаряду електрода е на число Авогадро N A:
е * N A = 1,6021 * 10 -19 * 6,0225 * 10 23 = 9,65 * 10 4 А * з * моль -1 Ця величина позначається символом Fі називається в честь першовідкривача кількісних законів електролізу числом Фарадея(точне значення F- 96 498 А * з * моль -1). Отже, для виділення з розчину даного числа еквівалентів nе через розчин слід пропустити кількість електрики, рівне F * nе А * з * моль -1. Інакше кажучи,
I * t =F * nе Тут I- струм, t- час проходження струму через розчин. В розділі " основи титрування"Уже було показано, що число еквівалентів речовини nе дорівнює добутку числа молей на еквівалентну кількість:
nе = n*Zотже:

I*t = F * n * Z

В даному випадку Z- заряд іонів (для Ag + Z= 1, для Cu 2+ Z= 2, для Al 3+ Z= 3 і т. Д.). Якщо виразити число молей у вигляді відношення маси до мольной масі ( n = m / М), То ми отримаємо формулу, яка дозволяє розрахувати всі процеси, що відбуваються при електролізі:

I * t =F * m * Z / M

За цією формулою можна обчислити струм:

I = F * m * Z / (t * M)= 9,65 * 10 4 * 1,18 * 2 / (3600 * 63,54) А * з * г * моль / (с * моль * г) = 0,996 А

Якщо ввести співвідношення для електричної роботи Wел

Wел = U * I * tі Wел / U = I * t

Те, знаючи напругу U, Можна обчислити:

Wел = F * m * Z * U / M

Можна також розрахувати, скільки часу необхідно для електролітичного виділення певної кількості речовини або скільки речовини виділиться за певний час. Під час досліду щільність струму необхідно підтримувати в заданих межах. Якщо вона буде менше 0,01 А / см 2, то виділиться занадто мало металу, так як будуть частково утворюватися іони міді (I). При занадто високій щільності струму зчеплення покриття з електродом буде слабким і при добуванні електрода з розчину воно може обсипатися.
На практиці гальванічні покриття на металах застосовують насамперед для захисту від корозії і для отримання дзеркального блиску.
Крім того, метали, особливо мідь і свинець, очищають за допомогою анодного розчинення і наступного виділення на катоді (електролітичне рафінування).
Щоб покрити залізо міддю або нікелем, необхідно спочатку ретельно очистити поверхню предмета. Для цього відполіруємо її отмученний крейдою і послідовно знежирити розведеним розчином їдкого натру, водою і спиртом. Якщо предмет покритий іржею, треба протравити його заздалегідь в 10-15% -ному розчині сірчаної кислоти.
Очищений виріб підвісимо в електролітичній ванні (маленький акваріум або хімічний стакан), де воно буде служити в якості катода.
Розчин для нанесення мідного покриття містить в 1 л води 250 г сульфату міді і 80-100 г концентрованої сірчаної кислоти (Обережно!). В даному випадку анодом буде служити мідна пластинка. Поверхня анода приблизно повинна дорівнювати поверхні покривається предмета. Тому треба завжди стежити, щоб мідний анод висів у ванні на такій же глибині, як і катод.
Процес будемо проводити при напрузі 3-4 В (дві акумуляторні батареї) і щільності струму 0,02-0,4 А / см 2. Температура розчину у ванні повинна становити 18-25 ° С.
Звернемо увагу на те, щоб площину анода і покривається поверхню були паралельні один одному. Предмети складної форми краще не використовувати. Варіюючи тривалість електролізу, можна отримувати мідне покриття різної товщини.
Часто вдаються до попереднього міднення для того, щоб на цей шар нанести міцне покриття з іншого металу. Особливо часто це застосовується при хромування заліза, нікелювання цинкового лиття і в інших випадках. Правда, для цієї мети використовують дуже отруйні ціанідні електроліти.
Для приготування електроліту для нікелювання в 450 мл води розчинний 25 г кристалічного сульфату нікелю, 10 г борної кислоти або 10 г цитрату натрію. Цитрат натрію можна приготувати самим, нейтралізувавши розчин 10 г лимонної кислоти розведеним розчином їдкого натру або розчином соди. Анодом нехай буде пластина нікелю можливо більшої площі, А в якості джерела напруги візьмемо акумулятор.
Величину щільності струму за допомогою змінного опору будемо підтримувати рівний 0,005 А / см 2. Наприклад, при поверхні предмета 20 см 2 треба працювати при силі струму 0,1 А. Після півгодини роботи предмет буде вже отнікелірован. Витягнемо його з ванни і протремо тканиною. Втім, процес нікелювання краще не переривати, так як тоді шар нікелю може запассівіроваться і подальше нікелеве покриття погано триматиметься.
Щоб досягти дзеркального блиску без механічної поліровки, введемо в гальванічну ванну так звану блескообразующие добавку. Такими добавками служать, наприклад, клей, желатину, цукор. Можна ввести в нікелеву ванну, наприклад, кілька грамів цукру і вивчити його дію.
Щоб приготувати електроліт для хромування заліза (після попереднього міднення), в 100 мл води розчинний 40 г ангідриду хромової кислоти СrО 3 (Обережно! Яд!) І точно 0,5 г сірчаної кислоти (ні в якому разі не більше!). Процес протікає при щільності струму близько 0,1 А / см 2, а в якості анода використовується свинцева пластина, площа якої повинна бути трохи менше площі хроміруемой поверхні.
Нікелеві і хромові ванни найкраще злегка підігріти (приблизно до 35 ° С). Звернемо увагу на те, що електроліти для хромування, особливо при тривалому процесі і високій силі струму, виділяють містять хромовую кислоту пари, які дуже шкідливі для здоров'я. Тому хромування слід проводити під тягою або на відкритому повітрі, Наприклад на балконі.
При хромування (а в меншій мірі і при нікельованими) не весь струм використовується на осадження металу. Одночасно виділяється водень. На підставі ряду напруг слід було б очікувати, що метали, що стоять перед воднем, взагалі не повинні виділятися з водних розчинів, а навпаки мав би виділятися менш активний водень. Однак тут, як і при анодному розчиненні металів, катодного виділення водню часто гальмується і спостерігається тільки при високій напрузі. Це явище називають перенапруженням водню, і воно особливо велике, наприклад, на свинці. Завдяки цій обставині може функціонувати свинцевий акумулятор. При зарядці акумулятора замість РbО 2 на катоді мав би виникати водень, але, завдяки перенапруги, виділення водню починається тоді, коли акумулятор майже повністю заряджений.

Метали, легко вступають в реакції, називаються активними металами. До них відносяться лужні, лужноземельні метали і алюміній.

Положення в таблиці Менделєєва

Металеві властивості елементів послаблюються зліва направо в періодичній таблиці Менделєєва. Тому найбільш активними вважаються елементи I і II груп.

Мал. 1. Активні метали в таблиці Менделєєва.

Всі метали є відновниками і легко розлучаються з електронами на зовнішньому енергетичному рівні. У активних металів за все один-два валентних електрона. При цьому металеві властивостіпосилюються зверху вниз зі зростанням кількості енергетичних рівнів, тому що чим далі електрон знаходиться від ядра атома, тим легше йому відокремитися.

Найбільш активними вважаються лужні метали:

• літій;
• натрій;
• калій;
• рубідій;
• цезій;
• Францій.

До лужноземельних металів відносяться:

• берилій;
• магній;
• кальцій;
• стронцій;
• барій;
• радій.

Дізнатися ступінь активності металу можна поелектрохімічного ряду напруг металів. Чим лівіше від водню розташований елемент, тим більше він активний. Метали, що стоять праворуч від водню, малоактивні і можуть взаємодіяти тільки з концентрованими кислотами.

Мал. 2. Електрохімічний ряд напруг металів.

До списку активних металів в хімії також відносять алюміній, розташований в III групі і стоїть лівіше водню. Однак алюміній знаходиться на кордоні активних і середньоактивних металів і не реагує з деякими речовинами при звичайних умовах.

властивості

Активні метали відрізняються м'якістю (можна розрізати ножем), легкістю, невисокою температурою плавлення.

Основні хімічні властивості металів представлені в таблиці.

реакція	рівняння	виняток
Лужні метали самовозгораются на повітрі, взаємодіючи з киснем	K + O 2 → KO 2	Літій реагує з киснем тільки при високій температурі
Лужноземельні метали і алюміній на повітрі утворюють оксидні плівки, а при нагріванні самовозгораются	2Ca + O 2 → 2CaO
реагують з простими речовинами, Утворюючи солі	Ca + Br 2 → CaBr 2; - 2Al + 3S → Al 2 S 3	Алюміній не вступає в реакцію з воднем
Бурхливо реагують з водою, утворюючи лугу і водень	- Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2	Реакція з літієм протікає повільно. Алюміній реагує з водою тільки після видалення оксидної плівки
Реагують з кислотами, утворюючи солі	Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2; 2K + 2HMnO 4 → 2KMnO 4 + H 2
Взаємодіють з розчинами солей, спочатку реагуючи з водою, а потім з сіллю	2Na + CuCl 2 + 2H 2 O: 2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2; - 2NaOH + CuCl 2 → Cu (OH) 2 ↓ + 2NaCl

Активні метали легко вступають в реакції, тому в природі знаходяться тільки в складі сумішей - мінералів, гірських порід.

Мал. 3. Мінерали і чисті метали.

Що ми дізналися?

До активних металів відносяться елементи I і II груп - лужні і лужноземельні метали, а також алюміній. Їх активність обумовлена ​​будовою атома - нечисленні електрони легко відокремлюються від зовнішнього енергетичного рівня. Це м'які легкі метали, швидко вступають в реакцію з простими і складними речовинами, Утворюючи оксиди, гідроксиди, солі. Алюміній знаходиться ближче до водню і для його реакції з речовинами потрібні додаткові умови - високі температури, Руйнування оксидної плівки.

Тест по темі

оцінка доповіді

Середня оцінка: 4.4. Всього отримано оцінок: 388.