Что показывает электрохимический ряд напряжений металлов

Электрохимический ряд активности металлов

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительные реакциях в водных растворах.

Содержание

История

В 1793 году Алессандро Вольта, конструируя гальванический элемент («Вольтов столб»), установил относительную активность известных тогда металлов: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. «Сила» гальванического элемента оказывалась тем больше, чем дальше стояли друг от друга металлы в этом ряду («ряд напряжений»). Однако Вольта не связал этот ряд с химическими свойствами металлов.

В эпоху становления классической химии способность элементов вытеснять друг друга из соединений стала важным аспектом понимания реакционной способности. Й. Берцелиус на основе электрохимической теории сродства построил классификацию элементов, разделив их на «металлоиды» (сейчас применяется термин «неметаллы») и «металлы» и поставив между ними водород.

Многочисленные экспериментальные данные, полученные в конце XIX века, опровергали гипотезу Бекетова. Так, Уильям Одлинг описал множество случаев «обращения активности». Например, медь вытесняет олово из концентрированного подкисленного раствора SnCl₂ и свинец — из кислого раствора PbCl₂; она же способна к растворению в концентрированной соляной кислоте с выделением водорода. Медь, олово и свинец находятся в ряду правее кадмия, однако могут вытеснять его из кипящего слабо подкисленного раствора CdCl₂.

Бурное развитие теоретической и экспериментальной физической химии указывало на иную причину различий химической активности металлов. С развитием современных представлений электрохимии (главным образом в работах Вальтера Нернста) стало ясно, что эта последовательность соответствует «ряду напряжений» – расположению металлов по значению стандартных электродных потенциалов. Таким образом, вместо качественной характеристики — «склонности» металла и его иона к тем или иным реакциям — Нерст ввёл точную количественную величину, характеризующую способность каждого металла переходить в раствор в виде ионов, а также восстанавливаться из ионов до металла на электроде, а соответствующий ряд получил название ряда стандартных электродных потенциалов.

Теоретические основы

Значения электрохимических потенциалов являются функцией многих переменных и поэтому обнаруживают сложную зависимость от положения металлов в периодической системе. Так, окислительный потенциал катионов растёт с увеличением энергии атомизации металла, с увеличением суммарного потенциала ионизации его атомов и с уменьшением энергии гидратации его катионов.

В ряд напряжений традиционно включается водород, поскольку практическое измерение электрохимических потенциалов металлов производится с использованием стандартного водородного электрода.

Практическое использование ряда напряжений

Ряд напряжений используется на практике для сравнительной оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот и для оценки катодных и анодных процессов при электролизе:

Источник

Электрохимический ряд напряжений (пример)

Что такое электрохимический ряд напряжений металлов

Электрохимический ряд напряжений это последовательность, где металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов, отвечающих полу-реакции восстановления катиона металла.

На основании взаимодействия металлов (например, магния, цинка, железа, олова, свинца, меди, серебра) с растворами соответствующих солей, а также с кислотой (например, хлороводородной) располагают металлы в ряд: Mg, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu, Ag.

Каждый последующий металл вытесняется из раствора его соли предыдущим металлом. В этом ряду помещают и водород между свинцом и медью. В свете электронной теории де лается вывод, что тенденция отдавать электроны и переходить в водный раствор в виде положительно заряженных ионов у металлов как простых веществ ослабевает при переходе в указанном ряду слева направо.

Почему назвали электрохимическим рядом напряжений

Этот ряд называют также электрохимическим рядом напряжений металлов, желая этим подчеркнуть, что он установлен в растворах электролитов и принципиально отличается от рядов, устанавливаемых термохимическим путем, например по вытеснению одних металлов другими из их оксидов (хлоридов, фторидов и т. д.).

Название «электрохимический ряд напряжений металлов» неточное! Речь должна идти об определении стандартных электродных потенциалов металлов, т. е. потенциалов, возникающих на границе между металлом и раствором с одномолярной концентрацией ионов этого металла. Потенциалы эти определяют по нормальному водородному электроду, условно принятому за ноль. В качестве потенциала сравнения берут потенциал одного из металлов, погруженного в раствор его соли (например, медь или серебро).

1—вертикальная рама, 2 — ванночка для электролита, 3 — стеклянные трубки, 4 — пружинящие хомутики, 5 — пористые диафрагмы, 6 — полихлорвиниловые трубки, 7 — штекерные гнезда, 8 — проводники, 9 — зажимы, 10 — символы металлов, 11 — пластины металлов, 12 — резиновые кружки-держатели пластин, 13 — проводники для подключения прибора к гальванометру.

