Seria de activitate electrochimică a metalelor

Seria de activitate electrochimică a metalelor ( o serie de tensiuni , o serie (deplasare) a lui Beketov , o serie de potențiale de electrozi standard ) este o succesiune în care metalele sunt aranjate în ordinea creșterii potențialelor lor electrochimice standard E 0 corespunzătoare cationului metalic. semireacție de reducere Me n+ : Me n+ + nē → Me

O serie de tensiuni caracterizează activitatea comparativă a metalelor în reacțiile redox în soluții apoase.

Istorie

Secvența de aranjare a metalelor în ordinea schimbării activității lor chimice în termeni generali era deja cunoscută de alchimiști [1] . Procesele de deplasare reciprocă a metalelor din soluții și precipitarea lor la suprafață (de exemplu, deplasarea argintului și cuprului din soluțiile sărurilor lor de către fier) ​​au fost considerate ca o manifestare a transmutației elementelor.

Ulterior, alchimiștii au ajuns aproape de a înțelege partea chimică a precipitării reciproce a metalelor din soluțiile lor. Așadar, Angelus Sala în lucrarea sa „Anatomy Vitrioli” (1613) a ajuns la concluzia că produsele reacțiilor chimice constau din aceleași „componente” care erau conținute în substanțele originale. Ulterior, Robert Boyle a propus o ipoteză despre motivele pentru care un metal înlocuiește pe altul dintr-o soluție bazată pe concepte corpusculare [2] .

În 1793, Alessandro Volta , proiectând o celulă galvanică ( coloana voltaică ), a stabilit activitatea relativă a metalelor cunoscute atunci: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. „Rezistența” celulei galvanice s-a dovedit a fi cu atât mai mare, cu cât metalele erau mai îndepărtate unele de altele în această serie ( seria de tensiuni ). Cu toate acestea, Volta nu a conectat această serie cu proprietățile chimice ale metalelor.

În 1798, Johann Wilhelm Ritter a subliniat că seria Volta este echivalentă cu seria de oxidare a metalelor (adică succesiunea de scădere a afinității acestora pentru oxigen). Astfel, Ritter a emis ipoteza despre apariția unui curent electric din cauza unei reacții chimice [3] .

În epoca formării chimiei clasice, capacitatea elementelor de a se deplasa unele pe altele din compuși a devenit un aspect important al înțelegerii reactivității. J. Berzelius , pe baza teoriei electrochimice a afinității, a construit o clasificare a elementelor, împărțindu-le în „metaloizi” (acum se folosește termenul „nemetale”) și „metale” și punând hidrogen între ele.

Secvența metalelor în funcție de capacitatea lor de a se deplasa unele pe altele, cunoscută de mult timp de chimiști, a fost studiată și completată în special de N. N. Beketov în anii 1860 și în anii următori . Deja în 1859, a făcut un raport la Paris pe tema „Cercetări asupra fenomenelor deplasării unor elemente de către altele”. În această lucrare, Beketov a inclus o serie de generalizări despre relația dintre deplasarea reciprocă a elementelor și greutatea lor atomică, legând aceste procese cu „ proprietățile chimice inițiale ale elementelor - ceea ce se numește afinitate chimică ” [4] . Descoperirea lui Beketov a deplasării metalelor din soluțiile sărurilor acestora de către hidrogen sub presiune și studiul activității reducătoare a aluminiului, magneziului și zincului la temperaturi ridicate ( metalotermie ) i-au permis să prezinte o ipoteză despre relația dintre capacitatea unor elemente pentru a-i deplasa pe alții din compuși cu densitatea lor: substanțele simple mai ușoare sunt capabile să deplaseze mai grele (prin urmare, această serie este adesea numită și seria de deplasare a lui Beketov , sau pur și simplu seria lui Beketov ).

Fără a nega meritele semnificative ale lui Beketov în dezvoltarea ideilor moderne despre seria de activitate a metalelor, ar trebui să considerăm eronată noțiunea despre el ca singurul creator al acestei serii comune în literatura populară și educațională rusă. [5] [6] Numeroase date experimentale obținute la sfârșitul secolului al XIX-lea au infirmat ipoteza lui Beketov. Astfel, William Odling a descris multe cazuri de „inversare a activității”. De exemplu, cuprul înlocuiește staniul dintr-o soluție acidulată concentrată de SnCl 2 și plumbul  dintr-o soluție acidă de PbCl 2 ; este, de asemenea, capabil să se dizolve în acid clorhidric concentrat cu eliberarea de hidrogen . Cuprul, staniul și plumbul sunt în rândul din dreapta cadmiului , cu toate acestea, ele îl pot înlocui dintr-o soluție de CdCl 2 ușor acidificată la fierbere .

