Helyreállító tulajdonságok- ezek a fő Kémiai tulajdonságok minden fémre jellemző. Sokféle oxidálószerrel kölcsönhatásban nyilvánulnak meg, beleértve az oxidálószereket is környezet. BAN BEN Általános nézet egy fém kölcsönhatása oxidálószerekkel a következő sémával fejezhető ki:

Én + oxidálószer" Nekem(+X),

Ahol (+X) Me pozitív oxidációs állapota.

Példák fémoxidációra.

Fe + O 2 → Fe (+3) 4Fe + 3O 2 \u003d 2 Fe 2 O 3

Ti + I 2 → Ti(+4) Ti + 2I 2 = TiI 4

Zn + H + → Zn(+2) Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2

Fémek tevékenységsorozata

A fémek redukáló tulajdonságai különböznek egymástól. Az E elektródpotenciálokat a fémek redukáló tulajdonságainak mennyiségi jellemzőjeként használják.

Minél aktívabb a fém, annál negatívabb a standard elektródpotenciálja E o.

Az oxidatív aktivitásuk csökkenésével sorba rendezett fémek aktivitási sort alkotnak.

Fémek tevékenységsorozata

Nekem

Li

K

kb

Na

mg

Al

Mn

Zn

Kr

Fe

Ni

sn

Pb

H2

Cu

Ag

Au

Mez+

Li+

K+

Ca2+

Na+

Mg2+

Al 3+

Mn2+

Zn2+

Cr3+

Fe2+

Ni2+

sn 2+

Pb 2+

H+

Cu2+

Ag+

Au 3+

E o, B

-3,0

-2,9

-2,87

-2,71

-2,36

-1,66

-1,18

-0,76

-0,74

-0,44

-0,25

-0,14

-0,13

0

+0,34

+0,80

+1,50

A negatívabb Eo értékű fém képes redukálni a pozitívabb elektródpotenciálú fémkationt.

Egy fémnek a sójának egy másik, nagyobb redukáló aktivitású fémmel való oldatából történő redukálását cementálásnak nevezzük.. A cementezést a kohászati ​​technológiákban használják.

A Cd-t különösen úgy nyerik, hogy sójának cinkkel való oldatából redukálják.

Zn + Cd 2+ = Cd + Zn 2+

3.3. 1. Fémek kölcsönhatása oxigénnel

Az oxigén erős oxidálószer. A fémek túlnyomó többségét képes oxidálni, kivéveAuÉsPt . A levegőben lévő fémek oxigénnel érintkeznek, ezért a fémek kémiájának tanulmányozásakor mindig figyelmet kell fordítani a fém és az oxigén kölcsönhatásának jellemzőire.

Mindenki tudja, hogy a nedves levegőben lévő vasat rozsda borítja - hidratált vas-oxid. De sok fém kompakt állapotban nem túl magas hőmérsékleten ellenáll az oxidációnak, mivel vékony védőfóliát képeznek a felületükön. Ezek az oxidációs termékek filmjei nem teszik lehetővé az oxidálószernek a fémmel való érintkezését. Azt a jelenséget, amikor a fém felületén védőrétegek képződnek, amelyek megakadályozzák a fém oxidációját, fémpasszivációnak nevezzük.

A hőmérséklet emelkedése elősegíti a fémek oxigén általi oxidációját. A fémek aktivitása finom eloszlású állapotban növekszik. A por alakú fémek többsége oxigénben ég.

s-fémek

A legnagyobb helyreállító tevékenység láthatós- fémek. A Na, K, Rb Cs fémek levegőben képesek meggyulladni, ezeket zárt edényekben vagy kerozinréteg alatt tárolják. A Be és a Mg alacsony hőmérsékleten passziválódik a levegőben. De meggyújtva a Mg-csík vakító lánggal ég.

FémekIIAz A-alcsoportok és a Li oxigénnel kölcsönhatásba lépve oxidokat képeznek.

2Ca + O 2 \u003d 2CaO

4 Li + O 2 \u003d 2 Li 2 O

Alkáli fémek, kivéve:Li, amikor oxigénnel kölcsönhatásba lépnek, nem oxidokat, hanem peroxidokat képeznekNekem 2 O 2 és szuperoxidokMeO 2 .

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2

K + O 2 = KO 2

p-fémek

Fémek tulajdonábanp- a levegőben lévő blokkhoz passziváltak.

Ha oxigénben ég

• A IIIA alcsoportba tartozó fémek a következő típusú oxidokat képezik Én 2 O 3,
• Az Sn oxidálódik SNO 2 , és Pb - legfeljebb PbO
• Bi odamegy Bi 2 O 3.

d-fémek

Mindend- a 4. periódusú fémek oxigén hatására oxidálódnak. Az Sc, Mn, Fe a legkönnyebben oxidálódik. Különösen ellenálló a Ti, V, Cr korrózióval szemben.

Amikor oxigénben égetik mindenböld

Amikor oxigénben égetik mindenböld- a 4. periódus elemei, csak a szkandium, a titán és a vanádium képez oxidokat, amelyekben Me van a legmagasabb fokozat csoportszámmal egyenlő oxidáció. A 4. periódus fennmaradó d-fémei oxigénben elégetve oxidokat képeznek, amelyekben a Me közepes, de stabil oxidációs állapotban van.

A d-fémek által 4 periódusú oxigénben történő égés során keletkező oxidok típusai:

• Meo Zn, Cu, Ni, Co. (T>1000°С-on Cu Cu 2 O-t képez),
• Én 2 O 3, Cr, Fe és Sc formák,
• MeO 2 - Mn és Ti
• V alkotja a legmagasabb oxidot - V 2 O 5 .

d-az 5. és 6. periódus fémei, kivéve Y, La, minden más fémnél jobban ellenáll az oxidációnak. Ne reagáljon oxigénnel Au, Pt .

Amikor oxigénben égetikd- az 5 és 6 periódusú fémek általában magasabb oxidokat képeznek, kivételek az Ag, Pd, Rh, Ru fémek.

Az oxigénben való égés során 5 és 6 periódusú d-fémek által képződő oxidok típusai:

• Én 2 O 3- Y, La forma; Rh;
• MeO 2- Zr, Hf; Ir:
• Én 2 O 5- Nb, Ta;
• MeO 3- Mo, W
• Én 2 O 7- Tc, Re
• Meo 4 - Os
• MeO- Cd, Hg, Pd;
• Én 2 O- Ag;

Fémek kölcsönhatása savakkal

Savas oldatokban a hidrogénkation oxidálószer.. A H + kation hidrogénné oxidálhatja az aktivitássorba tartozó fémeket, azaz negatív elektródpotenciálokkal.

Sok fém savas vizes oldatban oxidálva kationokká alakulMez + .

Számos sav anionjai a H +-nál erősebb oxidáló tulajdonságokat képesek felmutatni. Az ilyen oxidálószerek közé tartoznak az anionok és a leggyakoribb savak H 2 ÍGY 4 ÉsHNO 3 .

Az anionok NO 3 - az oldatban bármilyen koncentrációban oxidáló tulajdonságokat mutatnak, de a redukciós termékek a sav koncentrációjától és az oxidált fém természetétől függenek.

Az SO 4 2-anionok csak koncentrált H 2 SO 4-ben mutatnak oxidáló tulajdonságokat.

Oxidálószer redukciós termékek: H + , NO 3 - , ÍGY 4 2 -

2H++2e-=H 2

ÍGY 4 2- tömény H 2 SO 4-ből ÍGY 4 2- + 2e - + 4 H + = ÍGY 2 + 2 H 2 O

(S, H 2 S képződése is lehetséges)

NO 3 - tömény HNO 3-ból NO 3 - + e - +2H+= NO 2 + H 2 O
NO 3 - hígított HNO 3-ból NO 3 - + 3e - +4H+=NO + 2H 2O

(Lehetőség van N 2 O, N 2, NH 4 + képzésére is)

Példák fémek savakkal való kölcsönhatásának reakcióira

Zn + H 2 SO 4 (razb.) "ZnSO 4 + H 2

8Al + 15H 2SO 4 (c.) "4Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 S + 12H 2 O

3Ni + 8HNO 3 (deb.) " 3Ni(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O

Cu + 4HNO 3 (c.) "Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Fémoxidációs termékek savas oldatokban

Az alkálifémek Me + típusú kationt, a második csoportba tartozó s-fémek kationokat képeznekÉn 2+.

A p-blokk fémek savakban oldva a táblázatban feltüntetett kationokat képezik.

A Pb és Bi fémek csak salétromsavban oldódnak.

Nekem	Al	Ga	Ban ben	Tl	sn	Pb	Kettős
Mez+	Al 3+	Ga3+	3+-ban	Tl+	sn 2+	Pb 2+	Bi 3+
Eo, B	-1,68	-0,55	-0,34	-0,34	-0,14	-0,13	+0,317

Minden d-metal 4 periódus, kivéve Cu , ionokkal oxidálhatóH+ savas oldatokban.

A d-fémek által alkotott kationok típusai 4 periódusban:

• Én 2+(Mn-től Cu-ig terjedő d-fémeket képeznek)
• én 3+ ( salétromsavban Sc, Ti, V, Cr és Fe).
• Ti és V is kationokat képez MeO 2+

d- az 5. és 6. periódusú elemek jobban ellenállnak az oxidációnak, mint a 4d- fémek.

Savas oldatokban a H + oxidálódhat: Y, La, Cd.

HNO 3-ban oldódhat: Cd, Hg, Ag. A forró HNO 3 feloldja a Pd-t, Tc-t, Re-t.

Forró H 2 SO 4-ben oldjuk fel: Ti, Zr, V, Nb, Tc, Re, Rh, Ag, Hg.

Fémek: Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W általában HNO 3 + HF elegyben oldódnak.

Aqua regiában (HNO 3 + HCl keverékek) a Zr, Hf, Mo, Tc, Rh, Ir, Pt, Au és Os nehezen oldódik fel. A fémek vízben vagy HNO 3 + HF keverékében való oldódásának oka a komplex vegyületek képződése.

Példa. Az arany feloldódása a regiovízben egy komplex képződése miatt válik lehetővé -

Au + HNO 3 + 4HCl \u003d H + NO + 2H 2 O

Fémek kölcsönhatása vízzel

A víz oxidáló tulajdonságai miatt H(+1).

2H 2O + 2e -" H 2 + 2OH -

Mivel a H + koncentrációja a vízben alacsony, oxidáló tulajdonságai alacsonyak. A fémek vízben oldódhatnak E< - 0,413 B. Число металлов, удовлетворяющих этому условию, значительно больше, чем число металлов, реально растворяющихся в воде. Причиной этого является образование на поверхности большинства металлов плотного слоя оксида, нерастворимого в воде. Если оксиды и гидроксиды металла растворимы в воде, то этого препятствия нет, поэтому щелочные и щелочноземельные металлы энергично растворяются в воде. Mindens- fémek, kivéve Be és Mg vízben könnyen oldódik.

2 Na + 2 HOH = H 2 + 2 Ó -

A Na heves reakcióba lép vízzel, hő szabadul fel. A kibocsátott H 2 meggyulladhat.

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

A Mg csak forrásban lévő vízben oldódik, a Be-t inert oldhatatlan oxid védi az oxidációtól

A p-blokk fémek kevésbé erős redukálószerek, mints.

A p-fémek közül a IIIA alcsoport fémeinél nagyobb a redukáló aktivitás, az Sn és a Pb gyenge redukáló szerek, a Bi Eo > 0.

a p-fémek normál körülmények között nem oldódnak vízben. Amikor a védőoxidot a felületről lúgos oldatban oldjuk, az Al, Ga és Sn víz oxidálja.

A d-fémek közül a víz oxidálja őket hevítve Sc és Mn, La, Y. A vas reakcióba lép a vízgőzzel.

Fémek kölcsönhatása lúgos oldatokkal

Lúgos oldatokban a víz oxidálószerként működik..

2H 2O + 2e - \u003dH 2 + 2OH - Eo \u003d - 0,826 B (pH \u003d 14)

A víz oxidáló tulajdonságai a pH növekedésével csökkennek, a H + koncentrációjának csökkenése miatt. Mindazonáltal, egyes vízben nem oldódó fémek lúgos oldatokban oldódnak, például Al, Zn és néhány más. Az ilyen fémek lúgos oldatokban való oldódásának fő oka az, hogy ezeknek a fémeknek az oxidjai és hidroxidjai amfoterek és lúgban oldódnak, megszüntetve az oxidálószer és a redukálószer közötti gátat.

Példa. Al feloldása NaOH-oldatban.

2Al + 3H 2O + 2NaOH + 3H 2O \u003d 2Na + 3H 2

Minden fémet redox aktivitásuktól függően fémek elektrokémiai feszültségsorozatának neveznek (mivel a benne lévő fémek a standard elektrokémiai potenciálok növekedésének sorrendjében vannak elrendezve), vagy egy fémaktivitás sorozatba:

Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H 2 , Cu, Hg, Ag, Рt, Au

A legreaktívabb fémek a hidrogénig terjedő aktivitási sorrendben vannak, és minél balra helyezkedik el a fém, annál aktívabb. Azok a fémek, amelyek a hidrogén mellett vannak az aktivitási sorozatban, inaktívnak minősülnek.

Alumínium

Az alumínium ezüstös fehér színű. Fő fizikai tulajdonságok alumínium - könnyű, magas hő- és elektromos vezetőképesség. Szabad állapotban, levegővel érintkezve az alumíniumot erős Al 2 O 3 oxidfilm borítja, ami ellenáll a tömény savaknak.

Az alumínium a p-fémek családjába tartozik. A külső energiaszint elektronikus konfigurációja 3s 2 3p 1. Az alumínium vegyületeiben „+3”-nak megfelelő oxidációs állapotot mutat.

Az alumíniumot ezen elem olvadt oxidjának elektrolízisével nyerik:

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

A termék alacsony hozama miatt azonban gyakrabban alkalmazzák az alumínium Na 3 és Al 2 O 3 keverékének elektrolízisével történő előállítását. A reakció 960 °C-ra melegítve és katalizátorok - fluoridok (AlF 3, CaF 2 stb.) jelenlétében megy végbe, miközben a katódon alumínium, az anódon pedig oxigén szabadul fel.

Az alumínium kölcsönhatásba léphet vízzel, miután eltávolította az oxidréteget a felületéről (1), kölcsönhatásba léphet egyszerű anyagokkal (oxigén, halogének, nitrogén, kén, szén) (2-6), savakkal (7) és bázisokkal (8):

2Al + 6H 2O \u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2 (1)

2Al + 3 / 2O 2 \u003d Al 2 O 3 (2)

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 (3)

2Al + N 2 = 2AlN (4)

2Al + 3S \u003d Al 2 S 3 (5)

4Al + 3C \u003d Al 4 C 3 (6)

2Al + 3H 2SO 4 \u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 (7)

2Al + 2NaOH + 3H 2 O \u003d 2Na + 3H 2 (8)

Kalcium

A Ca szabad formájában ezüstös-fehér fém. Levegőnek kitéve azonnal sárgás filmréteg borítja, ami a levegő alkotórészeivel való kölcsönhatás eredménye. A kalcium meglehetősen kemény fém, köbös felületű kristályrácsa van.