Как определяют ряд напряжений

В настоящее время установка для определения электрохимического ряда напряжений металлов осваивается промышленностью. До появления промышленного образца ограничимся некоторыми рекомендациями по его самодельному изготовлению (рис. 2). Для прибора нужна вертикальная рама 1 из металла, пластмассы, фанеры или другого материала размером 350X300X Х15 мм, на которой крепят ванночку для электролита 2 (310Х X30X60 мм) и стеклянные трубки (l=150 мм и 25 мм, 3— 6 шт.).

Ванночку изготавливают из оргстекла, а стеклянные трубки— из демонстрационных пробирок или подбирают готовые трубки соответствующих длину и диаметра. Ванночку и стеклянные трубки закрепляют на раме с помощью пружинящих хомутиков 4, расположенных на поперечной планке рамы. Нижние отверстия стеклянных трубок герметично закрывают пористыми диафрагмами 5, которые представляют собой плоские диски из необожженной керамики, имеющие диаметр, соответствующий диаметру стеклянной трубки.

Для закрепления диафрагмы на стеклянной трубке изготовляют специальное приспособление: диафрагму зажимают между двумя уплотнительными резиновыми шайбами и стягивают накидной гайкой из оргстекла. Устройство для закрепления диафрагмы герметично соединяют со стеклянной трубкой при помощи отрезка хлорвиниловой или резиновой трубки 6 (длина отрезка 40 мм).

Для изготовления диафрагмы можно воспользоваться рекомендациями, данными в статье Л. В. Буглая [4]. На верхней панели рамы размещены штекерные гнезда 7 (0 4 мм) с проводниками 8, заканчивающимися зажимами 9. На передней стенке рамы нанесены химические знаки металлов 10 в той же последо вательности, в какой они размещаются в электрохимическом ряду напряжений металлов: цинк, железо, никель, олово, медь, серебро. В комплект с прибором должны входить пластинки перечисленных выше металлов 11 (размер пластинок 100X8X15 мм). В связи с тем, что серебро — дефицитный и дорогостоящий металл, можно использовать посеребренную пластинку или ограничиться пятью металлами (серебро исключить).

Чтобы пластинки металлов не проваливались в трубки, их следует вставить в резиновые кружочки 12, диаметр которых чуть больше диаметра трубок. Для соединения пар металлических пластинок с гальванометром используют два проводника 13, один конец которых имеет штекер (диаметр его соответствует диаметру штекерного гнезда рамы), а второй конец — лепесток для подсоединения к клеммам гальванометра.

Предлагаемый в данном пособии прибор имеет преимущества перед вышеупомянутым; он более надежен и удобен в работе и дает более точные результаты. В приборе, показанном в школьном учебнике, происходит подсыхание полосок фильтровальной бумаги, нередко неравномерное, что отрицательно сказывается на результатах опыта. Прибор позволяет демонстрировать опыты в нескольких параллельных классах без перезарядки.

Для иллюстрации электрохимического ряда напряжений металлов с помощью данного прибора стеклянные трубки 3 заполняют растворами солей соответствующих металлов одинаковой молярной концентрации и погружают в них металлические пластинки. Ванночку 2 заполняют раствором соли любого электролита, например хлорида калия. С помощью проводников со штекерами 13 соединяют попарно металлические пластинки 11 с гальванометром. Отклонение стрелки гальванометра будет тем большим, чем дальше отстоят друг от друга металлы.

Аналогичные опыты могут быть спроецированы на экран с помощью графопроектора, а также используют чашки Петри для раствора солей и соответствующие металлы в виде стерженьков.

Статья на тему Электрохимический ряд напряжений

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник

Урок №48. Химические свойства металлов. Ряд активности (электрохимический ряд) металлов

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Среди металлов традиционно выделяют несколько групп.

Входящие в их состав представители характеризуются отличной от других металлов химической активностью. Такими группами являются:

благородные металлы (серебро, золото, платина, иридий);

щелочные металлы – I(A) группа ;

Металлы встпают в реакции с простыми веществами – неметаллами (кислород, галогены, сера, азот, фосфор и др.) и сложными веществами (вода, кислоты, растворы солей)

Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами

1. Металлы взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды:

2Mg + O 2 = t, °C = 2MgO

Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3

3. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.

4. Активные металлы при нагревании реагируют с азотом, фосфором и некоторыми другими неметаллами.

3Ca + N 2 = t, °C = Ca 3 N 2

3Na + P = t, °C = Na 3 P

Взаимодействие со сложными веществами

I. Взаимодействие воды с металлами

Me + H 2 O = Me(OH) n + H 2 (р. замещения)

Внимание! Алюминий и магний ведут себя также:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2

Магний (в горячей воде):

Mg + 2H 2 O = t°C = Mg(OH) 2 +H 2

2) Взаимодействие с менее активными металлами, которые расположены в ряду активности от алюминия до водорода.

Металлы средней активности, стоящие в ряду активности до (Н 2 ) – Be, Fe, Pb, Cr, Ni, Mn, Zn – реагируют с образованием оксида металла и водорода

Me + Н 2 О = Ме х О у + Н 2 (р. замещения)

Бериллий с водой образует амфотерный оксид:

Be + H 2 O = t°C = BeO + H 2

Раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe 3 O 4 и водород:

3Fe + 4H 2 O = t°C = FeO‧Fe 2 O 3 + 4H 2

3) Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не реагируют с водой.

Cu + H 2 O ≠ нет реакции

II. Взаимодействие растворов кислот с металлами

Металлы, стоящие в ряду активности металлов левее водорода, взаимодействуют с растворами кислот ( раствор азотной кислоты – исключение ), образуя соль и водород.

Кислота (раствор) + Me до (Н2) = Соль + H 2 ↑

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 ↑

III. Взаимодействие кислот-окислителей с металлами

Металлы особо реагируют с серной концентрированной и азотной кислотами:

H 2 SO 4 (конц.) + Me = Сульфат + H 2 O + Х

2H 2 SO 4 (конц.) + Cu = t°C = CuSO 4 + 2H 2 O + SO 2 ↑

HNO 3 + Me = Нитрат + H 2 O + Х

4HNO 3 (k) + Cu = Cu(NO 3 ) 2 + 4H 2 O + 2NO 2 ↑

8HNO 3 (p) + 3Cu = 3Cu(NO 3 ) 2 + 4H 2 O + 2NO↑

4Zn + 10HNO 3 (раствор горячий) = t˚C = 4Zn(NO 3 ) 2 + N 2 O + 5H 2 O

4Zn + 10HNO 3 (оч. разб. горячий) = t˚C = 4Zn(NO 3 ) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

Zn + 4HNO 3 (конц. горячий) = t˚C = Zn(NO 3 ) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

IV. С растворами солей менее активных металлов

Ме + Соль = Новый металл + Новая соль

Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu

Активность металла в реакциях с кислотами, водными растворами солей и др. можно определить, используя электрохимический ряд, предложенный в 1865 г русским учёным Н. Н. Бекетовым: от калия к золоту восстановительная способность (способность отдавать электроны) уменьшается, все металлы, стоящие в ряду левее водорода, могут вытеснять его из растворов кислот; медь, серебро, ртуть, платина, золото, расположенные правее, не вытесняют водород.

Источник

Электрохимический ряд напряжений металлов (ряд Бекетова)

Электрохимический ряд напряжений металлов опытным путем установил Алессандро Вольта, на тот момент он выглядел следующим образом: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. Величина электродного потенциала зависела оттого, насколько далеко отстояли друг от друга члены ряда. Но причина этого была неизвестна. В 1853 г. русский учёный Николай Николаевич Бекетов (1827-1911) сделал в Париже сообщение на тему “Исследование над явлениями вытеснения одних элементов другими”. В этой работе он обобщил различные исследования способности одних металлов вытеснять другие из растворов их солей.

Первоначально Бекетов предполагал, что способность одних металлов вытеснять из растворов солей другие металлы связана с их плотностью: более лёгкие металлы способны вытеснять металлы более тяжелые. Но опыты говорили о ином. Непонятно было и то, как связан “вытеснительный ряд” с рядом напряжений Алессандро Вольта. Со временем накапливалось всё больше экспериментальных данных того, что некоторые правила вытеснения нарушаются при определенных условиях. Бекетов обнаружил, что водород под давлением 10 атмосфер вытесняет серебро из раствора нитрата серебра. Английский химик Уильям Одлинг (1829-1921) описал множество случаев подобных аномалий. Например, медь вытесняет олово из концентрированного подкисленного раствора хлорида олова (II) и свинец – из кислого раствора хлорида свинца (II). Медь, олово и свинец находятся в ряду правее кадмия, однако могут вытеснять его из кипящего слабо подкисленного раствора хлорид кадмия.

Теоретическую основу ряда активности (и ряда напряжений) заложил немецкий физикохимик Вальтер Нернст (1864-1941). Вместо качественной характеристики – “склонности” металла и его иона к тем или иным реакциям – появилась точная количественная величина. Такой величиной стал стандартный электродный потенциал металла, а соответствующий ряд, выстроенный в порядке изменения потенциалов, называется рядом стандартных электродных потенциалов.

Электрохимический ряд напряжений металлов (ряд Бекетова) это последовательность расположения металлов и их ионов в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов в растворах электролитов. Электродом сравнения обычно служит стандартный водородный электрод, электродный потенциал которого условно принимается равным нулю.

Место каждого элемента в ряду напряжений условно, т.к. величина электродного потенциала зависит от температуры и состава раствора, в который погружены электроды, в частности от концентрации ионов. Большое значение также имеет состояние поверхности электрода (гладкая, шероховатая). Стандартный электродный потенциал относится к водным растворам при температуре 25 °С, давлении газов 1 атмосфера и концентрации ионов 1 моль/л.

Из электрохимического ряда напряжений металлов вытекает ряд важных следствий:

Восстановление водородом из оксидов

Металлы, которые водород не восстанавливает из их оксидов

Металлы, которые водород восстанавливает из их оксидов

K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr

Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, W, Sb, As, Bi, Cu, Hg, Ag

Источник

Химическая активность металлов

Содержание:

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Химическая активность металлов

Электрохимический ряд активности металлов показывает, какие из металлов более активные, какие менее. Расположение элементов в горизонтальном ряду слева направо показывает направление снижения восстановительной способности и возрастание окислительной.

Реакции металлов с кислородом и водой

Что вы знаете о ржавлении железа? Расскажите о разрушении металлов?
Как вы думаете, как можно защитить металлы от разрушения? Где применяются металлы? Приведите примеры из жизни.

Металлы мы часто применяем в повседневной жизни. Это алюминий, медь, железо, золото, серебро и т. д. Алюминий и медь применяются для изготовления проводов. Алюминиевой фольгой упаковывают лекарства. В домашнем обиходе вы часто встречаете алюминиевую посуду и упаковки для напитков. Но больше всего применяется железо для изготовления различных металлоконструкций, трубопроводов, деталей машин и т. д. Этот металл от
воды и кислорода воздуха приходит в негодность, изменяет цвет и тускнеет.
Железо покрывается ржавчиной красно-бурого цвета. Железо + вода + воздух → ржавчина. Такой химический процесс называется коррозией (от лат. corrodere – разъедать).

Самопроизвольное разрушение металлов в результате их взаимодействия с веществами окружающей среды называется коррозией.

Поверхность алюминия покрывается оксидной пленкой, которая препятствует коррозии:

Химические активные металлы легко окисляются кислородом воздуха (Na, Mg, Ca). Железо и медь окисляются только при нагревании:

А золото и некоторые благородные металлы вообще не окисляются кислородом.

Рассмотрите рисунок 15 и сами сделайте выводы.

Ежегодно четвертая часть всего производимого металла из-за коррозии приходит в негодность (рис. 16).

Знаменитую Эйфелеву башню в Париже красили уже 18 раз, в результате чего ее масса увеличилась на 70 т.

Коррозия вызывает серьезные экологические катастрофы. Из разрушенных трубопроводов может быть утечка газа, нефти, опасных химических продуктов.
Это приводит к загрязнению окружающей среды, что отрицательно влияет на здоровье и жизнь людей.

Металлы защищают от коррозии нанесением покрытий на поверхность изделия: окраска металла лаками, красками, эмалями. Но это покрытие недолговечно. Предохраняют металл покрытием другого металла, менее подверженного коррозии. Это – золото, серебро, хром, никель, олово, цинк и др. В повседневной жизни часто применяют оцинкованные ведра, никелированные кровати. Для консервных банок применяют железо, покрытое оловом. Такое железо называют белой жестью. Белую жесть получают в г. Темиртау Карагандинской области на металлургическом заводе. Можно уменьшить коррозию железа, добавляя другие металлы: никель, хром, молибден. Таким образом, получают сплав, который называется нержавеющей сталью. Из этой стали изготавливают столовые приборы, трубы и другие изделия.

Взаимодействие воды с некоторыми металлами (рис. 17).
1. Взаимодействие воды с активными металлами в обычных условиях идет очень интенсивно.
При этом протекают реакции замещения

При проведении таких опытов необходимо соблюдать меры предосторожности.