Dezvoltarea rapidă a chimiei fizice teoretice și experimentale a indicat un alt motiv pentru diferențele în activitatea chimică a metalelor. Odată cu dezvoltarea conceptelor moderne de electrochimie (în special în lucrările lui Walter Nernst ), a devenit clar că această secvență corespunde unei „seri de tensiuni” - aranjarea metalelor în funcție de valoarea potențialelor standard ale electrodului . Astfel, în locul unei caracteristici calitative - „tendința” unui metal și a ionului său la anumite reacții - Nerst a introdus o valoare cantitativă exactă care caracterizează capacitatea fiecărui metal de a trece în soluție sub formă de ioni și, de asemenea, de a fi redusă din ionii la metal de pe electrod și seria corespunzătoare numită seria potențialelor standard ale electrodului .

Fundamente teoretice

Valorile potențialelor electrochimice sunt o funcție a multor variabile și, prin urmare, arată o dependență complexă de poziția metalelor în sistemul periodic . Astfel, potențialul de oxidare al cationilor crește odată cu creșterea energiei de atomizare a unui metal, cu creșterea potențialului total de ionizare al atomilor săi și cu scăderea energiei de hidratare a cationilor săi.

În cea mai generală formă, este clar că metalele la începutul perioadelor sunt caracterizate de valori scăzute ale potențialelor electrochimice și ocupă locuri în partea stângă a seriei de tensiune. În același timp, alternanța metalelor alcaline și alcalino -pământoase reflectă fenomenul de similitudine diagonală . Metalele situate mai aproape de mijlocul perioadelor se caracterizează prin valori potențiale mari și ocupă locuri în jumătatea dreaptă a seriei. O creștere consistentă a potențialului electrochimic (de la -3,395 V pentru perechea Eu 2+ / Eu [7] la +1,691 V pentru perechea Au + / Au) reflectă o scădere a activității reducătoare a metalelor (capacitatea de a dona electroni). ) și o creștere a capacității de oxidare a cationilor lor (capacitatea de a atașa electroni). Astfel, europiul metalic este cel mai puternic agent reducător, iar cationii de aur Au + sunt cei mai puternici agenți de oxidare .

Hidrogenul este inclus în mod tradițional în seria de tensiune, deoarece măsurarea practică a potențialelor electrochimice ale metalelor se realizează folosind un electrod standard de hidrogen .

Utilizarea practică a seriei de tensiune

O serie de tensiuni sunt utilizate în practică pentru o evaluare comparativă [relativă] a activității chimice a metalelor în reacțiile cu soluții apoase de săruri și acizi și pentru evaluarea proceselor catodice și anodice în timpul electrolizei :

• Metalele din stânga hidrogenului sunt agenți reducători mai puternici decât metalele din dreapta: îl înlocuiesc pe acesta din urmă din soluțiile sărate. De exemplu, interacțiunea Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu este posibilă numai în direcția înainte.
• Metalele din rândul din stânga hidrogenului înlocuiesc hidrogenul atunci când interacționează cu soluții apoase de acizi neoxidanți; cele mai active metale (până și aluminiu inclusiv) - și atunci când interacționează cu apa.
• Metalele din rândul din dreapta hidrogenului nu interacționează cu soluțiile apoase de acizi neoxidanți în condiții normale.
• În timpul electrolizei, metalele din dreapta hidrogenului sunt eliberate la catod; reducerea metalelor cu activitate moderată este însoțită de eliberarea de hidrogen; cele mai active metale (până la aluminiu) nu pot fi izolate din soluții apoase de săruri în condiții normale.

Link -uri

• Petr Vanisek. Seria electrochimică // Manual de chimie și fizică: ediția a 81-a. - CRC Press LLC, 2000. - ISBN 978-0849304811 .

Literatură

• Korolkov DV Fundamentele chimiei anorganice. - M.: Iluminismul, 1982. - 271 p.

Note

1. ↑ Rabinovici V. L. Alchimia ca fenomen al culturii medievale. — M.: Nauka, 1979
2. ↑ Căi de cunoaștere / Golovner V.N. O privire asupra lumii prin ochii unui chimist
3. ↑ Strube V. Modalităţi de dezvoltare a chimiei: în 2 volume. Volumul 2. De la începutul revoluției industriale până la primul sfert al secolului al XX-lea
4. ↑ Belyaev A.I. Nikolai Nikolaevich Beketov - un remarcabil chimist fizic și metalurgist rus. M., 1953
5. ↑ Seria de activitate metalică a lui Leenson I. A. Beketov: mit sau realitate? // Chimie la școală. - 2002. - Nr 9. - S. 90-96.
6. ↑ Mchedlov-Petrosyan N. O. Lucrările lui N. N. Beketov și seria de activități a metalelor // Buletinul Universității Naționale din Harkov. - 2003. - Nr. 596. - Chimie. Problema. 10 (33). - S. 221-225.
7. ↑ Manualul unui chimist: în 7 volume  / cap. ed. B. P. Nikolsky . - Ed. a II-a, revizuită. si suplimentare - M. , L  .: Chimie , 1965. - V. 3: Echilibru chimic şi cinetică. Proprietățile soluțiilor. Procese cu electrozi. - S. 743. - 1008 p. - 16.000 de exemplare.