A külső energiaszint elektronikus konfigurációja 4s 2. A kalcium vegyületeiben „+2”-nek megfelelő oxidációs állapotot mutat.

A kalciumot olvadt sók, leggyakrabban kloridok elektrolízisével nyerik:

CaCl 2 \u003d Ca + Cl 2

A kalcium képes vízben oldódni erős bázikus tulajdonságokat mutató hidroxidok képződésével (1), reakcióba lép oxigénnel (2), oxidokat képez, kölcsönhatásba lép nemfémekkel (3-8), savakban oldódik (9):

Ca + H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + H 2 (1)

2Ca + O 2 \u003d 2CaO (2)

Ca + Br 2 \u003d CaBr 2 (3)

3Ca + N 2 \u003d Ca 3 N 2 (4)

2Ca + 2C = Ca 2C 2 (5)

2Ca + 2P = Ca 3P 2 (7)

Ca + H 2 \u003d CaH 2 (8)

Ca + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 (9)

Vas és vegyületei

A vas egy szürke fém. Tiszta formájában meglehetősen puha, képlékeny és képlékeny. A külső energiaszint elektronikus konfigurációja 3d 6 4s 2. Vegyületeiben a vas „+2” és „+3” oxidációs állapotot mutat.

A fémvas reakcióba lép a vízgőzzel, vegyes oxidot képezve (II, III) Fe 3 O 4:

3Fe + 4H 2O (v) ↔ Fe 3O 4 + 4H 2

Levegőben a vas könnyen oxidálódik, különösen nedvesség jelenlétében (rozsdásodik):

3Fe + 3O 2 + 6H 2 O \u003d 4Fe (OH) 3

Más fémekhez hasonlóan a vas is reakcióba lép egyszerű anyagokkal, például halogénekkel (1), savakban (2) oldódik:

Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2 (2)

A vas számos vegyületet képez, mivel számos oxidációs állapotot mutat: vas(II)-hidroxid, vas(III)-hidroxid, sók, oxidok stb. Tehát a vas(II)-hidroxid előállítható alkáli oldatok vas(II)sókon történő hatására levegő hozzáférés nélkül:

FeSO 4 + 2NaOH \u003d Fe (OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4

A vas(II)-hidroxid savakban oldódik, és oxigén jelenlétében vas(III)-hidroxiddá oxidálódik.

A vas (II) sói redukálószer tulajdonságait mutatják, és vas (III) vegyületekké alakulnak.

A vas-oxid (III) nem nyerhető vas oxigénben történő elégetésével, ennek előállításához vas-szulfidokat kell elégetni vagy egyéb vassókat kalcinálni:

4FeS 2 + 11O 2 \u003d 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

2FeSO 4 \u003d Fe 2 O 3 + SO 2 + 3H 2 O

A vas(III)-vegyületek gyenge oxidáló tulajdonságokkal rendelkeznek, és erős redukálószerekkel képesek bejutni az OVR-be:

2FeCl 3 + H 2 S \u003d Fe (OH) 3 ↓ + 3NaCl

Vas- és acélgyártás

Az acélok és az öntöttvasak vas ötvözetei szénnel, a széntartalom az acélban legfeljebb 2%, az öntöttvasban pedig 2-4%. Az acélok és öntöttvasak ötvöző adalékokat tartalmaznak: acélok - Cr, V, Ni és öntöttvas - Si.

Kioszt különböző típusok acélok, így rendeltetésük szerint szerkezeti, rozsdamentes, szerszám-, hőálló és kriogén acélokat különböztetnek meg. Által kémiai összetétel felosztani a szén (alacsony, közepes és magas széntartalmú) és ötvözött (alacsony, közepes és erősen ötvözött). Szerkezettől függően ausztenites, ferrites, martenzites, perlites és bainites acélokat különböztetnek meg.

Az acélok a nemzetgazdaság számos ágazatában találtak alkalmazásra, például az építőiparban, a vegyiparban, a petrolkémiai iparban, a környezetvédelemben, a közlekedési energetikában és más iparágakban.

Az öntöttvas - cementit vagy grafit széntartalmának formájától, valamint mennyiségüktől függően az öntöttvas többféle típusát különböztetik meg: fehér (a törés világos színe a cementit formájában lévő szén jelenléte miatt), szürke (a törés szürke színe a grafit formájában jelenlévő szén miatt), képlékeny és hőálló. Az öntöttvasak nagyon törékeny ötvözetek.

Az öntöttvas felhasználási területei kiterjedtek - művészi dekorációk (kerítések, kapuk), karosszériaelemek, vízvezeték-berendezések, háztartási cikkek (serpenyők) öntöttvasból készülnek, az autóiparban használják.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

A feladat	26,31 g tömegű magnézium és alumínium ötvözetet sósavban oldunk. Ebben az esetben 31,024 liter színtelen gáz szabadult fel. Határozza meg az ötvözetben lévő fémek tömeghányadát!
Megoldás	Mindkét fém képes reagálni sósavval, aminek következtében hidrogén szabadul fel: Mg + 2HCl \u003d MgCl 2 + H 2 2Al + 6HCl \u003d 2AlCl 3 + 3H 2 Határozza meg a felszabaduló hidrogén móljainak teljes számát: v(H 2) \u003d V (H 2) / V m v (H 2) \u003d 31,024 / 22,4 \u003d 1,385 mol Legyen az Mg anyag mennyisége x mol, Al pedig y mol. Ezután a reakcióegyenletek alapján felírhatunk egy kifejezést a hidrogén teljes mólszámára: x + 1,5y = 1,385 A keverékben lévő fémek tömegét fejezzük ki: Ezután a keverék tömegét a következő egyenlet fejezi ki: 24x + 27 év = 26,31 Kaptunk egy egyenletrendszert: x + 1,5y = 1,385 24x + 27 év = 26,31 Oldjuk meg: 33,24 -36 év + 27 év \u003d 26,31 v(Al) = 0,77 mol v(Mg) = 0,23 mol Ezután a keverékben lévő fémek tömege: m (Mg) \u003d 24 × 0,23 \u003d 5,52 g m(Al) = 27 × 0,77 \u003d 20,79 g Határozza meg a fémek tömeghányadát a keverékben: ώ =m(Me)/m összeg × 100% ώ(Mg) = 5,52 / 26,31 × 100% = 20,98% ώ(Al) = 100 - 20,98 = 79,02%
Válasz	Fémek tömeghányada az ötvözetben: 20,98%, 79,02%

Grosse E., Weissmantel X.

Kémia a kíváncsiskodóknak. A kémia alapjai és szórakoztató kísérletek.

3. fejezet (folytatás)

A FÉMEK ELEKTROKÉMIÁJÁNAK KIS TANFOLYAMJA

Az alkálifém-kloridok oldatainak elektrolízisével és a fémek olvadék felhasználásával történő előállításával már megismerkedtünk. Most próbáljunk ki néhány egyszerű kísérletet, hogy tanulmányozzuk a vizes oldatok, galvánelemek elektrokémiájának néhány törvényét, és ismerkedjünk meg a galvanikus védőbevonatok előállításával is.
Elektrokémiai módszerek alkalmazzák a modern analitikai kémia, az elméleti kémia legfontosabb mennyiségeinek meghatározását szolgálják.
Végül a fémtárgyak korróziója, amely nagy nemzetgazdasági károkat okoz, a legtöbb esetben elektrokémiai folyamat.

FÉMEK FESZÜLTSÉGTARTOMÁNYA

Az elektrokémiai folyamatok megértésének alapvető láncszeme a fémek feszültségsorai. A fémek sorba rendezhetők, amely a reaktív nemesfémekkel kezdődik és a legkevésbé reakcióképes nemesfémekkel végződik:
Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Mg, Al, Be, Mn, Zn, Cr, Ga, Fe, Cd, Tl, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, As, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Így jön létre a legújabb elképzelések szerint egy sor feszültség a legfontosabb fémekre és a hidrogénre. Ha a galvánelem elektródái egy sor bármely két féméből készülnek, akkor a sor előtti anyagon negatív feszültség jelenik meg.
Feszültség értéke ( elektrokémiai potenciál) függ az elem helyzetétől a feszültségsorban és az elektrolit tulajdonságaitól.
Néhány egyszerű kísérletből felállítjuk a feszültségsorok lényegét, amihez áramforrásra és elektromos mérőműszerekre van szükség. Kb. 10 g kristályos réz-szulfátot oldjunk fel 100 ml vízben, és merítsünk az oldatba egy acéltűt vagy egy darab vaslapot. (Javasoljuk, hogy először egy vékony csiszolt kendővel tisztítsa meg fényesre a vasalót.) Rövid idő elteltével a vasalót vöröses rézréteg borítja. Az aktívabb vas kiszorítja a rezet az oldatból, a vas ionként oldódik, a réz pedig fémként szabadul fel. A folyamat addig tart, amíg az oldat érintkezik a vassal. Amint a réz a vas teljes felületét beborítja, gyakorlatilag leáll. Ebben az esetben meglehetősen porózus rézréteg képződik, így áram nélkül nem lehet védőbevonatot készíteni.
A következő kísérletekben kis cink- és ólom-óncsíkokat süllyesztünk a réz-szulfát oldatba. 15 perc elteltével vegye ki, öblítse le és vizsgálja meg mikroszkóp alatt. Gyönyörű, jégszerű mintákat láthatunk, amelyek visszaverődő fényben pirosak és felszabaduló rézből állnak. Itt is az aktívabb fémek vitték át a rezet az ionos állapotból a fémes állapotba.
A réz viszont kiszoríthatja azokat a fémeket, amelyek alacsonyabbak a feszültségsorozatban, azaz kevésbé aktívak. Egy vékony rézlemezre vagy egy lapított rézhuzalra (a felületet előzőleg fényesre tisztítva) csepegtessünk néhány csepp ezüst-nitrát oldatot. Szabad szemmel észrevehető lesz a kialakult feketés bevonat, amely mikroszkóp alatt visszavert fényben vékony tűleveleknek és növényi mintáknak (ún. dendriteknek) tűnik.
A cink áram nélküli izolálásához aktívabb fémet kell használni. A vízzel heves kölcsönhatásba lépő fémek kivételével a magnéziumot a cink feletti feszültségek sorozatában találjuk. Néhány csepp cink-szulfát-oldatot teszünk egy magnéziumszalagra vagy egy vékony elektronforgácsra. A cink-szulfát oldatát úgy kapjuk, hogy egy darab cinket feloldunk híg kénsavban. A cink-szulfáttal egyidejűleg adjunk hozzá néhány csepp denaturált alkoholt. A magnéziumon rövid idő elteltével – különösen mikroszkóp alatt – észrevesszük, hogy a cink vékony kristályok formájában kivált.
Általában a feszültségsor bármely tagja kiszorítható az oldatból, ahol ion formájában van, és átvihető fémes állapotba. A legkülönfélébb kombinációk kipróbálásakor azonban csalódhatunk. Úgy tűnik, hogy ha egy alumíniumcsíkot réz-, vas-, ólom- és cinksó-oldatba merítenek, ezeknek a fémeknek ki kell állniuk rajta. Ez azonban nem történik meg. A meghibásodás oka nem a feszültségsor hibájában rejlik, hanem a reakció speciális gátlásán alapul, ami jelen esetben az alumínium felületén lévő vékony oxidréteg miatt. Az ilyen megoldásokban az alumíniumot passzívnak nevezik.

NÉZÜNK MEG A SZÍNEN MŰVELŐRE

A folyamatban lévő folyamatok mintázatainak megfogalmazásához korlátozódhatunk a kationok figyelembevételére, az anionok kizárására, mivel azok maguk nem vesznek részt a reakcióban. (Az anionok típusa azonban befolyásolja a lerakódás sebességét.) Ha az egyszerűség kedvéért feltételezzük, hogy a felszabaduló és az oldott fémek is kétszeres töltésű kationokat adnak, akkor felírhatjuk:

Én 1 + Én 2 2+ = Én 1 2+ + Én 2

Sőt, az első kísérletnél Me 1 = Fe, Me 2 = Сu.
Tehát a folyamat a töltések (elektronok) cseréjéből áll mindkét fém atomjai és ionjai között. Ha külön-külön (köztes reakcióként) tekintjük a vas oldódását vagy a réz kiválását, akkor a következőt kapjuk:

Fe = Fe 2+ + 2 e --

Сu 2+ + 2 e--=Cu

Tekintsük most azt az esetet, amikor a fémet vízbe vagy sóoldatba merítjük, amelynek kationjával a feszültségsorozatban elfoglalt helye miatt a csere lehetetlen. Ennek ellenére a fém hajlamos ion formájában oldatba menni. Ilyenkor a fématom két elektront ad fel (ha a fém kétértékű), az oldatba merített fém felülete az oldathoz képest negatívan töltődik, és a határfelületen kettős elektromos réteg képződik. Ez a potenciálkülönbség megakadályozza a fém további feloldódását, így a folyamat hamarosan leáll.
Ha két különböző fémet merítünk egy oldatba, akkor mindkettő töltődik, de a kevésbé aktív valamivel gyengébb, mivel az atomjai kevésbé hajlamosak az elektronok leválasztására.
Csatlakoztassa mindkét fémet egy vezetővel. A potenciálkülönbség miatt az elektronok áramlása az aktívabb fémtől a kevésbé aktív fém felé áramlik, amely az elem pozitív pólusát képezi. Olyan folyamat játszódik le, amelyben az aktívabb fém oldatba kerül, és az oldatból a kationok a nemesebb fémre szabadulnak fel. Most néhány kísérlettel illusztráljuk a fenti, kissé elvont érvelést (ami ráadásul durva leegyszerűsítés).
Először töltsünk meg egy 250 ml-es főzőpoharat a közepéig 10%-os kénsavoldattal, és merítsünk bele nem túl kis cink- és rézdarabokat. Mindkét elektródára rézhuzalt forrasztunk vagy szegecselünk, melynek végei ne érjenek az oldathoz.
Amíg a vezeték végei nem kapcsolódnak egymáshoz, addig a cink feloldódását figyeljük meg, ami hidrogén felszabadulásával jár. A cink, amint a feszültségsorból következik, aktívabb, mint a hidrogén, így a fém kiszoríthatja a hidrogént az ionos állapotból. Mindkét fém elektromos kettős réteget alkot. Az elektródák közötti potenciálkülönbséget voltmérővel lehet a legkönnyebben kimutatni. Közvetlenül az eszköz áramkörben történő bekapcsolása után a nyíl körülbelül 1 V-ot mutat, de ekkor a feszültség gyorsan csökken. Ha egy kis izzót csatlakoztat az 1 V feszültséget fogyasztó elemhez, akkor az kigyullad - eleinte elég erősen, majd a fény gyengül.
A készülék kivezetéseinek polaritása alapján megállapíthatjuk, hogy a rézelektróda pozitív pólus. Ez a folyamat elektrokémiáját figyelembe véve eszköz nélkül is bizonyítható. Kis főzőpohárban vagy kémcsőben készítsünk konyhasó telített oldatát, adjunk hozzá kb. 0,5 ml fenolftalein indikátor alkoholos oldatát, és merítsük az oldatba mindkét huzallal lezárt elektródát. A negatív pólus közelében enyhe vöröses elszíneződés figyelhető meg, amelyet a katódon lévő nátrium-hidroxid képződés okoz.
Más kísérletekben különféle fémpárokat lehet elhelyezni a cellában, és meghatározni a kapott feszültséget. Például a magnézium és az ezüst különösen nagy potenciálkülönbséget ad a köztük lévő jelentős távolság miatt egy feszültségsorozatban, míg a cink és a vas éppen ellenkezőleg, nagyon kicsi, kevesebb, mint egy tized volt. Alumíniumot használva gyakorlatilag nem fogunk áramot kapni a passziválás miatt.
Mindezeknek az elemeknek, vagy ahogy az elektrokémikusok mondják, az áramköröknek megvan az a hátránya, hogy áramfelvételkor a feszültség nagyon gyorsan leesik rajtuk. Ezért az elektrokémikusok a feszültség valódi értékét feszültségmentes állapotban mindig feszültségkompenzációs módszerrel mérik, vagyis egy másik áramforrás feszültségével hasonlítják össze.
Tekintsük részletesebben a réz-cink elemben zajló folyamatokat. A katódon a cink a következő egyenlet szerint megy oldatba:

Zn = Zn2+ + 2 e --

A kénsav hidrogénionjai a réz anódon kisülnek. A cinkkatódról a huzalon keresztül érkező elektronokat kötik össze, és ennek eredményeként hidrogénbuborékok képződnek:

2H + + 2 e-- \u003d H 2

Rövid idő elteltével a rezet vékony hidrogénbuborékréteg borítja. Ebben az esetben a rézelektróda hidrogénelektródává változik, és a potenciálkülönbség csökken. Ezt a folyamatot elektródapolarizációnak nevezik. A rézelektróda polarizációja kiküszöbölhető, ha a feszültségesés után kevés kálium-dikromát oldatot adunk a cellához. Ezt követően a feszültség ismét megnő, mivel a kálium-dikromát a hidrogént vízzé oxidálja. A kálium-dikromát ebben az esetben depolarizátorként működik.
A gyakorlatban galvanikus áramköröket alkalmaznak, amelyek elektródái nem polarizáltak, vagy olyan áramköröket, amelyek polarizációja depolarizátorok hozzáadásával kiküszöbölhető.
A nem polarizálható elem példájaként vegyük a Daniell elemet, amelyet gyakran használtak áramforrásként. Ez is egy réz-cink elem, de mindkét fémet különböző oldatokba merítik. A cinkelektródát híg (kb. 20%-os) kénsavval töltött porózus agyagcellába helyezzük. Az agyagcellát egy nagy főzőpohárban szuszpendálják, amely réz-szulfát koncentrált oldatát tartalmazza, és az alján egy réteg réz-szulfát kristályok találhatók. A második elektróda ebben az edényben egy rézlemezből készült henger.
Ez az elem készülhet egy üvegedényből, egy kereskedelemben kapható agyagcellából (szélsőséges esetben használjon virágcserepet, zárja le az alján lévő lyukat) és két megfelelő méretű elektródából.
Az elem működése során a cink cink-szulfát képződésével oldódik, és a rézelektródán rézionok szabadulnak fel. Ugyanakkor a rézelektróda nem polarizált, és az elem körülbelül 1 V feszültséget ad. Valójában elméletileg 1,10 V a feszültség a kivezetéseken, de áramfelvételkor valamivel alacsonyabb értéket mérünk, mivel nak nek elektromos ellenállás sejteket.
Ha nem vonjuk ki az áramot a cellából, akkor a kénsavas oldatból el kell távolítani a cinkelektródát, mert különben feloldódik és hidrogén keletkezik.
Az ábrán egy egyszerű cella diagramja látható, amelyhez nincs szükség porózus válaszfalra. A cinkelektróda az üvegedényben felül, a rézelektróda pedig alul található. Az egész cellát megtöltjük telített nátrium-klorid oldattal. Az edény aljára egy marék réz-szulfát kristályt öntünk. A kapott koncentrált réz-szulfát oldat nagyon lassan keveredik a konyhasó oldattal. Ezért a cella működése során réz szabadul fel a rézelektródán, és a cink szulfát vagy klorid formájában feloldódik a cella felső részében.
Az akkumulátorok ma már szinte kizárólag szárazelemeket használnak, amelyek kényelmesebbek. Ősük a Leclanchet elem. Az elektródák egy cinkhenger és egy szénrúd. Az elektrolit egy paszta, amely főleg ammónium-kloridból áll. A cink feloldódik a pépben, és hidrogén szabadul fel a szénben. A polarizáció elkerülése érdekében a szénrudat egy vászonzacskóba engedik le szénpor és piroluzit keverékével. A szénpor megnöveli az elektróda felületét, a piroluzit pedig depolarizálóként működik, lassan oxidálja a hidrogént.
Igaz, a piroluzit depolarizáló képessége gyengébb, mint a korábban említett kálium-dikromáté. Ezért amikor a száraz cellákban áramot kapnak, a feszültség gyorsan csökken, fáradj el"a polarizáció miatt. Csak egy idő után megy végbe a hidrogén oxidációja piroluzittal. Így az elemek" pihenés", ha egy ideig nem vezeti át az áramot. Ezt egy elemlámpa elemen ellenőrizzük, amelyre egy izzót csatlakoztatunk. A lámpával párhuzamosan, vagyis közvetlenül a kivezetésekre egy voltmérőt csatlakoztatunk.
Eleinte a feszültség körülbelül 4,5 V lesz. (Az ilyen akkumulátorokban leggyakrabban három cellát kapcsolnak sorba, mindegyik elméleti feszültsége 1,48 V.) Egy idő után a feszültség csökken, a villanykörte gyengül. A voltmérő leolvasásával meg tudjuk ítélni, mennyi ideig kell pihennie az akkumulátornak.
Különleges helyet foglalnak el a regeneráló elemek, az ún akkumulátorok. Reverzibilis reakciók mennek végbe bennük, és a cella lemerülése után külső egyenáramforrásra csatlakoztatva újratölthetők.
Jelenleg az ólom-savas akkumulátorok a legelterjedtebbek; bennük az elektrolit híg kénsav, amelybe két ólomlemezt merítenek. A pozitív elektródát PbO 2 ólom-dioxiddal vonják be, a negatív elektródát fémólom. A kivezetéseken a feszültség kb. 2,1 V. Kisütéskor mindkét lemezen ólom-szulfát képződik, amely a töltés során ismét fém ólommá, illetve ólom-peroxiddá alakul.

BEVONATOK

Fémek kicsapása vizes oldatokból felhasználásával elektromos áram az elektrolitikus oldódás fordított folyamata, amellyel a galvánelemek vizsgálatakor találkoztunk. Először is vizsgáljuk meg a réz kiválását, amelyet egy réz kulométerben használnak az elektromosság mennyiségének mérésére.

A fém áram hatására rakódik le

Két vékony rézlemez végeit meghajlítva felakasztjuk őket egy főzőpohár vagy jobb esetben egy kis üvegakvárium szemközti falára. A vezetékeket kapcsokkal rögzítjük a lemezekhez.
Elektrolit a következő recept szerint készítsük el: 125 g kristályos réz-szulfátot, 50 g tömény kénsavat és 50 g alkoholt (denaturált alkoholt), a többi 1 literes víz. Ehhez először oldjunk fel réz-szulfátot 500 ml vízben, majd óvatosan, kis részletekben adjunk hozzá kénsavat ( A fűtés! Folyadék kifröccsenhet!), majd öntsünk alkoholt és forraljuk fel a vizet 1 literes térfogatra.
Az elkészített oldattal megtöltjük a kulométert és az áramkörbe egy változó ellenállást, egy ampermérőt és egy ólomelemet teszünk. Az ellenállás segítségével az áramerősséget úgy állítjuk be, hogy sűrűsége 0,02-0,01 A/cm 2 legyen az elektróda felületén. Ha a rézlemez területe 50 cm 2, akkor az áramerősségnek 0,5-1 A tartományban kell lennie.
Egy idő után világosvörös fémréz kezd kicsapódni a katódon (negatív elektróda), és a réz feloldódik az anódon (pozitív elektróda). A rézlemezek tisztításához körülbelül fél órán keresztül áramot vezetünk a coulométerben. Ezután kivesszük a katódot, szűrőpapírral óvatosan megszárítjuk és pontosan lemérjük. A cellába elektródát szerelünk, az áramkört reosztáttal lezárjuk, és állandó áramot tartunk fenn, például 1 A-t. Egy óra múlva kinyitjuk az áramkört, és ismét lemérjük a megszáradt katódot. Működési óránkénti 1 A áram mellett tömege 1,18 g-mal nő.
Ezért 1 amperórának megfelelő mennyiségű elektromosság, amikor áthalad az oldaton, 1,18 g rezet szabadíthat fel. Vagy általában: a felszabaduló anyag mennyisége egyenesen arányos az oldaton áthaladó elektromosság mennyiségével.
Egy ekvivalens ion izolálásához annyi elektromos áramot kell átengedni az oldaton, amely megegyezik az e elektródtöltés és az Avogadro-szám szorzatával. N V:
e*N A = 1,6021 * 10 -19 * 6,0225 * 10 23 \u003d 9,65 * 10 4 A * s * mol -1 Ezt az értéket a szimbólum jelzi Fés az elektrolízis mennyiségi törvényeinek felfedezőjéről kapta a nevét Faraday szám(pontos érték F- 96 498 A * s * mol -1). Ezért adott számú ekvivalenst izolálni egy megoldásból n e az oldaton keresztül egyenlő mennyiségű villamos energia F*n e A * s * mol -1. Más szavakkal,
Azt =F*n e Itt én- jelenlegi, t az az idő, amely alatt az áram áthalad az oldaton. Szakaszban " A titrálás alapjai"Már kimutatták, hogy egy anyag egyenértékeinek száma n e egyenlő a mólok számának az ekvivalens számmal való szorzatával:
n e = n*Z Következésképpen:

én*t = F*n*Z

Ebben az esetben Z- iontöltés (Ag + esetén Z= 1, Cu 2+ esetén Z= 2, Al 3+ esetén Z= 3 stb.). Ha a mólok számát a tömeg és a moláris tömeg arányaként fejezzük ki ( n = m/M), akkor kapunk egy képletet, amely lehetővé teszi az elektrolízis során előforduló összes folyamat kiszámítását:

Azt =F*m*Z/M

Ezzel a képlettel kiszámíthatja az áramerősséget:

én = F*m*Z/(t*M)\u003d 9,65 * 10 4 * 1,18 * 2 / (3600 * 63,54) A * s * g * mol / (s * mol * g) \u003d 0,996 A

Ha bevezetjük az arányt az elektromos munkákra W email

W email = U*I*tÉs W email / U = Azt

Aztán ismerve a feszültséget U, kiszámolhatod:

W email = F*m*Z*U/M

Kiszámolhatja azt is, hogy mennyi ideig tart egy bizonyos mennyiségű anyag elektrolitikus felszabadulása, vagy egy adott idő alatt mennyi anyag szabadul fel. A kísérlet során az áramsűrűséget a megadott határok között kell tartani. Ha kisebb, mint 0,01 A / cm 2, akkor túl kevés fém szabadul fel, mivel részben réz (I) ionok képződnek. Ha az áramsűrűség túl nagy, akkor a bevonat elektródához való tapadása gyenge lesz, és ha az elektródát eltávolítják az oldatból, széteshet.
A gyakorlatban a fémek galvanikus bevonatait elsősorban a korrózió elleni védelem és a tükörfényezés érdekében használják.
Ezenkívül a fémeket, különösen a rezet és az ólmot anódos oldással, majd a katódon történő elválasztással finomítják (elektrolitikus finomítás).
A vas rézzel vagy nikkellel történő bevonásához először alaposan meg kell tisztítani a tárgy felületét. Ehhez fényesítsd ki elutriált krétával, majd zsírtalanítsd nátronlúg, víz és alkohol híg oldatával. Ha a tárgyat rozsda borítja, előzetesen 10-15%-os kénsavas oldatban kell pácolni.
A megtisztított terméket elektrolit fürdőbe (kis akváriumba vagy főzőpohárba) akasztjuk, ahol katódként fog szolgálni.
A rézbevonat alkalmazására szolgáló oldat 250 g réz-szulfátot és 80-100 g tömény kénsavat tartalmaz 1 liter vízben (Vigyázat!). Ebben az esetben egy rézlemez szolgál anódként. Az anód felületének megközelítőleg egyenlőnek kell lennie a bevont tárgy felületével. Ezért mindig gondoskodnia kell arról, hogy a réz anód a katóddal azonos mélységben lógjon a fürdőben.
A folyamatot 3-4 V feszültségen hajtják végre (két ujratölthető elemek) és az áramsűrűség 0,02-0,4 A/cm 2 . Az oldat hőmérséklete a fürdőben 18-25 °C legyen.
Ügyeljen arra, hogy az anód síkja és a bevonandó felület párhuzamos legyen egymással. Jobb, ha nem használ összetett alakú tárgyakat. Az elektrolízis időtartamának változtatásával különböző vastagságú rézbevonatot lehet előállítani.
Előzetes rézbevonatot gyakran alkalmaznak annak érdekében, hogy erre a rétegre egy másik fém tartós bevonatot vigyenek fel. Ezt különösen gyakran használják vas-krómozásnál, horganyzásnál, nikkelezésnél és más esetekben. Igaz, nagyon mérgező cianid elektrolitokat használnak erre a célra.
A nikkelezéshez szükséges elektrolit elkészítéséhez oldjunk fel 25 g kristályos nikkel-szulfátot, 10 g bórsavat vagy 10 g nátrium-citrátot 450 ml vízben. A nátrium-citrát úgy állítható elő, hogy 10 g citromsav oldatát híg nátronlúggal vagy szódaoldattal semlegesítjük. Legyen az anód esetleg nikkellemez nagyobb terület, és vegyük az akkumulátort feszültségforrásnak.
Az áramsűrűség értéke változó ellenállás segítségével 0,005 A/cm 2 marad. Például 20 cm 2 tárgyfelület esetén 0,1 A áramerősséggel kell dolgozni. Fél óra munka után a tárgy már nikkelezett lesz. Vegye ki a fürdőből, és törölje le egy ronggyal. A nikkelezési folyamatot azonban jobb nem megszakítani, mert akkor a nikkelréteg passziválódhat, és az ezt követő nikkelbevonat nem tapad jól.
A mechanikus polírozás nélküli tükörfény elérése érdekében a bevonófürdőbe úgynevezett fényesítő adalékot viszünk be. Ilyen adalékok például a ragasztó, zselatin, cukor. Beléphet egy nikkelfürdőbe, például néhány gramm cukrot, és tanulmányozhatja a hatását.
A vaskrómozáshoz szükséges elektrolit elkészítéséhez (előzetes rézbevonat után) 100 ml vízben (semmileg többet!) oldunk fel 40 g CrO 3 króm-anhidridet (Vigyázat! Méreg!) és pontosan 0,5 g kénsavat. A folyamat körülbelül 0,1 A/cm 2 áramsűrűséggel megy végbe, anódként egy ólomlemezt használnak, amelynek területe valamivel kisebb legyen, mint a krómozott felület.
A nikkel- és krómfürdőket legjobb enyhén felmelegíteni (kb. 35 °C-ig). Felhívjuk figyelmét, hogy a krómozáshoz használt elektrolitok, különösen hosszú folyamat és nagy áramerősség esetén, krómsavat tartalmazó gőzöket bocsátanak ki, amelyek nagyon károsak az egészségre. Ezért a krómozást huzat alatt vagy szabadban, például erkélyen kell elvégezni.
A krómozásnál (és kisebb mértékben a nikkelezésnél) nem az áram teljes mennyiségét használják fel fémleválasztásra. Ugyanakkor hidrogén szabadul fel. Feszültségsorok alapján elvárható lenne, hogy a hidrogén előtt álló fémek egyáltalán ne váljanak ki a vizes oldatokból, hanem éppen ellenkezőleg, kevésbé aktív hidrogén szabaduljon fel. Azonban itt is, akárcsak a fémek anódos oldódásánál, a hidrogén katódos fejlődése gyakran gátolt, és csak nagy feszültségnél figyelhető meg. Ezt a jelenséget hidrogén túlfeszültségnek nevezik, és különösen nagy, például ólom esetében. Emiatt az ólom akkumulátor működhet. Az akkumulátor feltöltésekor PbO 2 helyett hidrogénnek kell megjelennie a katódon, de a túlfeszültség miatt a hidrogénfejlődés akkor kezdődik, amikor az akkumulátor majdnem teljesen feltöltődött.

Ha a standard elektródpotenciálok teljes sorozatából csak azokat az elektródfolyamatokat emeljük ki, amelyek megfelelnek az általános egyenletnek

akkor a fémek feszültségeinek sorozatát kapjuk. A fémeken kívül a hidrogén is mindig szerepel ebben a sorozatban, ami lehetővé teszi, hogy megnézzük, mely fémek képesek kiszorítani a hidrogént a savak vizes oldataiból.

19. táblázat

A táblázatban találhatók a legfontosabb fémekre vonatkozó feszültségek. 19. Egy adott fém feszültségsorozatban elfoglalt helyzete jellemzi azt a képességét, hogy normál körülmények között vizes oldatokban redox kölcsönhatásokat vált ki. A fémionok oxidálószerek, az egyszerű anyagok formájában lévő fémek pedig redukálószerek. Sőt, minél távolabb helyezkedik el a fém a feszültségsorozatban, annál inkább erős oxidálószer vizes oldatban ionjai vannak, és fordítva, minél közelebb van a fém a sorozat elejéhez, annál erősebbek a redukáló tulajdonságok egy egyszerű anyag - a fém - által.

Az elektróda folyamat potenciálja

semleges közegben B (lásd 273. oldal). aktív fémek a sorozat kezdetei, amelyek potenciálja sokkal negatívabb, mint -0,41 V, kiszorítják a hidrogént a vízből. A magnézium csak a hidrogént szorítja ki forró víz. A magnézium és a kadmium között elhelyezkedő fémek általában nem szorítják ki a hidrogént a vízből. Ezen fémek felületén oxidfilmek képződnek, amelyek védő hatást fejtenek ki.

A magnézium és a hidrogén között elhelyezkedő fémek kiszorítják a hidrogént a savas oldatokból. Ugyanakkor egyes fémek felületén védőfóliák is képződnek, amelyek gátolják a reakciót. Így az alumíniumon lévő oxidfilm nem csak vízben, hanem bizonyos savak oldatában is ellenállóvá teszi ezt a fémet. alatti koncentrációban az ólom nem oldódik kénsavban, mivel az ólom és a kénsav kölcsönhatása során keletkező só oldhatatlan, és védőfilmet hoz létre a fém felületén. A fémoxidáció mély gátlásának jelenségét, amely a felületén védő oxid- vagy sórétegek jelenléte miatt következik be, passzivitásnak, a fém állapotát ebben az esetben passzív állapotnak nevezzük.

A fémek képesek kiszorítani egymást a sóoldatokból. A reakció irányát ebben az esetben a feszültségsorozatban elfoglalt kölcsönös helyzetük határozza meg. Figyelembe véve az ilyen reakciók konkrét eseteit, emlékezni kell arra, hogy az aktív fémek nemcsak a vízből, hanem bármely vizes oldatból is kiszorítják a hidrogént. Ezért a fémek sóoldataiból való kölcsönös kiszorítása gyakorlatilag csak a magnézium utáni sorban elhelyezkedő fémek esetében fordul elő.

A fémek vegyületeikből más fémek általi kiszorítását először Beketov vizsgálta részletesen. Munkája eredményeként a fémeket kémiai aktivitásuk szerint eltolási sorozatba rendezte, amely a fémfeszültségek sorozatának prototípusa.

Egyes fémek kölcsönös helyzete a feszültségsorokban és a periódusos rendszerben első ránézésre nem felel meg egymásnak. Például a periódusos rendszerben elfoglalt helyzet szerint a kálium reaktivitása nagyobb kell legyen, mint a nátrium, a nátrium pedig nagyobb, mint a lítium. A feszültségsorokban a lítium a legaktívabb, a kálium pedig a lítium és a nátrium között középső helyet foglal el. A cinknek és a réznek a periódusos rendszerben elfoglalt helyzete szerint megközelítőleg azonos kémiai aktivitásúnak kell lennie, de a feszültségsorokban a cink sokkal korábban helyezkedik el, mint a réz. Az effajta következetlenség oka a következő.

A periódusos rendszerben meghatározott pozíciót elfoglaló fémek összehasonlításakor kémiai aktivitásuk mértékét - redukáló képességét - a szabad atomok ionizációs energiájának értékének vesszük. Valóban, amikor például felülről lefelé haladunk az I. csoport fő alcsoportja mentén periodikus rendszer az atomok ionizációs energiája csökken, ami a sugarak növekedésével (azaz a külső elektronok nagy távolságával az atommagtól) és az atommag pozitív töltésének a közbenső elektronrétegek általi növekvő szűrésével jár (lásd § § 31). Ezért a káliumatomok nagyobb kémiai aktivitást mutatnak - erősebb redukáló tulajdonságokkal rendelkeznek -, mint a nátriumatomok, és a nátriumatomok aktívabbak, mint a lítiumatomok.

Fémek feszültségsorozatban történő összehasonlításakor a kémiai aktivitás mértékét úgy tekintjük, mint egy szilárd állapotban lévő fémet vizes oldatban hidratált ionokká alakítva. Ez a munka három kifejezés összegeként ábrázolható: az atomizációs energia - a fémkristály izolált atomokká alakulása, a szabad fématomok ionizációs energiája és a képződött ionok hidratációs energiája. A porlasztási energia egy adott fém kristályrácsának erősségét jellemzi. Az atomok ionizációs energiáját - a vegyértékelektronok leválását róluk - közvetlenül meghatározza a fém helyzete a periodikus rendszerben. A hidratáció során felszabaduló energia az ion elektronszerkezetétől, töltésétől és sugarától függ.

Az azonos töltésű, de eltérő sugarú lítium- és káliumionok egyenlőtlenségeket hoznak létre elektromos mezők. A kis lítiumionok közelében keletkező mező erősebb lesz, mint a nagy káliumionok közelében kialakuló mező. Ebből világosan látszik, hogy a lítium-ionok több energiával hidratálnak, mint a kálium-ionok.

Így a vizsgált átalakulás során energiát fordítanak a porlasztásra, ionizációra, illetve a hidratáció során energia szabadul fel. Minél kisebb a teljes energiafogyasztás, annál könnyebb lesz az egész folyamat, és minél közelebb kerül a feszültségsor kezdetéhez az adott fém. De a teljes energiamérleg három tagjából csak egyet - az ionizációs energiát - határozza meg közvetlenül a fém helyzete a periódusos rendszerben. Következésképpen nincs okunk arra számítani, hogy bizonyos fémek kölcsönös helyzete egy feszültségsorozatban mindig megfelel a periódusos rendszerben elfoglalt helyzetüknek. Tehát a lítium esetében a teljes energiafogyasztás kisebb, mint a kálium esetében, aminek megfelelően a lítium a kálium előtti feszültségsorban van.

A réz és a cink esetében közel van a szabad atomok ionizációjához szükséges energiafelhasználás és az ionok hidratálása során felhalmozódó energia. De a fémes réz erősebb kristályrácsot képez, mint a cink, ami ezen fémek olvadáspontjának összehasonlításából is látható: a cink -on, a réz pedig csak -on olvad. Ezért ezeknek a fémeknek a porlasztására fordított energia jelentősen eltér, aminek következtében a teljes folyamat összes energiaköltsége a réz esetében sokkal nagyobb, mint a cink esetében, ami megmagyarázza ezek egymáshoz viszonyított helyzetét. fémek a feszültségsorozatban.

Amikor vízből nem vizes oldószerekbe kerülnek, a fémek kölcsönös helyzete egy feszültségsorozatban megváltozhat. Ennek oka abban rejlik, hogy a különböző fémionok szolvatációs energiája eltérően változik, amikor egyik oldószerből a másikba kerülnek.

A rézion különösen erősen szolvatálódik egyes szerves oldószerekben; ez oda vezet, hogy az ilyen oldószerekben a réz hidrogénig terjedő feszültségsorozatban helyezkedik el, és kiszorítja azt a savas oldatokból.

Így az elemek periodikus rendszerével ellentétben a fémekben fellépő feszültségek sorozata nem tükrözi azt az általános Szabályszerűséget, amely alapján sokoldalú Karakterisztikát lehet adni a fémek kémiai tulajdonságairól. Feszültségek sorozata Csak a "fém - fémion" elektrokémiai rendszer redox képességét jellemzi szigorúan meghatározott feltételek mellett: a benne megadott értékek vizes oldatra, hőmérsékletre és a fém egységnyi koncentrációjára (aktivitására) vonatkoznak. ionok.

A könnyen reagáló fémeket aktív fémeknek nevezzük. Ide tartoznak az alkáli-, alkáliföldfémek és az alumínium.

Pozíció a periódusos rendszerben

Az elemek fémes tulajdonságai balról jobbra gyengülnek Mengyelejev periódusos rendszerében. Ezért az I. és II. csoport elemeit tekintik a legaktívabbnak.

Rizs. 1. Aktív fémek a periódusos rendszerben.

Minden fém redukálószer, és könnyen elválnak az elektronoktól a külső energiaszinten. Az aktív fémek csak egy vagy két vegyértékelektronnal rendelkeznek. Ebben az esetben a fémes tulajdonságok felülről lefelé fokozódnak az energiaszintek számának növekedésével, mert. minél távolabb van egy elektron az atommagtól, annál könnyebben válik szét.

Az alkálifémek a legaktívabbak:

• lítium;
• nátrium;
• kálium;
• rubídium;
• cézium;
• francium.

Az alkáliföldfémek a következők:

• berillium;
• magnézium;
• kalcium;
• stroncium;
• bárium;
• rádium.

A fémek aktivitási fokát a fémfeszültségek elektrokémiai sorozatával állapíthatja meg. Minél balra van egy elem a hidrogéntől, annál aktívabb. A hidrogéntől jobbra lévő fémek inaktívak, és csak koncentrált savakkal tudnak kölcsönhatásba lépni.

Rizs. 2. Fémek feszültségeinek elektrokémiai sorozatai.

A kémiában található aktív fémek listája tartalmazza az alumíniumot is, amely ben található III csoportés a hidrogéntől balra áll. Az alumínium azonban az aktív és közepesen aktív fémek határán van, és normál körülmények között nem lép reakcióba bizonyos anyagokkal.

Tulajdonságok

Az aktív fémek puhák (késsel vághatók), könnyűek és alacsony olvadáspontúak.

A fémek főbb kémiai tulajdonságait a táblázat mutatja be.

Reakció	Az egyenlet	Egy kivétel
Az alkálifémek spontán meggyulladnak a levegőben, és kölcsönhatásba lépnek az oxigénnel	K + O 2 → KO 2	A lítium csak magas hőmérsékleten lép reakcióba oxigénnel.
Az alkáliföldfémek és az alumínium oxidfilmeket képeznek a levegőben, és hevítés hatására spontán meggyulladnak.	2Ca + O 2 → 2CaO
Egyszerű anyagokkal reagálva sókat képez	Ca + Br 2 → CaBr 2; - 2Al + 3S → Al 2 S 3	Az alumínium nem lép reakcióba hidrogénnel
Heves reakcióba lép vízzel, lúgokat és hidrogént képezve	- Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2	A lítiummal való reakció lassan megy végbe. Az alumínium csak az oxidfilm eltávolítása után lép reakcióba vízzel.
Reagál savakkal, sókat képezve	Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2; 2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2
Reagáljon sóoldatokkal, először vízzel, majd sóval	2Na + CuCl 2 + 2H 2O: 2Na + 2H 2O → 2NaOH + H2; - 2NaOH + CuCl 2 → Cu(OH) 2 ↓ + 2NaCl

Az aktív fémek könnyen reagálnak, ezért a természetben csak keverékekben - ásványokban, kőzetekben - találhatók meg.

Rizs. 3. Ásványok és tiszta fémek.

Mit tanultunk?

Az aktív fémek közé tartoznak az I. és II. csoport elemei - alkáli- és alkáliföldfémek, valamint alumínium. Tevékenységük az atom szerkezetének köszönhető – néhány elektron könnyen elválik a külső energiaszinttől. Ezek lágy könnyűfémek, amelyek gyorsan reagálnak az egyszerű és összetett anyagok oxidokat, hidroxidot, sókat képezve. Az alumínium közelebb áll a hidrogénhez, és további feltételeket igényel az anyagokkal való reakciójához - magas hőmérsékletek, az oxidfilm megsemmisülése.

Téma kvíz

Jelentés értékelése

Átlagos értékelés: 4.4. Összes értékelés: 388.