Elektrokemisk aktivitet serie af metaller

Den elektrokemiske aktivitetsserie af metaller ( en række spændinger , en række (forskydning) af Beketov , en serie af standardelektrodepotentialer ) er en sekvens, hvori metaller er arrangeret i rækkefølge efter at øge deres elektrokemiske standardpotentialer E 0 svarende til metalkationen reduktion halvreaktion Me n+ : Me n+ + nē → Mig

En række belastninger karakteriserer den sammenlignende aktivitet af metaller i redoxreaktioner i vandige opløsninger.

Historie

Rækkefølgen af ​​arrangementet af metaller i rækkefølgen af ​​ændringer i deres kemiske aktivitet i generelle termer var allerede kendt af alkymister [1] . Processerne med gensidig forskydning af metaller fra opløsninger og deres overfladeudfældning (for eksempel forskydning af sølv og kobber fra opløsninger af deres salte med jern) blev betragtet som en manifestation af transmutation af elementer.

Senere alkymister kom tæt på at forstå den kemiske side af den gensidige udfældning af metaller fra deres opløsninger. Så Angelus Sala i sit arbejde "Anatomy Vitrioli" (1613) kom til den konklusion, at produkterne fra kemiske reaktioner består af de samme "komponenter", som var indeholdt i de originale stoffer. Efterfølgende foreslog Robert Boyle en hypotese om årsagerne til, at et metal fortrænger et andet fra en løsning baseret på korpuskulære begreber [2] .

I 1793 etablerede Alessandro Volta , der designede en galvanisk celle ( voltaisk søjle ), den relative aktivitet af de dengang kendte metaller: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. "Styrken" af den galvaniske celle viste sig at være større, jo længere metallerne var fra hinanden i denne serie ( spændingsrække ). Volta forbandt dog ikke denne serie med metallers kemiske egenskaber.

I 1798 påpegede Johann Wilhelm Ritter , at Volta-serien er ækvivalent med oxidationsrækken af ​​metaller (det vil sige sekvensen med at mindske deres affinitet til oxygen). Således opstillede Ritter en hypotese om forekomsten af ​​en elektrisk strøm på grund af en kemisk reaktion [3] .

I æraen med dannelsen af ​​klassisk kemi blev elementernes evne til at fortrænge hinanden fra forbindelser et vigtigt aspekt af forståelsen af ​​reaktivitet. J. Berzelius byggede på grundlag af den elektrokemiske affinitetsteori en klassifikation af grundstoffer, opdelte dem i "metalloider" (nu bruges udtrykket "ikke-metaller") og "metaller" og satte brint imellem dem.

Rækkefølgen af ​​metaller i henhold til deres evne til at fortrænge hinanden, længe kendt af kemikere, blev især grundigt og omfattende studeret og suppleret af N. N. Beketov i 1860'erne og de efterfølgende år . Allerede i 1859 lavede han en rapport i Paris om emnet "Forskning om fænomenerne med andres forskydning af nogle elementer." I dette arbejde inkluderede Beketov en række generaliseringer om forholdet mellem den gensidige forskydning af grundstoffer og deres atomvægt, der forbinder disse processer med " grundstoffernes oprindelige kemiske egenskaber - det der kaldes kemisk affinitet " [4] . Beketovs opdagelse af forskydningen af ​​metaller fra opløsninger af deres salte med brint under tryk og undersøgelsen af ​​den reducerende aktivitet af aluminium, magnesium og zink ved høje temperaturer ( metallotermi ) tillod ham at fremsætte en hypotese om forholdet mellem evnen hos nogle elementer til at fortrænge andre fra forbindelser med deres densitet: lettere simple stoffer er i stand til at fortrænge mere tunge (derfor kaldes denne serie ofte også for Beketovs forskydningsserie eller blot Beketovs serie ).

Uden at benægte Beketovs betydelige fordele i udviklingen af ​​moderne ideer om aktivitetsrækken af ​​metaller, bør man betragte forestillingen om ham som den eneste skaber af denne serie, der er almindelig i russisk populær- og uddannelseslitteratur, for at være fejlagtig. [5] [6] Talrige eksperimentelle data opnået i slutningen af ​​det 19. århundrede modbeviste Beketovs hypotese. Således beskrev William Odling mange tilfælde af "aktivitetsvending". For eksempel fortrænger kobber tin fra en koncentreret forsuret opløsning af SnCl 2 og bly  fra en sur opløsning af PbCl 2 ; det er også i stand til at opløses i koncentreret saltsyre med frigivelse af brint . Kobber, tin og bly er i rækken til højre for cadmium , men de kan fortrænge det fra en kogende let forsuret CdCl 2 opløsning .

Den hurtige udvikling af teoretisk og eksperimentel fysisk kemi pegede på en anden årsag til forskellene i metallers kemiske aktivitet. Med udviklingen af ​​moderne begreber inden for elektrokemi (hovedsageligt i Walter Nernsts værker ) blev det klart, at denne sekvens svarer til en "række af spændinger" - arrangementet af metaller i henhold til værdien af ​​standardelektrodepotentialer . I stedet for en kvalitativ egenskab - et metals og dets ions "tendens" til bestemte reaktioner - introducerede Nerst således en nøjagtig kvantitativ værdi, der karakteriserer hvert metals evne til at gå i opløsning i form af ioner og også reduceres fra ioner til metal på elektroden, og den tilsvarende serie kaldes serien af ​​standardelektrodepotentialer .

Teoretisk grundlag

Værdierne af elektrokemiske potentialer er en funktion af mange variable og viser derfor en kompleks afhængighed af metallers position i det periodiske system . Kationers oxidationspotentiale stiger således med en stigning i et metals forstøvningsenergi , med en stigning i dets atomers samlede ioniseringspotentiale og med et fald i hydreringsenergien af ​​dets kationer.

I den mest generelle form er det klart, at metaller i begyndelsen af ​​perioder er kendetegnet ved lave værdier af elektrokemiske potentialer og optager pladser på venstre side af spændingsserien. Samtidig afspejler vekslen mellem alkali- og jordalkalimetaller fænomenet diagonal lighed . Metaller placeret tættere på midten af ​​perioderne er karakteriseret ved store potentielle værdier og optager pladser i højre halvdel af serien. En konsekvent stigning i det elektrokemiske potentiale (fra -3,395 V for Eu 2+ /Eu -parret [7] til +1,691 V for Au + /Au-parret) afspejler et fald i metallernes reducerende aktivitet (evnen til at donere elektroner ) og en stigning i deres kationers oxidationsevne (evnen til at binde elektroner). Metallisk europium er således det stærkeste reduktionsmiddel, og guldkationer Au + er de stærkeste oxidationsmidler .

Hydrogen indgår traditionelt i spændingsserien, da den praktiske måling af metallers elektrokemiske potentialer udføres ved hjælp af en standard brintelektrode .

Praktisk brug af spændingsserien

En række spændinger bruges i praksis til en sammenlignende [relativ] vurdering af den kemiske aktivitet af metaller i reaktioner med vandige opløsninger af salte og syrer og til vurdering af katodiske og anodiske processer under elektrolyse :

• Metaller til venstre for brint er stærkere reduktionsmidler end metaller til højre: de fortrænger sidstnævnte fra saltopløsninger. For eksempel er interaktionen Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu kun mulig i fremadgående retning.
• Metaller i rækken til venstre for brint fortrænger brint, når de interagerer med vandige opløsninger af ikke-oxiderende syrer; de mest aktive metaller (op til og med aluminium) - og når de interagerer med vand.
• Metaller i rækken til højre for brint interagerer ikke med vandige opløsninger af ikke-oxiderende syrer under normale forhold.
• Under elektrolyse frigives metaller til højre for brint ved katoden; reduktionen af ​​metaller med moderat aktivitet ledsages af frigivelse af brint; de mest aktive metaller (op til aluminium) kan ikke isoleres fra vandige opløsninger af salte under normale forhold.

Links

• