Ряд металів в хімії. Активні метали. Хлопцям лунають пам'ятки

Мета роботи: ознайомитися на досвіді з залежністю окисно-відновних властивостей металів від їх положення в електрохімічному ряду напружень.

Устаткування і реактиви: пробірки, тримачі для пробірок, спиртівка, фільтрувальна папір, піпетки, 2н. розчини HClі H 2 SO 4, концентрована H 2 SO 4, Розбавлена \u200b\u200bі концентрована HNO 3, 0,5М розчини CuSO 4, Pb (NO 3) 2 або Pb (CH 3 COO) 2; шматочки металевих алюмінію, цинку, заліза, міді, олова, залізні канцелярські скріпки, дистильована вода.

теоретичні пояснення

Хімічний характер будь-якого металу в значній мірі обумовлений тим, наскільки він легко окислюється, тобто наскільки легко його атоми здатні переходити в стан позитивних іонів.

Метали, які виявляють легку здатність окислюватися, називаються неблагородними. Метали, які окислюються з великими труднощами, називаються благородними.

Кожен метал характеризується певним значенням стандартного електродного потенціалу. За стандартний потенціал j 0даного металевого електрода приймається ЕРС гальванічного елемента, складеного з стандартного водневого електрода, розташованого ліворуч, і пластинки металу, вміщеній в розчин солі цього металу, причому активність (в розведених розчинах можна використовувати концентрацію) катіонів металу в розчині повинна бать дорівнює 1 моль / л; Т \u003d 298 К; р \u003d 1 атм. (Стандартні умови). Якщо умови реакції відмінні від стандартних, потрібно враховувати залежність електроднихпотенціалів від концентрацій (точніше активностей) іонів металів в розчині і температури.

Залежність електроднихпотенціалів від концентрації виражається рівнянням Нернста, яке стосовно до системи:

Me n + + n e -→Me

В;

R - газова постійна, ;

F -постійна Фарадея ( »96500 Кл / моль);

n -

а Ме n + - моль / л.

беручи значення Т=298К,отримаємо

моль / л.

j 0,відповідають полуреакции відновлення, отримують ряд напруг металів (ряд стандартних електродних потенціалів). В цей же ряд поміщають електродний потенціал водню, який приймає за нуль, для системи, в якій протікає процес:

2Н + + 2е - \u003d Н 2

При цьому, стандартні електродні потенціали неблагородних металів мають негативне значення, а благородних - позитивне.

Електрохімічний ряд напруг металів

Li; K; Ba; Sr; Ca; Na; Mg; Al; Mn; Zn; Cr; Fe; Cd; Co; Ni; Sn; Pb; ( H) ; Sb; Bi; Cu; Hg; Ag; Pd; Pt; Au

Цей ряд характеризує окислювально-відновну здатність системи «метал - іон металу» в водних розчинах при стандартних умовах. Чим лівіше в ряду напруг варто метал (чим менше його j 0), Тим сильнішим відновником він є, і тим легше атоми металу віддають електрони, перетворюючись в катіони, але катіони цього металу важче приєднують електрони, перетворюючись в нейтральні атоми.

Окислювально-відновні реакції за участю металів і їх катіонів йдуть в тому напрямі, при якому метал з меншим електродним потенціалом є відновником (тобто окислюється), а катіони металу з великим електродним потенціалом - окислювачами (тобто відновлюються). У зв'язку з цим для електрохімічного ряду напруг металів характерні наступні закономірності:

1. кожен метал витісняє з розчину солей всі інші метали, що стоять правіше його в електрохімічному ряді напруг металів.

2. всі метали, які в електрохімічному ряді напруг стоять лівіше водню, витісняють водень з розбавлених кислот.

Методика проведення дослідів

Досвід 1: Взаємодія металів з соляною кислотою.

О четвертій пробірки налити по 2 - 3 мл соляної кислоти і помістити в них по шматочку алюмінію, цинку, заліза і міді порізно. Які з узятих металів витісняють водень з кислоти? Написати рівняння реакцій.

Досвід 2: Взаємодія металів з сірчаною кислотою.

В пробірку опустити шматочок заліза і додати 1 мл 2н. сірчаної кислоти. Що спостерігається? Повторити досвід з шматочком міді. Протікає реакція?

Перевірити дію концентрованої сірчаної кислоти на залізо і мідь. Пояснити спостереження. Написати все рівняння реакцій.

Досвід 3: Взаємодія міді з азотною кислотою.

Покласти в дві пробірки по шматочку міді. В одну з них налити 2 мл розведеної азотної кислоти, В другу - концентрованої. При необхідності вміст пробірок підігріти на спиртівці. Який газ утворюється в першій пробірці, а який у другій? Записати рівняння реакцій.

Досвід 4: Взаємодія металів з солями.

Налити в пробірку 2 - 3 мл розчину сульфату міді (II) і опустити шматочок залізного дроту. Що відбувається? Повторити досвід, замінивши залізну дріт шматочком цинку. Написати рівняння реакцій. Налити в пробірку 2 мл розчину ацетату або нітрату свинцю (II) і опустити шматочок цинку. Що відбувається? Написати рівняння реакції. Вказати окислювач і відновник. Чи буде протікати реакція, якщо цинк замінити міддю? Дати пояснення.

11.3 Необхідний рівень підготовки студентів

1. Знати поняття стандартного електродного потенціалу, мати уявлення про його вимірі.

2. Вміти використовувати рівняння Нернста для визначення електродного потенціалу в умовах, відмінних від стандартних.

3. Знати, що таке ряд напруг металів, що він характеризує.

4. Вміти використовувати ряд напруг металів для визначення напрямку окисно-відновних реакцій за участю металів і їх катіонів, а також металів і кислот.

Завдання для самоконтролю

1. Яка маса технічного заліза, що містить 18% домішок, потрібно для витіснення з розчину сульфату нікелю (II) 7,42 г нікелю?

2. У розчин нітрату срібла опущена мідна пластинка масою 28 г. після закінчення реакції платівка була вийнята, обмита, висушена і виважена. Маса її виявилася 32,52 г. Яка маса нітрату срібла була в розчині?

3. Визначте значення електродного потенціалу міді, зануреної в 0,0005 М розчин нітрату міді (II).

4. Електродний потенціал цинку, зануреного в 0,2 М розчин ZnSO 4, дорівнює 0,8 В. визначте гадану ступінь дисоціації ZnSO 4 в розчині зазначеної концентрації.

5. Розрахуйте потенціал водневого електрода, якщо концентрація іонів водню в розчині (Н +) становить 3,8 10 -3 моль / л.

6. Обчисліть потенціал залізного електрода, опущеного в розчин, що містить 0,0699 г FeCI 2 в 0,5 л.

7. Що називають стандартним електродним потенціалом металу? Яким рівнянням виражається залежність електроднихпотенціалів від концентрації?

Лабораторна робота № 12

Тема: Гальванічнийелемент

Мета роботи: ознайомлення на досвіді з принципами роботи гальванічного елемента, оволодіння методикою розрахунку ЕРС гальванічних елементів.

Устаткування і реактиви: мідна і цинкова пластини, приєднані до провідників, мідна та цинкова пластини, з'єднані провідниками з мідними пластинами, наждачний папір, вольтметр, 3 хімічних склянки на 200-250 мл, Мірний циліндр, штатив із закріпленою в ньому U - подібною трубкою, сольовий міст, 0,1 М розчини сульфату міді, сульфату цинку, сульфату натрію, 0,1 % розчин фенолфталеїну в 50% етиловому спирті.

теоретичні пояснення

Гальванічний елемент - це хімічне джерело струму, тобто пристрій, що виробляє електричну енергію в результаті прямого перетворення хімічної енергії окисно-відновної реакції.

Електричний струм (направлений рух заряджених частинок) передається по провідникам струму, які поділяються на провідники першого і другого роду.

Провідники першого роду проводять електричний струм своїми електронами (електронні провідники). До них відносяться всі метали і їх сплави, графіт, вугілля, а також деякі тверді оксиди. Питома електропровідність цих провідників знаходиться в межах від 10 2 до 10 6 Ом -1 см -1 (наприклад, вугілля - 200 Ом -1 см -1, срібло 6 10 5 Ом -1 см -1).

Провідники другого роду проводять електричний струм своїми іонами (іонні провідники). Вони характеризуються низькою електропровідністю (наприклад, Н 2 О - 4 10 -8 Ом -1 см -1).

При поєднанні провідників першого і другого роду утворюється електрод. Це найчастіше метал, опущений в розчин власної солі.

При зануренні металевої пластинки в воду атоми металу, що знаходяться в його поверхневому шарі, під дією полярних молекул води гидратируются. В результаті гідратації і теплового руху зв'язок їх з кристалічною решіткою послаблюється і деяку кількість атомів, переходить у вигляді гідратованих іонів в шар рідини, що прилягає до поверхні металу. Металева пластинка заряджається при цьому негативно:

Ме + m Н 2 О \u003d Ме n + n Н 2 О + ne -

де ме- атом металу; Ме n + n Н 2 О- гідратований іон металу; e - - електрон, n- заряд іона металу.

Стан рівноваги залежить від активності металу і від концентрації його іонів в розчині. У разі активних металів ( Zn, Fe, Cd, Ni) взаємодія з полярними молекулами води закінчується відривом від поверхні позитивних іонів металу і переходом гідратованих іонів в розчин (рис. 1 а). Цей процес є окислювальним. У міру збільшення концентрації катіонів у поверхні зростає швидкість зворотного процесу - відновлення іонів металу. В кінцевому підсумку швидкості обох процесів вирівнюються, встановлюється рівновага, при якому на кордоні розчин-метал виникає подвійний електричний шар з певним значенням потенціалу металу.

+ + + +

– – – –

‌

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

+ + + – – –

Мал. 1. Схема виникнення електродного потенціалу

При зануренні металу не в воду, а в розчин солі цього металу рівновагу зміщується вліво, тобто в сторону переходу іонів з розчину на поверхню металу. При цьому встановлюється нова рівновага вже при іншому значенні потенціалу металу.

Для неактивних металів рівноважна концентрація іонів металу в чистій воді дуже мала. Якщо такий метал занурити в розчин його солі, то катіони металу будуть виділятися з розчину з більшою швидкістю, ніж швидкість переходу іонів з металу в розчин. В цьому випадку поверхню металу отримає позитивний заряд, а розчин - негативний через надлишок аніонів солі (рис. 1. б).

Таким чином, при зануренні металу в воду або в розчин, що містить іони даного металу, на поверхні розділу фаз метал-розчин утворюється подвійний електричний шар, що володіє певною різницею потенціалів. Потенціал електрода залежить від природи металу, концентрації його іонів в розчині і температури.

Абсолютне значення електродного потенціалу j окремого електрода експериментально визначити не можна. Однак можна виміряти різницю потенціалів двох хімічно різних електродів.

Домовилися приймати потенціал стандартного водневого електрода дорівнює нулю. Стандартний водневий електрод являє собою платинову пластинку, покриту губчастої платиною, занурену в розчин кислоти з активністю іонів водню, що дорівнює 1 моль / л. Електрод омивається газоподібним воднем при тиску 1 атм. і температурі 298 К. При цьому встановлюється рівновага:

2 Н + + 2 е \u003d Н 2

За стандартний потенціал j 0даного металевого електрода приймається ЕРСгальванічного елемента, складеного з стандартного водневого електрода і пластинки металу, вміщеній в розчин солі цього металу, причому активність (в розведених розчинах можна використовувати концентрацію) катіонів металу в розчині повинна бути дорівнює 1 моль / л; Т \u003d 298 К; р \u003d 1 атм. (Стандартні умови). Значення стандартного електродного потенціалу завжди відносять до полуреакции відновлення:

Me n + + n e - → Me

Маючи в своєму розпорядженні метали в порядку зростання величини їх стандартних електродних потенціалів j 0,відповідають полуреакции відновлення, отримують ряд напруг металів (ряд стандартних електродних потенціалів). В цей же ряд поміщають електродний потенціал системи, що приймається за нуль:

Н + + 2е - → Н 2

Залежність електродного потенціалу металу jвід температури і концентрації (активності) визначається рівнянням Нернста, яке стосовно до системи:

Me n + + n e -→Me

Можна записати в наступному вигляді:

де - стандартний електродний потенціал, В;

R - газова постійна, ;

F -постійна Фарадея ( »96500 Кл / моль);

n -число електронів, що беруть участь в процесі;

а Ме n + -активність іонів металу в розчині, моль / л.

беручи значення Т=298К,отримаємо

причому активність в розведених розчинах можна замінити концентрацією іонів, вираженої в моль / л.

ЕРС будь-якого гальванічного елемента можна визначити як різницю електродних потенціалів катода і анода:

ЕРС \u003d j катода -j анода

Негативний полюс елемента називають анодом, на ньому йде процес окислення:

Ме - ne - → Me n +

Позитивний полюс називають катодом, на ньому йде процес відновлення:

Me n + + ne - → Ме

Гальванічний елемент можна записати схематично, при цьому дотримуються певних правил:

1. Електрод зліва повинен бути записаний в послідовності метал - іон. Електрод праворуч записується в послідовності іон - метал. (-) Zn / Zn 2+ // Cu 2+ / Cu (+)

2. Реакція, що протікає на лівому електроді, записується як окислювальна, а реакція на правому електроді - як відновна.

3. Якщо ЕРС елемента\u003e 0, то робота гальванічного елемента буде мимовільно. якщо ЕРС< 0, то самопроизвольно будет работать обратный гальванический элемент.

Методика проведення досвіду

досвід 1: Складання мідно-цинкового гальванічного елемента

Отримайте у лаборанта необхідне обладнання і реактиви. В хімічний стакан об'ємом 200 мл налийте 100 мл 0,1 М розчину сульфату міді (II) і опустіть в нього мідну пластинку, поєднану з провідником. У другій склянку налийте такий же обсяг 0,1 Мрозчину сульфату цинку і опустіть в нього цинкову пластину, з'єднану з провідником. Пластини повинні бути попередньо зачищені наждачним папером. Отримайте у лаборанта сольовий міст і з'єднайте їм два електроліту. Сольовий міст являє собою наповнену гелем (агар-агаром) скляну трубку, обидва кінці якої закриті ватним тампоном. Міст витримують в насиченому водному розчині сульфату натрію, в результаті чого відбувається набухання гелю, у нього проявляється іонна провідність.

За допомогою викладача приєднаєте вольтметр до полюсів утворився гальванічного елемента і виміряйте напругу (якщо вимір проводити вольтметром з невеликим опором, то різниця між величиною ЕРСі напруги невелика). Використовуючи рівняння Нернста, розрахуйте теоретичне значення ЕРС гальванічного елемента. напруга менше ЕРС гальванічного елемента через поляризації електродів і омічних втрат.

досвід 2: Електроліз розчину сульфату натрію

Під час експерименту за рахунок електричної енергії, що виробляється гальванічним елементом, пропонується провести електроліз сульфату натрію. Для цього в U - образну трубку налийте розчин сульфату натрію і в обидва коліна її помістіть мідні пластини, зачищені наждачним папером і з'єднані з мідним і цинковим електродами гальванічного елемента, як це показано на рис. 2. У кожне коліно U-подібної трубки додайте по 2-3 краплі фенолфталеїну. Через деякий час в катодного просторі електролізера спостерігається забарвлення розчину в рожевий колір за рахунок утворення лугу при катодному відновленні води. Це свідчить про те, що гальванічний елемент працює як джерело струму.

Складіть рівняння процесів, що протікають на катоді і на аноді при електролізі водного розчину сульфату натрію.

(-) КАТОД АНОД (+)

сольовий міст

→ Zn 2+ Cu 2+→

ZnSO 4 Cu SO 4

АНОД (-) КАТОД (+)

Zn - 2 e - → Zn 2+ Сu 2+ + 2e - → Cu

окислення відновлення

12.3 Необхідний рівень підготовки студентів

1. Знати поняття: провідники першого і другого роду, діелектрики, електрод, гальванічний елемент, анод і катод гальванічного елемента, електродний потенціал, електродний потенціал. ЕРСгальванічного елемента.

2. Мати уявлення про причини виникнення електродних потенціалів і методах їх вимірювання.

3. Мати уявлення про принципи роботи гальванічного елемента.

4. Вміти використовувати рівняння Нернста для розрахунку електроднихпотенціалів.

5. Вміти записувати схеми гальванічних елементів, вміти обчислювати ЕРСгальванічних елементів.

Завдання для самоконтролю

1. Охарактеризуйте провідники і діелектрики.

2. Чому в гальванічному елементі анод має негативний заряд, а в електролізері позитивний?

3. У чому відмінність і схожість катодів в електролізері та гальванічному елементі?

4. магнієвий пластинку опустили в розчин її солі. При цьому електродний потенціал магнію виявився рівним -2,41 В. Обчисліть концентрацію іонів магнію в моль / л. (4,17х10 -2).

5. При якій концентрації іонів Zn 2+ (моль / л) потенціал цинкового електрода стане на 0,015 В менше його стандартного електродного? (0,3 моль / л)

6. Нікелевий і кобальтові електроди опущені відповідно в розчини Ni (NO 3) 2 і Co (NO 3) 2. В якому співвідношенні повинна бути концентрація іонів цих металів, щоб потенціали обох електродів були однакові? (C Ni 2+: C Co 2+ \u003d 1: 0,117).

7. При якій концентрації іонів Cu 2+ в моль / л значення потенціалу мідного електрода стає рівним стандартному потенціалу водневого електрода? (1,89x 10 -6 моль / л).

8. Складіть схему, напишіть електронні рівняння електродних процесів і обчисліть ЕРС гальванічного елемента складається з пластин кадмію і магнію, опущених в розчини своїх солей з концентрацією \u003d \u003d 1.0 моль / л. Чи зміниться величина ЕРС, Якщо концентрацію кожного з іонів знизити до 0,01 моль / л? (2,244 В).

Лабораторна робота №13

У підручниках хімії при викладі теми «Кислоти» в тому чи іншому вигляді згадується так званий витіснювальний ряд металів, складання якого часто приписується Бекетову.

Наприклад, в найпоширенішому колись підручнику для 8-го класу Г. Е. Рудзітіс і Ф. Г. Фельдмана (з 1989 по 1995 р він був виданий загальним тиражем 8,3 млн примірників), говориться наступне. На досвіді легко переконатися, що магній швидко реагує з кислотами (на прикладі соляної кислоти), трохи повільніше - цинк, ще повільніше - залізо, а мідь з соляною кислотою не реагує. «Аналогічні досліди були виконані російським ученим Н. Н. Бекетовим, - пишуть далі автори підручника. - На основі дослідів він склав витіснювальний ряд металів: K, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au. У цьому ряду все метали, які стоять до водню, здатні витісняти його з кислот ». Повідомляється також, що Бекетов - «основоположник фізичної хімії. У 1863 р склав витіснювальний ряд металів, який називається по імені вченого ». Далі учням повідомляють, що в ряду Бекетова метали, що стоять лівіше, витісняють метали, що стоять правіше, з розчинів їх солей. Виняток становлять найактивніші метали. Аналогічні відомості можна знайти і в інших шкільних підручниках і посібниках, наприклад: «Російський хімік Н. Н. Бекетов досліджував всі метали і розташував їх по хімічній активності в витіснювальний ряд (ряд активності)» і т. П.

Тут може виникнути кілька запитань.

Питання перше. Невже до дослідів Бекетова (т. Е. До 1863 р) хіміки не знали, що магній, цинк, залізо і ряд інших металів реагують з кислотами з виділенням водню, а мідь, ртуть, срібло, платина і золото цієї властивості не мають?

Питання друге. Невже хіміки до Бекетова не помічали, що одні метали можуть витісняти інші з розчинів їх солей?

Питання третє. У книзі В. А. Волкова, Є. В. Вонскій, Г. І. Кузнєцова «Видатні хіміки світу. Біографічний довідник »(М .: вища школа, 1991) сказано, що Микола Миколайович Бекетов (1827-1911) - «російський физикохимик, академік ... один з основоположників фізичної хімії ... Досліджував поведінку органічних кислот при високих температурах. Синтезував (1852 г.) бензуреід і ацетуреід. Висунув (1865) ряд теоретичних положень про залежність напрямку реакцій від стану реагентів і зовнішніх умов ... Визначив теплоти утворення оксидів і хлоридів лужних металів, вперше отримав (1870 г.) безводні оксиди лужних металів. Використовуючи здатність алюмінію відновлювати метали з їх оксидів, заклав основи алюминотермии ... Президент Російського фізико-хімічного товариства .... ». І ні слова про складання ним витіснювальний ряду, який перебуває (на відміну, наприклад, від уреідов - похідних сечовини) в шкільні підручники, Видані багатомільйонними тиражами!

Навряд чи слід засуджувати авторів біографічного довідника в забутті важливого відкриття російського вченого: адже і Д. І. Менделєєв, якого аж ніяк не можна дорікнути в непатріотизмі, в своєму класичному підручнику «Основи хімії» теж ні разу не згадує витіснювальний ряду Бекетова, хоча 15 разів посилається на різні його роботи. Щоб відповісти на всі ці питання, нам доведеться зробити екскурс в історію хімії, розібратися в тому, хто і коли запропонував ряд активності металів, які експерименти провів сам Н. Н. Бекетов і що ж являє собою його витіснювальний ряд.

На перші два питання відповісти можна так. Звичайно, і виділення водню з кислот металами, і різні приклади витіснення ними один одного з солей були відомі задовго до народження Бекетова. Наприклад, в одному з посібників шведського хіміка і мінералога Торнберна Улофа Бергмана, виданому в 1783 р, рекомендується при аналізі поліметалічних руд витісняти з розчинів свинець і срібло за допомогою залізних пластинок. При проведенні ж розрахунків на вміст заліза в руді слід враховувати ту його частину, яка перейшла в розчин з пластинок. У тому ж керівництві Бергман пише: «Метали можна витіснити з розчинів їх солей іншими металами, при цьому спостерігається деяка послідовність. В ряду цинк, залізо, свинець, олово, мідь, срібло і ртуть цинк витісняє залізо і т. Д. ». І, звичайно, не Бергман вперше виявив ці реакції: подібні спостереження сягають ще до алхімічних часів. Найвідоміший приклад такої реакції використовували в середні віки шарлатани, публічно демонстрували «перетворення» залізного цвяха в червоне «золото», коли опускали цвях в розчин мідного купоросу. Зараз цю реакцію демонструють на уроках хімії в школі. У чому ж полягає сутність нової теорії Бекетова? До появи хімічної термодинаміки протікання реакції в тому чи іншому напрямку хіміки пояснювали поняттям спорідненості одних тіл до інших. Той же Бергман, грунтуючись на відомих реакціях витіснення, розвивав з 1775 р теорію виборчої спорідненості. Відповідно до цієї теорії, хімічна спорідненість між двома речовинами при даних умовах залишається постійним і не залежить від відносних мас реагуючих речовин. Тобто якщо тіла А і В стикаються з тілом С, то з'єднуватися з З буде то тіло, яке має до нього бо'льшім спорідненістю. Наприклад, залізо має більшу спорідненість до кисню, ніж ртуть, і тому саме воно буде в першу чергу окислюватися ім. Передбачалося, що напрямок реакції визначається виключно хімічну спорідненість реагуючих тіл, причому реакція йде до кінця. Бергман склав таблиці хімічної спорідненості, якими хіміки користувалися до початку XIX в. У ці таблиці увійшли, зокрема, різні кислоти і підстави.

Майже одночасно з Бергманом французький хімік Клод Луї Бертолле розвивав іншу теорію. Хімічна спорідненість також пов'язувалося з притяганням тіл один до одного, проте висновки робилися інші. За аналогією з законом всесвітнього тяжіння Бертолле вважав, що і в хімії тяжіння повинно залежати від маси реагуючих тел. Тому хід реакції і її результат залежать не тільки від хімічної спорідненості реагентів, але і від їх кількості. Наприклад, якщо тіла А і В можуть реагувати з С, то тіло З розподілиться між А і В на їхню спорідненість і масам і жодна реакція не дійде до кінця, так як настане рівновагу, коли одночасно співіснують АС, ВС і вільні А і В . Дуже важливо, що розподіл з між А і в може змінюватися в залежності від надлишку А чи В. Тому при великому надлишку тіло з малим спорідненістю може майже повністю «відібрати» тіло з від свого «суперника». Але якщо один з продуктів реакції (АС або ВС) віддаляється, то реакція пройде до кінця і утворюється тільки той продукт, який йде зі сфери дії.

Свої висновки Бертолле зробив, спостерігаючи за процесами випадання опадів з розчинів. Ці висновки звучать напрочуд сучасно, якщо не брати до уваги застарілої термінології. Однак теорія Бертолле була якісною, вона не давала способів виміряти величини спорідненості.

Подальші успіхи теорії були засновані на відкриттях в області електрики. Італійський фізик Алессандро Вольта в кінці XVIII в. показав, що при зіткненні різних металів виникає електричний заряд. Проводячи досліди з різними парами металів і визначаючи знак і величину заряду одних металів по відношенню до інших, Вольта встановив ряд напруг: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. Використовуючи пари різних металів, Вольта сконструював гальванічний елемент, сила якого була тим більше, чим далі відстояли один від одного члени цього ряду. Причина цього в ті роки була невідома. Правда, ще в 1797 р німецький вчений Йоганн Вільгельм Ріттер передбачив, що в ряді напруг метали повинні стояти в порядку зменшення їх здатності з'єднуватися з киснем. У разі цинку і золота цей висновок не викликав сумнівів; що ж стосується інших металів, то треба зазначити, що їх чистота була не дуже висока, тому ряд Вольти не завжди відповідає сучасному.

Теоретичні погляди на природу відбуваються при цьому були досить смутними і часто суперечливими. Знаменитий шведський хімік Йенс Якоб Берцеліус в початку XIX в. створив електрохімічний (або ж дуалістичну, від лат . dualis - «подвійний») теорію хімічних сполук. Відповідно до цієї теорії, передбачалося, що кожне хімічна сполука складається з двох частин - позитивно і негативно заряджених. У 1811 р Берцеліус, виходячи з хімічних властивостей відомих йому елементів, розташував їх у ряд так, що кожен член в ньому був електронегативним по відношенню до попереднього і електропозитивні по відношенню до чого. В скороченому варіанті до електронегативним елементам були віднесені наступні (в низхідному порядку):

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

Потім слідував перехідний елемент - водень, а за ним - електропозитивні елементи (в порядку збільшення цієї властивості):

Au, Pt, Hg, Ag, Cu, Bi, Sn, Pb, Cd, Co, Ni, Fe, Zn, Mn, Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K.

Цей ряд, якщо переписати все метали в зворотному порядку, вельми близький до сучасного. Деякі відмінності в порядку розташування металів в цьому ряду пояснюються, ймовірно, недостатнім очищенням речовин за часів Берцеліуса, а також деякими іншими властивостями металів, якими керувався Берцеліус. За Берцелиусу, чим далі відстоять елементи один від одного в цьому ряду, тим більше в них протилежні електричні заряди і тим міцніші хімічні сполуки вони один з одним утворюють.

Теорія дуалізму Берцеліуса в середині XIX в. була панівною. Її неспроможність показали засновники термохіміі французький вчений Марселен Бертло і датський дослідник Юліус Томсен. Вони вимірювали хімічна спорідненість роботою, яку може зробити хімічна реакція. На практиці її вимірювали по тепловому ефекту реакції. Ці роботи привели до створення хімічної термодинаміки - науки, яка по дозволяла, зокрема, розраховувати положення рівноваги в реагує системі, в тому числі рівновагу в електро хімічних процесах. теоретичну основу ряду активності (і ряду напруг) в розчинах заклав в наприкінці XIX в. німецький физикохимик Вальтер Нернст. замість якісної характеристики - спорідненості або здатності металу і його іона до тих чи інших реакцій - з'явилася точна кількісна величина, що характеризує здатність кожного металу переходити в розчин у вигляді іонів, а також відновлюватися з іонів до металу на електроді. Такий величиною є електродний потенціал металу, а відповідний ряд, збудований в порядку зміни потенціалів, називається рядом стандартних електродних потенціалів. (Стандартне стан передбачає, що концентрація іонів в розчині дорівнює 1 моль / л, а тиск газів дорівнює 1 атм; найчастіше стандартне стан розраховують для температури 25 ° С.)

Стандартні потенціали найбільш активних лужних металів були розраховані теоретично, оскільки виміряти їх експериментально в водних розчинах неможливо. Для розрахунку потенціалів металів при різних концентраціях їх іонів (т. Е. В нестандартних станах) використовують рівняння Нернста. Електродні потенціали визначені не тільки для металів, але і для безлічі окислювально-відновних реакцій за участю як катіонів, так і аніонів. Це дозволяє теоретично передбачати можливість протікання різноманітних окисно-відновних реакцій в різних умовах. Слід зазначити також, що в наведених розчинах потенціали металів будуть іншими, так що послідовність металів в ряду може помітно змінитися. Наприклад, у водних розчинах потенціал мідного електрода позитивний (+0,24 В) і мідь розташована правіше водню. У розчині ж ацетонітрилу СН3СN потенціал міді негативний (-0,28 В), т. Е. Мідь розташована лівіше водню. Тому в цьому розчиннику йде така реакція: Cu + 2HCl \u003d CuCl2 + H2.

Тепер настав час, щоб відповісти на третє питання і з'ясувати, що ж саме вивчив Бекетов і до яких висновків він прийшов.

Один з найвизначніших російських хіміків Н. Н. Бекетов після закінчення (в 1848 р) Казанського університету працював деякий час в Медико-хірургічної академії в лабораторії Н. Н. Вініна, потім в Петербурзькому університеті, а з 1855 по 1886 г. - в Харківському університеті. Незабаром після отримання в 1857 р університетської кафедри хімії Бекетов відправився на рік за кордон «з призначенням понад одержуваного змісту тисячі рублів на рік» - на ті часи це була велика сума. Під час перебування в Парижі він опублікував (на французькою мовою) Результати своїх виконаних раніше в Росії досліджень про витіснення деяких металів з розчинів воднем і про відновний дії парів цинку. На засіданні Паризького хімічного суспільства Бекетов доповів роботу про відновлення SiCl4 і BF3 воднем. Це були перші ланки в ланцюзі досліджень, присвячених витіснення одних елементів іншими, які Бекетов почав в 1856-м і закінчив в 1865 р

Уже за кордоном Бекетов звернув на себе увагу. Досить процитувати слова Д. І. Менделєєва, з яким Бекетов зустрівся в Німеччині: «З російських хіміків за кордоном я дізнався Бекетова ... Савича, Сеченова. Це все ... такі люди, які роблять честь Росії, люди, з якими радий-радехонек, що зійшовся ».

У 1865 р в Харкові була видана дисертація Бекетова «Дослідження над явищами витіснення одних елементів іншими». Ця робота була перевидана в Харкові в 1904 р (в збірнику «У пам'ять 50-річчя вченого діяльності Н. Н. Бекетова») і в 1955 р (в збірнику «Н. Н. Бекетов. Вибрані твори з фізичної хімії») .

Ознайомимося з цією працею Бекетова більш докладно. Він складається з двох частин. У першій частині (в ній шість розділів) досить докладно викладаються результати експериментів автора. Перші три розділи присвячені дії водню на розчини солей срібла і ртуті при різних тисках. Бекетову здавалося надзвичайно важливої \u200b\u200bзавдання з'ясування місця водню в ряду металів, а також залежність напрямку реакції від зовнішніх умов - тиску, температури, концентрації реагентів. Він проводив досліди як в розчинах, так і з сухими речовинами. Хімікам було добре відомо, що водень легко витісняє деякі метали з їх оксидів при високих температурах, але неактивний при низьких температурах. Бекетов з'ясував, що активність водню збільшується з підвищенням тиску, що він пов'язав з «більшою густиною» реагенту (зараз сказали б - з більш високим тиском, т. Е. Концентрацією газу).

Вивчаючи можливість витіснення металів воднем з розчинів, Бекетов поставив ряд досить ризикованих експериментів. Вперше в історії хімії Бекетов застосував тиску, що перевищують 100 атм. Досліди він проводив в темряві, в запаяних скляних трубках з декількома вигинами (колінами). В одне коліно він поміщав розчин солі, в інше - кислоту, а в кінець трубки - металевий цинк. Нахиляючи трубку, Бекетов змушував цинк падати в кислоту, узяту в надлишку. Знаючи масу розчиненого цинку і обсяг трубки, можна було оцінити досягається тиск водню. У деяких дослідах Бекетов уточнив тиск за ступенем стиснення повітря рідиною в тонкому капілярі, припаяти до трубки. Розтин трубки завжди супроводжувалося вибухом. В одному з дослідів, в якому тиск досягало 110 атм, вибух при розтині трубки (воно проводилося в воді під перекинутою циліндром) вщент розбив товстостінний циліндр, обсяг якого в тисячу разів перевищував обсяг трубки з реагентами.

Досліди показали, що дія водню залежить не тільки від його тиску, але і від «фортеці металевого розчину», т. Е. Від його концентрації. Відновлення срібла з аміачного розчину AgCl починається ще до повного розчинення цинку при тиску близько 10 атм - прозорий розчин буріє (спочатку на кордоні з газом, потім по всій масі), а через кілька днів на стінках осідає сірий порошок срібла. При атмосферному тиску реакція не спостерігалася. Відновлювалося срібло також з нітрату і сульфату, а на ацетат срібла водень діяв і при атмосферному тиску. З солей ртуті при високому тиску виділялися кульки металу, а ось нітрати міді і свинцю відновити не вдалося навіть при високому тиску водню. Відновлення міді спостерігалося тільки в присутності срібла і платини при тиску до 100 атм. Платину Бекетов використовував для прискорення процесу, т. Е. Як каталізатор. Він писав, що платина більш сприяє витісненню деяких металів, ніж тиск, так як водень на поверхні платини «піддається більшому тяжінню і повинен мати найбільшу щільність». Зараз ми знаємо, що адсорбований на платині водень активується за рахунок його хімічної взаємодії з атомами металу.

У четвертому розділі першої частини Бекетов описує досліди з вуглекислим газом. Він вивчав його дію на розчини ацетату кальцію при різних тисках; виявив, що зворотна реакція - розчинення мармуру в оцтової кислоти при певному тиску газу припиняється навіть при надлишку кислоти.

В останніх розділах експериментальної частини Бекетов описав дію парів цинку при високій температурі на з'єднання барію, кремнію, алюмінію (останній елемент він називає глинием, як це було прийнято в ті роки). Відновлюючи цинком тетрахлорид кремнію, Бекетов вперше отримав досить чистий кристалічний кремній. Він встановив також, що магній відновлює алюміній з кріоліту (фтороалюмінати натрію «власного приготування») і кремній з його діоксиду. У цих дослідах була також встановлена \u200b\u200bздатність алюмінію відновлювати барій з оксиду і калій - з гідроксиду. Так, після прожарювання алюмінію з безводним оксидом барію (з невеликою добавкою хлориду барію для зниження температури плавлення) утворився сплав, що складається за результатами аналізу, на 33,3% з барію, решта - алюміній. У той же час багатогодинне прожарювання алюмінію з розтертим в порошок хлоридом барію не привело до жодних змін.

Не зовсім звичайна реакція алюмінію з КОН проводилася в зігнутому рушничному стовбурі, в закритий кінець якого містилися шматки КОН і алюміній. При сильному прожарюванні цього кінця з'являлися пари калію, які конденсировались в холодній частині стовбура, «звідки здобуті кілька шматочків м'якого металу, що горить фіолетовим полум'ям». Пізніше подібним чином були виділені рубідій і цезій.

Друга частина праці Бекетова присвячена теорії витіснення одних елементів іншими. У цій частині Бекетов спочатку проаналізував численні експериментальні дані - як власні, так і проведені іншими дослідниками, в тому числі Бреславський професором Фішером, а також Деві, ГейЛюссаком, Берцелиусом, Велером. Особливо відзначені «кілька цікавих фактів осадження металів мокрим шляхом », виявлених англійським хіміком Вільямом Одлінгом. При цьому випадки витіснення одних елементів іншими «мокрим шляхом», т. Е. В розчинах, і «сухим шляхом», т. Е. При прожаренні реагентів, Бекетов розглядає спільно. Це було логічно, так як неможливо експериментально провести реакції у водних раст злодіїв за участю лужних і лужноземельних металів, по скільки вони активно реагують з водою.

Потім Бекетов викладає свою теорію, покликану пояснити різну активність елементів. Розташувавши всі метали в ряд по їх питомій вазі (т. Е. По щільності), Бекетов виявив, що він досить добре узгоджується з відомим витіснювальний поруч. «Отже, - робить висновок Бекетов, - место металла ... в витіснювальному ряді може бути досить чітко визначено і, так би мовити, заздалегідь передбачене його питомою вагою». Певна невизначеність спостерігається тільки між «сусідніми по питомій вазі металами». Так, калій - зазвичай «більш енергійний» елемент і, наприклад, витісняє натрій з NaCl при прожаренні, хоча калій і більш летючий. Однак відомі й зворотні процеси: наприклад, натрій може витісняти калій з його гідроксиду і ацетату. «Що стосується ставлення першої лужної групи до другої і відносини металів другої групи між собою, то вони ще мало досліджені», - пише Бекетов.

Бекетов зустрівся і з більш серйозними труднощами. Наприклад, йому вдалося відновити цинк алюмінієм з розчину ZnCl2 і не вдалося - з розчину ZnSO4. Крім того, алюміній «абсолютно не відновлював з розчинів залізо, нікель, кобальт, кадмій». Бекетов пояснив це тим, що алюміній «діє переважно на воду», і припускав, що ці реакції повинні піти в відсутність води, - «сухим шляхом». Дійсно, в подальшому Бекетов виявив такі реакції і фактично відкрив алюминотермии.

Інше ускладнення полягало в тому, що деякі метали випадали з правила питомих ваг. Так, мідь (щільність 8,9) в ряду активності розташована не до, а після свинцю (щільність 11,4 - значення щільності у Бекетова трохи відрізняються від сучасних). Така «аномалія» змусила Бекетова спробувати все ж витіснити більш активний свинець менш активною міддю. Він поміщав мідні пластинки в гарячі насичені розчини хлориду свинцю - нейтральні і кислі, в аміачний розчин оксиду свинцю, нагрівав мідь з сухими оксидом і хлоридом свинцю. Всі досліди були невдалі, і Бекетов був змушений визнати «відступ від загального правила». Інші «аномалії» стосувалися срібла (щільність 10,5) і свинцю, а також срібла та ртуті (щільність 13,5), оскільки і свинець, і ртуть відновлюють «більш легке» срібло з розчинів його солей. Аномалію з ртуттю Бекетов пояснив тим, що цей метал рідкий і тому його активність вище, ніж випливає з правила питомих ваг.

Бекетов поширив свій правило і на неметали. Наприклад, в ряду хлор (щільність рідкого хлору 1,33), бром (щільність 2,86), йод (щільність 4,54) самий легкий елемент одночасно і найактивніший (фтор був отриманий Муассаном тільки 20 років по тому). Те ж спостерігається і в ряду O, S, Se, Te: кисень - найактивніший і досить легко витісняє інші елементи з їх з'єднань з воднем або з лужним металом.

Бекетов пояснив своє правило за аналогією з механікою: питома вага пов'язаний з масою частинок (т. Е. Атомів) і з відстанню між ними в простому речовині. Знаючи щільності металів і їх відносні атомні маси, можна розрахувати відносні відстані між атомами. Чим більше відстань між ними, тим легше, по Бекетову, атоми роз'єднуються в хімічних процесах. З цим же пов'язане і взаємне «спорідненість» різних елементів, і здатність витісняти один одного із з'єднань. Розрахувавши відносне відстань між атомами в різних металах і прийнявши за еталон калій, Бекетов отримав наступні значення: K - 100, Na - 80, Ca - 65, Mg - 53, Al - 43 і т. Д. Аж до платини.

подальше короткий виклад теорії Бекетова, що стосується відносної міцності хімічних сполук (а саме з цим пов'язана здатність одних елементів витісняти інші), можна знайти в підручнику Д. І. Менделєєва «Основи хімії» (цитується за виданням 1947 року з використанням сучасної термінології): «... Професор Н. Н. Бекетов в творі "Дослідження над явищами витіснення" (Харків, 1865), запропонував особливу гіпотезу, яку ми викладемо майже словами автора.

Для алюмінію оксид Al2O3 міцніше галогенідів AlCl3 і AlI3. В оксиді співвідношення Al: O \u003d 112: 100, для хлориду Al: Cl \u003d 25: 100, для йодиду Al: I \u003d 7: 100. Для срібла оксид Ag2O (співвідношення 1350: 100) менш міцний, ніж хлорид (Ag: Cl \u003d \u003d 100: 33), а йодид найбільш міцний (Ag: I \u003d 85: 100). З цих та подібних їм прикладів видно, що найбільш міцні ті сполуки, у яких маси з'єднуються елементів стають майже однаковими. Тому існує прагнення великих мас з'єднуватися з великими, а малих - з малими, наприклад: Ag2O + 2KI дають K2O + 2AgI. З тієї ж причини при підвищених температурах розкладаються Ag2O, HgO, Au2O3 і тому подібні оксиди, складені з нерівних мас, тоді як оксиди легких металів, а також вода розкладаються не так легко. Самі термостійкі оксиди - MgO, CaO, SiO2, Al2O3 наближаються до умови рівності мас. З тієї ж причини HI розкладається легше, ніж HCl. Хлор не діє на MgO і Al2O3, але діє на CaO, Ag2O і т. П.

Для розуміння істинних відносин спорідненості, - робить висновок Менделєєв, - ще далеко недостатньо і тих доповнень до механічної теорії хімічних явищ, які дає Бекетов. Проте в його способі пояснення відносної міцності багатьох з'єднань видно вельми цікава постановка питань першорядної важливості. Без подібних спроб неможливо обійняти складні предмети досвідчених знань ».

Отже, не применшуючи заслуг чудового хіміка, слід визнати, що, хоча теорія Н. Н. Бекетова відіграла помітну роль у розвитку теоретичної хімії, приписувати йому встановлення відносної активності металів в реакції витіснення водню з кислот і відповідного ряду активності металів не слід: його механічна теорія хімічних явищ залишилася в історії хімії як один з численних її етапів.

Чому ж в деяких книгах Бекетову приписують те, що він не відкривав? Ця традиція, як і багато інших, з'явилася, ймовірно, в кінці 40-х - початку 50-х рр. ХХ ст., Коли в СРСР лютувала кампанія боротьби з «підлабузництвом перед Заходом», а все більш-менш помітні відкриття в науці автори просто зобов'язані були приписувати виключно вітчизняним ученим, і навіть цитування зарубіжних авторів вважалося крамолою (саме в ті роки народився жарт про тому, що «Росія - батьківщина слонів»). Наприклад, М. В. Ломоносову приписували відкриття закону збереження енергії, який був відкритий тільки в середині XIX століття. Ось конкретний приклад викладу історії науки тих часів. У книзі Володимира Орлова «Про сміливу думку» (М .: Молода гвардія, 1953) винаходи в області електрики описуються такими словами: «Іноземці розорили колиска електричного світла ... Чудове російський винахід викрали американці ... Едісон в Америці жадібно взявся удосконалити російський винахід ... Зарубіжні вчені калічать електричну лампу, створену генієм російських людей ... Американські імперіалісти зганьбили електрику ... Слідом за ними югославські фашисти зганьбили електричне світло ... »- і т. д. і т. п. Окремі відгомони тих недоброї пам'яті часів, мабуть, і залишилися в деяких підручниках, і від них слід позбавлятися. Як казав один з істориків хімії, «Ломоносов досить великий, щоб не приписувати йому чужі відкриття».

«Свіча горіла ...»

Явища, що спостерігаються при горінні свічки, такі, що немає жодного закону природи, який при цьому не був би так чи інакше торкнуться.

Майкл Фарадей. Історія свічки

Ця розповідь присвячений «експериментальному розслідування». Головне в хімії - експеримент. У лабораторіях всього світу поставили і продовжують ставити мільйони різноманітних експериментів, однак вкрай рідко професійний дослідник робить це так, як деякі юні хіміки: а раптом вийде щось цікаве? Найчастіше у дослідника є чітко сформульована гіпотеза, яку він прагне або підтвердити, або спростувати експериментально. Але ось досвід закінчений, результат отримано. Якщо з гіпотезою він не узгоджується, значить, вона невірна (звичайно, якщо експеримент поставлений грамотно і він кілька разів відтворюється). А якщо узгоджується? Чи означає це, що гіпотеза вірна і її пора переводити в категорію теорії? Початківець дослідник часом так і вважає, але досвідчений з висновками не поспішає, а перш за міцно думає, чи не можна пояснити отриманий результат як-небудь інакше.

Прикладів того, як подібне «думання» корисно, історія хімії знає тисячі. Наступні три розповіді якраз присвячені тому, як небезпечно буває вважати, що «вдалий» експеримент доводить вірність гіпотези. Іноді на уроках показують такий досвід. У тарілку з водою пускають плавати невеликий дерев'яний або пінопластовий гурток, на якому укріплена палаюча свіча. На гурток зі свічкою опускають перевернуту скляну банку і ставлять її в такому положенні на дно тарілки. Через деякий час свічка гасне, і частина банки заповнюється водою. Цей досвід повинен нібито показати, що лише п'ята частина повітря (кисень) підтримує горіння. Дійсно, на перший погляд схоже, що вода піднялася приблизно на п'яту частину, хоча більш точні вимірювання зазвичай не проводять. На перший погляд досвід простий і досить переконливий: адже кисню в повітрі дійсно 21% за обсягом. Однак з точки зору хімії в ньому не все в порядку. Дійсно, свічки роблять з парафіну, а парафін складається з насичених вуглеводнів складу З n H2 n +2 з 18-35 атомами вуглецю. Рівняння реакції горіння можна в загалом вигляді записати так: З n H2 n +2 + (3 n + 1) / 2 O2 → n CO2 + ( n + 1) H2O. Так як n велике, то коефіцієнт перед киснем дуже близький до 1,5 n (для n \u003d 18 різниця між (3 n + +1) / 2 і 1,5 n складе менше 2%, для n \u003d 30 вона буде ще менше). Таким чином, на 1,5 обсягу витраченого кисню виділяється 1 обсяг СО2. Тому навіть якщо весь кисень з банки (його там 0,21 за обсягом) витратиться, то замість нього після згоряння має виділитися 0,21: 1,5 \u003d 0,14 обсягу вуглекислого газу. Значить, вода зовсім не повинна заповнити п'яту частину банки!

Але чи правильно це міркування? адже вуглекислий газ, Як відомо, добре розчиняється у воді. Може бути, він весь «піде в воду»? Однак процес розчинення цього газу дуже повільний. Це показали спеціальні досліди: чиста вода в перевернуту банку, наповнену СО2, за годину майже не піднімається. Експеримент же зі свічкою триває менше хвилини, тому навіть за умови повного витрачання кисню вода повинна увійти в банку всього на 0,21 - 0,1 \u003d 0,07 її обсягу (близько 7%).

Але і це не все. Виявляється, свічка «спалює» в банку далеко не весь кисень, а лише малу частину його. Аналіз повітря, в якому згасла свічка, показав, що в ньому все ще міститься 16% кисню (цікаво, що приблизно до такого ж рівня знижується вміст кисню в нормальному видиху людини). Значить, вода практично зовсім не повинна заходити в банку! Досвід, однак, показує, що це не так. Як же його пояснити?

Найпростіше припущення: палаюча свіча нагріває повітря, його обсяг збільшується, і частина повітря виходить з банки. Після охолодження повітря в банку (це відбувається досить швидко) тиск в ній знижується, і в банку під дією зовнішнього атмосферного тиску заходить вода. Відповідно до закону ідеальних газів (а повітря в першому наближенні можна вважати ідеальним газом), щоб обсяг повітря збільшився на 1/5, його температура (абсолютна) також повинна збільшитися на 1/5, т. Е. Підвищитися з 293 К (20 ° С) до 1,2 · 293 \u003d 352 К (близько 80 ° С). Не так вже й багато! Нагрівання повітря полум'ям свічки на 60 ° цілком можливий. Залишилося тільки перевірити експериментально, чи виходить повітря з банки під час досвіду.

Перші експерименти, однак, це припущення ніби не підтвердили. Так, в серії дослідів, проведених з широкогорлой банкою об'ємом 0,45 л, не було помітно ніяких ознак «вибульківанія» повітря з-під краю банки. Інша несподіване спостереження: вода в банку, поки горіла свічка, майже не заходила.

І лише після того, як свічка гасла, рівень води в перевернутої банку швидко піднімався. Як це пояснити?

Можна було припустити, що, поки свічка горить, повітря в банку нагрівається, але при цьому збільшується не його обсяг, а тиск, що і перешкоджає засмоктування води. Після припинення горіння повітря в банку остигає, його тиск падає, і вода піднімається вгору. Однак це пояснення не годиться. По-перше, вода - неважка ртуть, яка не дала б повітрю виходити з банки при невеликому збільшенні тиску. (Ртутний затвор використовували колись все фізики та хіміки, які вивчали гази.) Дійсно, вода в 13,6 рази легше ртуті, а висота водяного затвора між краєм банки і рівнем води в тарілці мала. Тому навіть невелике підвищення тиску неминуче викликало б «пробульківаніе» повітря через затвор.

Ще серйозніше друге заперечення. Навіть якщо рівень води в тарілці був би великим і вода не випускала б з банки нагріте повітря, що знаходиться під підвищеним тиском, то після охолодження повітря в банку і його температура, і тиск повернулися б до початкових значень. Так що не було б ніяких причин для повітря заходити в банку.

Загадку вдалося вирішити, тільки змінивши невелику деталь в ході експерименту. Зазвичай банку «надягають» на свічку зверху. Так, може бути, в цьому і криється причина дивної поведінки повітря в банку? Палаюча свічка створює висхідний потік нагрітого повітря, і, коли банку рухається зверху, гаряче повітря витісняє з банки більш холодний ще до того, як край банки торкнеться води. Після цього температура повітря в банку, поки свічка горить, вже мало змінюється, ось повітря і не виходить з неї (а також не заходить всередину). А після припинення горіння і охолодження гарячого повітря в банку тиск в ній помітно знижується, і зовнішнє атмосферний тиск заганяє в банку частину води.

Щоб перевірити це припущення, в декількох дослідах банку «одягали» на свічку не зверху, а збоку, майже торкаючись краєм банки полум'я, після чого швидким рухом вниз ставили банку на дно тарілки. І відразу ж з-під краю банки починали бурхливо виходити бульбашки повітря! Природно, після припинення горіння свічки вода засмоктувалася всередину - приблизно до того ж рівня, що і в попередніх дослідах.

Так що даний досвід зі свічкою ніяк не може ілюструвати склад повітря. Зате він ще раз підтверджує мудрий вислів великого фізика, винесене в епіграф.

Наближаємося до рівноваги ...

Розглянемо ще одне помилкове пояснення експерименту, в якому теж відбувається нагрів газів. Це пояснення проникло і в популярні статті з хімії, і навіть в вузівські підручники. Так, в ряді зарубіжних підручників із загальної хімії описується красивий експеримент, Суть якого ми проілюструємо цитатою з підручника Ноела Уейта «Хімічна кінетика». «Метод релаксації. Метод Ейгена, за який автор був удостоєний в 1967 р Нобелівської премії з хімії, називають релаксаційним методом. Реагує система досягає стану рівноваги при певних умовах. Ці умови (температура, тиск, електричне поле) потім швидко порушують - швидше, ніж зміщується рівновага. Система знову приходить в рівновагу, але тепер вже за нових умов; це називають "релаксувати до нового положення рівноваги". Поки відбувається релаксація, стежать за зміну якогось властивості системи ...

Експеримент, який демонструє явище релаксації.

У деяких випадках стан рівноваги встановлюється настільки повільно в нових умовах, що за зміною концентрації можна простежити за допомогою звичайної лабораторної техніки та спостерігати тим самим явище релаксації. Як приклад розглянемо перехід діоксиду азоту (темно-бурий газ) в димер (безбарвний газ):

Наповніть скляний газовий шприц приблизно 80 см3 газу. Швидко натисніть поршень шприца і стисніть газ до 50-60 см3. Переконайтеся, що забарвлення газу змінилася. Спочатку відбудеться швидке потемніння газу, так як концентрація NО2 зросте, але потім настане повільне посветление, оскільки високий тиск сприяє утворенню N2О4, і рівновагу буде досягнуто при нових зовнішніх умовах ».

У ряді підручників аналогічне опис наводиться, щоб проілюструвати принцип Ле Шательє: при підвищенні тиску газу рівновагу зміщується в бік зменшення числа молекул, в даному випадку - в сторону безбарвного димера N2О4. При цьому текст супроводжується трьома кольоровими фотографіями. На них видно, як відразу після стиснення жовтувато-бура спочатку суміш стає темно-бурого, а на третій фотографії, зробленої через кілька хвилин, газова суміш в шприці помітно світлішає.

Іноді додають, що поршень потрібно натискати якомога швидше, щоб рівновагу за цей час не встигло зрушити.

На перший погляд таке пояснення виглядає дуже переконливо. Однак кількісне розгляд процесів в шприці повністю спростовує всі висновки. Справа в тому, що вказане рівновагу між діоксидом азоту NО2 і його димером (Тетраоксид азоту) N2О4 встановлюється надзвичайно швидко: за мільйонні частки секунди! Тому неможливо стиснути газ в шприці швидше, ніж це рівновага встановиться. Навіть якщо рухати поршень в сталевому «шприці» за допомогою вибуху, рівновагу, швидше за все, встигало б встановитися в міру руху поршня через його інерційності. Як же ще можна пояснити спостережуване в цьому експерименті явище? Звичайно, зменшення обсягу і відповідне підвищення концентрації газів призводить до посилення забарвлення. Але не це головна причина. Кожен, хто накачував ручним насосом велосипедну камеру, знає, що насос (особливо алюмінієвий) сильно нагрівається. Тертя поршня про трубку насоса тут ні до чого - в цьому легко переконатися, зробивши кілька неодружених хитань, коли повітря в насосі не стискується. Нагрівання відбувається в результаті так званого адіабатичного стиснення - коли теплота не встигає розсіятися в навколишньому просторі. Значить, і при стисканні суміші оксидів азоту вона повинна нагріватися. А при нагріванні рівновагу в цій суміші сильно зсувається в бік діоксиду.

Наскільки нагріється суміш при стисненні? У разі стиснення повітря в насосі нагрів легко розрахувати, скориставшись рівнянням адіабати для ідеального газу: TV γ-1 \u003d const, де Т - температура газу (в кельвінах), V - його обсяг, γ \u003d З р / З v - відношення теплоємності газу при постійному тиску до теплоємності при постійному обсязі. Для одноатомних (благородних) газів γ \u003d 1,66, для двоатомних (до них належить і повітря) γ \u003d 1,40, для трьохатомних (наприклад, для NO2) γ \u003d 1,30 і т. Д. Рівняння адіабати для повітря, стискається від обсягу 1 до обсягу 2, можна переписати у вигляді Т 2/ Т 1 = (V 1/ V 2) γ-1. Якщо поршень різко всунути до середини насоса, коли обсяг повітря в ньому зменшиться вдвічі, то для відносини температур до і після стиснення отримаємо рівняння Т 2/ Т 1 \u003d \u003d 20,4 \u003d 1,31. І якщо Т 1 \u003d 293 К (20 ° С), то Т 2 \u003d 294 К (111 ° С)!

Безпосередньо застосувати рівняння ідеальних газів для розрахунку стану суміші оксидів азоту відразу після стиснення не можна, так як в цьому процесі змінюються не тільки обсяг, тиск і температура, а й число молей (співвідношення NO2 N2O4) в ході хімічної реакції. Завдання можна вирішити тільки шляхом чисельного інтегрування диференціального рівняння, Яке враховує, що робота, вироблена в кожен момент рухомим поршнем, витрачається, з одного боку, на нагрів суміші, з іншого - на дисоціацію димера. При цьому передбачається, що відомі енергія дисоціації N2О4, теплоємності обох газів, величина γ для них і залежність положення рівноваги від температури (все це табличні дані). Розрахунок показує, що якщо вихідну суміш газів при атмосферному тиску і кімнатній температурі швидко стиснути до половини обсягу, то суміш нагріється всього на 13 ° С. Якщо стиснути суміш до зменшення обсягу втричі, температура підвищиться вже на 21 ° С. А навіть невелике нагрівання суміші сильно зміщує положення рівноваги в бік дисоціації N2О4.

А далі відбувається просто повільне охолодження газової суміші, що викликає такий же повільний зсув рівноваги в бік N2О4 і ослаблення забарвлення, що і спостерігається в експерименті. Швидкість охолодження залежить від матеріалу стінок шприца, їх товщини та інших умов теплообміну з навколишнім повітрям, наприклад від протягів в кімнаті. Істотно, що при поступовому зсуві рівноваги вправо, в бік N2О4, відбувається димеризація молекул NО2 з виділенням тепла, що зменшує швидкість охолодження суміші (приблизно як замерзання води в великих водоймах на початку зими не дає температурі повітря швидко знижуватися).

Чому ж ніхто з експериментаторів не відчув нагрів шприца, коли всувають поршень? Відповідь дуже проста. Теплоємності газової суміші і скла (в розрахунку на одиницю маси) відрізняються не дуже сильно. Але маса скляного поршня в десятки, а іноді і в сотні разів вище, ніж маса газу. Тому навіть якщо вся теплота остигає газової суміші буде передана стінок шприца, ці стінки нагріються за все на частки градуса.

Розглянута система з рівновагою між двома оксидами азоту має і практичне значення. При невеликому тиску суміш NО2 і N2О4 і легко зріджується. Це дозволяє використовувати її як ефективний теплоносій, незважаючи на її високу хімічну активність і корозійне дію на апаратуру. На відміну від води, яка, приймаючи теплову енергію, Наприклад, від ядерного реактора, сильно нагрівається і навіть може випаруватися, передача теплоти до суміші оксидів азоту призводить в основному не до її нагрівання, а до хімічної реакції - розриву зв'язку N-N в молекулі N2О4. Дійсно, розрив зв'язку N-N в одному молі речовини (92 г) без його нагрівання вимагає витрати 57,4 кДж енергії. Якщо таку енергію передати 92 г води при температурі 20 ° С, то 30,8 кДж піде на нагрівання води до кипіння, а решта 26,6 кДж приведуть до випаровування близько 11 г води! У разі ж оксидів азоту суміш нагрівається не сильно, в більш холодних місцях установки циркулює суміш трохи охолоджується, рівновагу зсувається в бік N2О4, і суміш знову готова відбирати тепло.

Згадайте:

Прості речовини складаються з атомів одного хімічного елемента, Їх поділяють на метали і неметали;

Для металів характерні металевий блиск, електропровідність, пластичність і т. П.

Поняття про ряд активності металів

У багатьох хімічних реакціях беруть участь прості речовини, зокрема метали. Метали можуть взаємодіяти майже з усіма класами неорганічних сполук, Які вивчаються в шкільному курсі хімії. Однак різні метали проявляють різну активність в хімічних взаємодіях, І від цього залежить, чи відбудеться реакція чи ні.

Чим більше активність металу, тим енергійніше він взаємодіє з іншими речовинами. За активністю все метали можна розташувати в ряд, який називається рядом активності металів (витіснювальний поруч металів, поруч напруг металів, електрохімічним рядом напруг металів). Цей ряд вперше склав і вивчив видатний український вчений Н. Н. Бекетов, тому у даного ряду є ще одна назва - ряд Бекетова.

Ряд активності металів Бекетова виглядає так (більш повний ряд см. На форзаці 2):

Російська та українська хімік, засновник української школи фізичної хімії, академік Петербурзької академії наук з 1886 р Народився в сім'ї морського офіцера. Закінчив Казанський університет, працював в Петербурзі в Медико-хімічної лабораторії.

Викладав хімію Цесаревичеві - майбутньому імператору Миколі II. З 1855 р професор імператорського університету в Харкові, де за пропозицією вченого в 1864 було відкрито перше в Україні фізико-хімічних відділення. Саме там вперше в світі він почав викладати фізичну хімію як окрему дисципліну. Бекетов відкрив спосіб відновлення металів з їх оксидів, який і сьогодні використовують в металургії, встановив залежність спорідненості елементів від порядкового номера, першим отримав чисті оксиди лужних елементів (натрію, Калію), склав ряд активності металів, який названий його ім'ям, був автором першого в світі підручника з фізичної хімії.

У цьому ряду метали розташовані по зменшенню їх хімічної активності у водних розчинах. Таким чином, серед наведених металів найбільш активним є калій, а найменш активним - золото. За допомогою цього ряду легко з'ясувати, який метал активніше іншого. Також в цьому ряду знаходиться водень. Звичайно, водень не є металом, але в даному ряду його активність прийнята за точку відліку (свого роду нуль).

Взаємодія металів з кислотами

Метали, розташовані в ряду активності зліва від водню, здатні вступати в реакції з кислотами, в яких атоми металевих елементів заміщають атоми Гідрогену в кислотах. При цьому утворюються сіль відповідної кислоти і водень H 2 (рис. 36.1, с. 194):

Чим лівіше розташований метал в ряду активності, тим більш бурхливо він взаємодіє з кислотами. Найбільш інтенсивно витісняють водень з кислот ті метали, які розташовані на самому початку ряду. Так, магній взаємодіє дуже бурхливо (рідина немов

закипає), цинк взаємодіє значно спокійніше, залізо реагує зовсім слабо (бульбашки водню ледь утворюються), а мідь зовсім не взаємодіє з кислотою (рис. 36.2).

Якщо метал розташований в ряду активності праворуч від водню, то він не здатний витісняти водень із розчинів кислот, і тому реакція не відбувається (табл. 12, с. 197):

Зверніть увагу на рівняння реакцій металів з кислотами, наведені вище: в цих реакціях атоми металевих елементів з простого речовини заміщають атоми Гідрогену в кислотах. Такі реакції називають реакціями заміщення.

Реакції заміщення - це реакції, в яких атом елемента простого речовини витісняє атом іншого елемента зі складного речовини.

Взаємодія нітратної і концентрованої сульфатної кислот з металами відбувається за іншою схемою. У таких реакціях водень майже не виділяється, а виділяються інші продукти реакції, про що ви дізнаєтеся в наступних класах.

Взаємодія металів з водою

Метали, розташовані в ряду активності зліва від водню, здатні витісняти водень не тільки з розчинів кислот, а й з води. Як і у випадку з кислотами, активність взаємодії металів з водою залежить від розташування металу в ряду активності (рис. 36.3).

Метали, розташовані в ряду активності зліва від магнію, взаємодіють з водою при звичайних умовах. У таких реакціях утворюються луги і водень:

Літій взаємодіє з водою дуже бурхливо (рис. 36.4):

Калій реагує з водою так бурхливо, що іноді трапляється вибух: під час реакції виділяється настільки велика кількість теплоти, що виділяється водень загоряється і викликає запалення самого металу.

Кальцій і натрій взаємодіють з водою так само бурхливо, але без вибуху:

Те, що в результаті реакції активних металів з водою утворюються луги, можна довести, додавши розчин фенолфталеїну, який набуває характерну малинове забарвлення (рис. 36.5, с. 196).

Магній взаємодіє з водою за такою ж схемою, що і активні метали, але замість лугу утворюється нерозчинна основа. Реакція протікає настільки повільно, що спочатку при додаванні магнію до води ніякої реакції не спостерігається - бульбашки водню починають виділятися лише через деякий час (рис. 36.6). Для ініціювання реакції воду слід трохи підігріти або проводити реакцію в киплячій воді.

Більшість інших металів, розташованих між магнієм і воднем в ряду активності, також можуть взаємодіяти з водою (витісняти з неї водень), але це відбувається при більш «жорстких» умовах: для цього через розпечені металеві тирса пропускають перегрітий водяну пару. Звичайно, за таких умов гідроксиди розкладаються (на оксид і воду), тому продуктами реакції є оксид відповідного металевого елемента і водень:

Нікель, олово і свинець пасивуються водою, тому ні за яких умов з водою не реагують.

Таблиця 12. Залежність хімічних властивостей металів від положення в ряду активності

K Ca Na Mg	Al Zn Fe	Ni Sn Pb		Cu Ag Hg Au
^ Активність металів збільшується
Реагують з кислотами з утворенням солі і водню				Чи не реагують з кислотами
Реагують з водою при звичайних умовах	Витісняють водень із води при високій температурі, утворюють оксиди	З водою не взаємодіють
З водного розчину солі метал витіснити неможливо	Метал можна отримати витісненням його більш активним металом з розчину солі

Взаємодія металів з солями

Якщо сіль розчинна у воді, то металевий елемент в ній може бути витіснений більш активним металом:

Наприклад, якщо занурити в розчин купрум (П) сульфату залізну пластинку, через певний час на ній виділиться мідь у вигляді червоного нальоту:

Згодом залізна пластинка покривається досить щільним шаром порошку міді, а розчин світлішає, що свідчить про зменшення в ньому концентрації купрум (П) сульфату (рис. 36.7).

Залізо розташоване в ряду активності зліва від міді, тому атоми Феррум можуть витіснити атоми купруму з солі. Але якщо в розчин купрум (П) сульфату занурити срібну пластину, то реакція не відбувається:

CuSO 4 + Ag ф

Мідь можна витіснити з солі будь-яким металом, розташованим зліва від міді в ряду активності металів. При цьому

Мал. 36.8. Менш активний, ніж мідь, срібло осідає на поверхні мідного дроту. Розчин набуває блакитного забарвлення завдяки освіті на ньому солі купрум

мідь буде витісняти з розчинів інших солей будь-який метал, який розташований в ряду активності праворуч від неї (рис. 36.8):

Найбільш активні метали, розташовані в самому початку ряду, - натрій, калій - витісняють інші метали з розчинів солей, оскільки вони такі активні, що взаємодіють ні з розчиненою сіллю, а з водою, в якій ця сіль розчинена.

Взаємодія металів з оксидами

Оксиди металевих елементів також здатні взаємодіяти з металами. Більш активні метали витісняють менш активні з оксидів. Але, на відміну від взаємодії металів з солями, щоб реакція здійснилася, оксиди необхідно розплавити:

Для отримання металу з оксиду можна застосовувати будь-який метал, який розташований в ряду активності лівіше, навіть найактивніші натрій і калій, адже в розплавленому оксиді води немає:

Витіснення металів з солей або оксидів більш активними металами іноді застосовують в промисловості для отримання металів.

Багато кислоти і інші речовини алхіміки називали «спиртами» (від латин.spiritus - «дух», «запах»). Так, бувspiritus sale - соляний спирт, або хлоридна кислота,spiritus nitrate - нітратна кислота і т. Д. У сучасному хімічному мові від цих назв залишилися тількиspiritus ammonia - нашатирний спирт, який є розчином аміаку NH 3, іspiritus vini - винний, або етиловий, спирт.

Гарячі активні метали (магній, натрій і ін.) Неможливо погасити водою. Причина полягає в тому, що при контакті з водою палаючий магній реагує з нею, внаслідок чого виділяється водень, який тільки підсилює горіння.

. «Царської горілкою» хіміки називають кислоту, яка є сумішшю концентрованих нітратної і хлоридної кислот. Таку назву ця суміш одержала тому, що з нею взаємодіє навіть золото.

Взаємодія хлоридної кислоти з металами

устаткування: штатив із пробірками.

реактиви: гранульовані зразки металів: залізо, цинк, олово, алюміній, мідь; хлоридная кислота.

Правила безпеки:

Остерігайтеся потрапляння реактивів на одяг, шкіру, в очі; в разі потрапляння кислоти її слід негайно промити великою кількістю води і протерти місце розведеним розчином соди.

1. В окремі пробірки помістіть видані вам шматочки металів (залізо, цинк, олово, алюміній, мідь).

2. Прил в кожну пробірку по 1-2 мл хлоридної кислоти. Що ви спостерігаєте? З яким металом виділення водню проходить найбільш інтенсивно?

3. Запишіть свої спостереження в зошит.

4. Зробіть висновок про можливість взаємодії металів з кислотами. Зіставте активність цієї взаємодії з положенням металу в ряду активності.

Взаємодія металів з солями в водному розчині

устаткування: штатив із пробірками.

реактиви: розчини купрум (П) сульфату, плюмбум (П) нітрату; залізна і цинкова пластинки.

Правила безпеки:

Використовуйте невеликі кількості реактивів;

Остерігайтеся потрапляння реактивів на одяг, шкіру, в очі; в разі потрапляння речовини його слід негайно змити водою.

1. В першу пробірку налийте розчин купрум (П) сульфату, в другу - розчин плюмбум (П) нітрату.

2. В першу пробірку з купрум (П) сульфатом занурте залізну пластину, а в другу - цинкову. Що спостерігаєте? Чи зміняться ознаки реакції, якщо в розчин купрум (П) сульфату опустити цинкову пластину, а в розчин плюмбум (П) нітрату - залізну пластину? А якби в обох випадках використовували срібну пластину?

3. Запишіть свої спостереження. Складіть відповідні рівняння реакцій.

4. Зробіть висновок, в якому обґрунтуйте можливість взаємодії солей з металами з точки зору положення металів в ряду активності.

висновки

1. Всі метали, розташовані в один ряд по зменшенню їх активності, утворюють ряд активності металів. У нього також доданий водень як речовина, щодо якого визначають активність металів.

2. Метали, розташовані в ряду активності зліва від водню, витісняють його з кислот і води. Чим лівіше розташований метал, тим активніше він вступає в реакції. Метали зліва від магнію взаємодіють з водою при звичайних умовах, утворюючи відповідні гідроксиди та водень, а метали, розташовані від магнію до водню, взаємодіють з водою при високій температурі з утворенням оксидів.

3. Метали можуть витісняти один одного з солі або оксиду: більш активний метал завжди витісняє менш активний. Для проведення таких реакцій з водними розчинами солей можна використовувати метали, розташовані в ряду активності до магнію, оскільки вони будуть взаємодіяти з водою, а не з розчиненою в ній сіллю.

Контрольні питання

1. Яку інформацію містить ряд активності металів Бекетова? За яким принципом в ньому розташовані метали?

2. Які метали витісняють водень з кислот? Наведіть приклади.

3. Які метали взаємодіють з водою? Які з них взаємодіють при звичайних умовах, а які - при високій температурі?

4. За яким принципом необхідно відбирати метали для витіснення інших металів з розчинів солей? з розплавів оксидів?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. За яких умов кислоти реагують: а) з металами; б) підставами; в) солями? Відповідь підтвердіть рівняннями реакцій.

2. За яких умов солі реагують: а) з кислотами; б) металами; в) підставами? Відповідь підтвердіть рівняннями реакцій.

3. Шматочки магнію і олова помістили в розчин хлоридної кислоти. В якому випадку реакція протікає інтенсивніше? Складіть рівняння цих реакцій.

4. Зразки натрію, кальцію і цинку залили водою. Що спостерігається в кожному випадку? Складіть відповідні рівняння реакцій.

5. У розчин нікель (І) сульфату занурили свинцеву і залізну пластини. В якому випадку реакція відбувається? Відповідь обґрунтуйте.

6. Чому для отримання міді з розчину купрум (П) сульфату можна використовувати натрій і калій, адже вони активніше міді? Чи можна їх використовувати для добування міді з розплаву купрум (І) оксиду?

7. Калій взаємодіє з водою настільки бурхливо, що виділяється водень загоряється. Яка речовина утворюється в розчині? Складіть рівняння реакції.

8. Запропонуйте, як за допомогою хімічних реакцій розділити суміш міді і заліза.

9. Які речовини утворюються при взаємодії води: а) з активними металами; б) оксидами активних металевих елементів; в) оксидами неметалічних елементів? Наведіть приклади.

10. Складіть рівняння можливих реакцій:

11. З якими з даних речовин взаємодіє сульфатна кислота: NaNO 3, CO 2, NaOH, AgNO 3, Zn, Ba, CaCO 3, Cu (OH) 2, Zn (OH) 2, HCl, SiQ 2, Fe 2 O 3 , Hg? Складіть рівняння реакцій.

12. Які з вказаних речовин взаємодіють з водою: Na, Ba, Fe, Fe 2 O 3, H 2 SO 4, NaOH, CaO, ZnО? Відповідь підтвердіть рівняннями реакцій.

13. При зануренні цинкової пластини в розчин купрум (іі) нітрату на пластині виділилася мідь масою 3,2 г. Визначте масу цинку, який розчинився в результаті реакції.

14. Обчисліть масу олова, яке можна отримати в результаті взаємодії станнум (іі) оксиду з алюмінієм масою 0,54 кг.

15. Який об'єм водню (н. У.) Виділиться, якщо цинк масою 97,5 г повністю прореагує з хлоридною кислотою?

16. Яка кількість речовини сульфатної кислоти необхідно для взаємодії з магнієм масою 12 г? Яка маса солі при цьому утворюється? Який обсяг газу (н. У.) Виділиться?

17. Яка кількість речовини міді можна виділити з розчину купрум (іі) сульфату, що містить 32 г цієї солі?

18. Суміш магнію масою 6 г і заліза масою 16,8 г обробили достатньою кількістю розчину сульфатної кислоти. Який об'єм водню (н. У.) Виділився в результаті реакції?

19. У розчин аргентум (І) нітрату масою 85 г з масовою часткою солі 2% завантажили цинкову пластинку. Обчисліть масу срібла, що виділиться на платівці після закінчення реакції. Визначте, як зміниться маса пластинки в порівнянні з її вихідної масою.

20 5. Алюміній - досить активний метал, але вироби з алюмінію зберігаються на повітрі без видимих \u200b\u200bознак псування. Якщо зачищене виріб з алюмінію, наприклад ложку або вилку, на деякий час помістити в розчин меркурій (іі) нітрату, воно покриється сріблястим нальотом. Оброблене таким чином виріб при зберіганні на повітрі за досить короткий час перетворюється в сірий порошок, серед якого можна спостерігати сріблясті кульки. Поясніть з хімічної точки зору, чому можуть відбуватися такі зміни. Складіть відповідні рівняння реакцій.

Це матеріал підручника

Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Pb, H 2 , Cu, Ag, Hg, Au

Чим лівіше стоїть метал в ряду стандартних електродних потенціалів, тим сильнішим відновником він є, найсильніший відновник - металевий літій, золото - найслабший, і, навпаки, іон золото (III) - найсильніший окислювач, літій (I) - найслабший .

Кожен метал здатний відновлювати з солей в розчині ті метали, які стоять в ряду напруг після нього, наприклад, залізо може витісняти мідь з розчинів її солей. Однак слід пам'ятати, що метали лужних і лужно-земельних металів будуть взаємодіяти безпосередньо з водою.

Метали, що стоїть в ряду напруг лівіше водню, здатні витісняти його з розчинів розбавлених кислот, при цьому розчинятися в них.

Відновлювальна активність металу не завжди відповідає його положенню в періодичній системі, тому що при визначенні місця металу в ряду враховується не тільки його здатність віддавати електрони, а й енергія, яка витрачається на руйнування кристалічної решітки металу, а також енергія, що витрачається на гідратацію іонів.

Взаємодія з простими речовинами

З киснем більшість металів утворює оксиди - амфотерні і основні:

4Li + O 2 \u003d 2Li 2 O,

4Al + 3O 2 \u003d 2Al 2 O 3.

Лужні метали, за винятком літію, утворюють пероксиди:

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2.

З галогенами метали утворюють солі галогеноводородних кислот, наприклад,

Cu + Cl 2 \u003d CuCl 2.

З воднем найактивніші метали утворюють іонні гідриди - солеподібні речовини, в яких водень має ступінь окислення -1.

2Na + H 2 \u003d 2NaH.

З сірої метали утворюють сульфіди - солі сірководневої кислоти:

З азотом деякі метали утворюють нітриди, реакція практично завжди протікає при нагріванні:

3Mg + N 2 \u003d Mg 3 N 2.

З вуглецем утворюються карбіди:

4Al + 3C \u003d Al 3 C 4.

З фосфором - фосфіди:

3Ca + 2P \u003d Ca 3 P 2.

Метали можуть взаємодіяти між собою, утворюючи интерметаллические з'єднання :

2Na + Sb \u003d Na 2 Sb,

3Cu + Au \u003d Cu 3 Au.

Метали можуть розчинятися один в одному при високій температурі без взаємодії, утворюючи сплави.

сплави

сплавами називаються системи, що складаються з двох або більше металів, а також металів і неметалів, що володіють характерними властивості, властивими лише металевому стану.

Властивості сплавів - найрізноманітніші і відрізняються від властивостей їх компонентів, так, наприклад, для того щоб золото стало більш твердим і придатним для виготовлення прикрас, в нього додають срібло, а сплав, який містить 40% кадмію та 60% вісмуту, має температуру плавлення 144 ° С, тобто набагато нижче температури плавлення його компонентів (Cd 321 ° С, Bi 271 ° С).

Можливі наступні типи сплавів:

Розплавлені метали змішуються між собою в будь-яких співвідношеннях, необмежено розчиняючись один в одному, наприклад, Ag-Au, Ag-Cu, Cu-Ni та інші. Ці сплави однорідні за складом, мають високу хімічну стійкість, проводять електричний струм;

Розправлені метали змішуються між собою в будь-яких співвідношеннях, проте при охолодженні розшаровуються, і виходить маса, що складається з окремих кристалів компонентів, наприклад, Pb-Sn, Bi-Cd, Ag-Pb та інші.

Зрозуміло що нічого не зрозуміло.

Розберемо більш докладно процеси, які можуть відбуватися при зануренні металевої пластини в розчин солі того ж металу, з якого виготовлена \u200b\u200bі сама пластина, яку, в подібних випадках називають електродом.

Можливі два варіанти.

Варіант 1 . Електрод виготовлений з металу, що є активним відновником (йому не "шкода" віддавати свої електрони), нехай це буде, скажімо, цинк.

Після того, як цинковий електрод занурюється в розчин, диполі води, присутні в розчині, починають притягувати до себе певну частину атомів цинку, які переходять в розчин у вигляді гідратованих іонів, але при цьому залишають свої електрони на поверхні електрода.

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

Поступово на поверхні цинкового електрода накопичується все більше і більше "кинутих" негативних електронів, - цинковий електрод набуває негативний заряд. Паралельно з цим процесом в розчині збільшується кількість позитивно заряджених іонів цинку, які покинули електрод. Катіони цинку починають притягатися негативнозарядженим електродом, в результаті чого на межі електрод-розчин утворюється так званий подвійний електричний шар (ДЕС).

Варіант 2. Електрод виготовлений з металу, який є слабким відновником (йому "шкода" розлучатися зі своїми електронами). Нехай роль такого металу грає мідь. Таким чином, іони міді, що містяться в розчині, є сильними окислювачами. При зануренні мідного електрода в розчин частина іонів міді починає контактувати з поверхнею електрода і відновлюється за рахунок вільних електронів, присутніх в міді.

Me n + + ne - → Me 0

Йде процес, зворотний Варіанту 1. Поступово все більше і більше катіонів міді осідають на поверхні електрода. Відновлюючись, катіони заряджають мідну пластину позитивно, у міру збільшення заряду позитивний мідний електрод все більше і більше притягає негативно заряджених іонів, таким чином, формується подвійний електричний шар, але зворотної полярності, ніж це було в Варіанті 1.

Формована на кордоні електрод-розчин різницю потенціалів, називається електродним потенціалом.

Виміряти такий потенціал дуже складно. Щоб вийти зі скрутного становища, вирішили брати не абсолютні значення, а відносні, при цьому як еталон вирішили взяти потенціал водневого електрода, прийнятий рівним нулю.

Потенціал конкретного металевого електрода залежить від природи металу, концентрації і температури розчину.

Оскільки лужні і лужноземельні метали у водних розчинах реагують з водою - їх електродним потенціали розраховують теоретично.

Всі метали прийнято розташовувати в порядку зростання значення їх стандартного електродного потенціалу - такий ряд називається електрохімічним рядом напруг металів:

Що показує електродний потенціал

Електродний потенціал відображає в чисельному значенні здатність металу віддавати свої електрони або відновлюватися, кажучи іншими словами, відображає хімічну активність металу.

Чим лівіше в електрохімічному ряду стоїть метал (див. Вище), тим він легше віддає свої електрони, тобто, є більш активним, легше вступає в реакції з іншими елементами.

Якщо брати крайнощі, то:

• літій найсильніший відновник, а іон літію - найслабший окислювач;
• золото найслабший відновник, а іон золота - найсильніший окислювач.

Наслідки, що випливають з електрохімічного ряду напруг металів:

• Метал витісняє з солей всі інші метали, що стоїть в ряду правіше нього (є слабшими восстановителями);
• Метали, які мають від'ємне значення електродного потенціалу, тобто, що стоять лівіше водню, витісняють його з кислот;
• Найактивніші метали, що мають найнижчі значення електродного потенціалу (це метали від літію до натрію), у водних розчинах в першу чергу реагують з водою.

Слід звернути увагу, що положення металів в періодичної таблиці і положення цих же металів в електрохімічному ряді напруг трохи відрізняються. Даний факт пояснює тим, що значення електродного потенціалу залежить не тільки від енергії, необхідної для відриву електронів від ізольованого атома, але сюди входить також ще і енергія, необхідна для руйнування кристалічної решітки + енергія, яка виділяється при гідратації іонів.