2. При взаимодействии металлов средней активности с водой вместо щелочи выделяется оксид металла:

3. Малоактивные металлы (Cu) с водой не реагируют.

Коррозия, ржавчина, защита от коррозии, белая жесть, алюминиевая фольга, сплав

Демонстрация №2

Взаимодействие активных металлов с холодной и горячей водой

Демонстрацию выполняет учитель, учащиеся наблюдают, делают выводы.

Цель: узнать, как реагируют активные металлы с холодной и горячей водой.

Обрежьте кусочек натрия скальпелем, высушите фильтровальной бумагой. Высушенный кусочек натрия следует бросить в кристаллизатор с холодной, а затем горячей водой. Наблюдать за ходом реакции через стекло вытяжного шкафа. Такую же реакцию проделать и с металлическим кальцием. Испытать полученные растворы двумя индикаторами.

Взаимодействие металлов с кислотами. ряд активности металлов

Что такое кислоты? Какие кислые вещества вы встречали в природе?

В соответствии с определением кислоты должны вступать в реакции с металлами. Все ли металлы взаимодействуют с кислотами? Это можно проверить на опыте.

В четыре пронумерованные пробирки нальем одинаковое количество раствора соляной кислоты и добавим: в первую пробирку – Mg; во вторую – Zn; в третью – Sn; в четвертую – Cu.

Как видим, не все металлы могут взаимодействовать с кислотами и скорости их взаимодействия различны (рис. 18).

На основании интенсивности взаимодействия металлов с кислотами русским ученым Н.Н. Бекетовым был составлен ряд активности металлов:

Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Au

При использовании ряда химической активности нужно помнить
следующие правила:

1) металлы, стоящие в начале этого ряда, химически активны, они могут вытеснить водород из воды.
2) активность металлов в этом ряду снижается слева направо
3) только металлы, стоящие в ряду активности до водорода, вытесняют водород из растворов кислот (рис. 18):

активный металл + кислота —> соль + водород

Протекает реакция замещения.
Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не реагируют с разбавленными растворами кислот (табл. 6).

Лабораторный опыт №3
Взаимодействие металлов с растворами кислот

Цель: исследовать реакции различных металлов с растворами кислот и
сделать вывод о существовании химически инертных металлов.

Налейте в четыре пробирки раствор соляной кислоты. В одну из пробирок насыпьте порошка магния, в другую – поместите гранулы цинка, в третью – опилки железа, в четвертую – стружки меди.

Может ли железо не подвергаться коррозии? Да, если оно очень чистое. Например, в Дели (Индия) находится Кутубская колонна высотой 7 м, массой 6,5 т. Она установлена в IX в. до н. э., в ее составе 99,72% Fe. До сих пор эта колонна не подверглась коррозии.

Взаимодействие металлов с растворами солей

Какие соли вы встречали в повседневной жизни?

Химически активные металлы вытесняют менее активные металлы из растворов солей, при этом протекает реакция замещения. Например, из раствора сульфата меди (ІІ) железо вытесняет медь (рис. 19):

Выделение красного налета меди является признаком реакции. Обратная реакция не протекает потому что медь в ряду активности металлов находится после железа, поэтому не вытесняет его.

Схема реакций замещения выглядит следующим образом:

соль 4- активный металл = новая соль + новый металл (менее активный)

Реакции такого типа протекают при следующих условиях:
1) взаимодействующие соли должны быть растворимыми в воде;
2) более активный металл вытесняет из соли менее активный металл.

Демонстрация №3
Вытеснение металлов из растворов солей

Цель: понимать, что более активный металл вытесняет менее активный
металл из растворов его солей.

В пробирку поместите гранулы цинка и налейте раствор сульфата меди.
В другую пробирку поместите небольшие кусочки железа и налейте раствор сульфата меди. Что наблюдаете? Напишите уравнение реакции. Сделайте вывод.

Практическая работа № 1
Сравнение активности металлов

Цель: Разработать ряд активности металлов. Обобщить результаты и сделать выводы.

Ход работы

В пять пробирок налейте растворы солей по 5 мл, опустите в каждую пробирку стружки меди. Затем такие опыты повторите с другими металлами. Наблюдайте за интенсивностью хода реакций. Заполните таблицу: где идет реакция следует поставить знак “+”, если не идет реакция – знак “–”. По сравнительной интенсивности, т. е. по числу протекающих реакций, составьте ряд активности металлов.

Услуги по химии:

Лекции по химии:

Лекции по неорганической химии:

Лекции по органической химии:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник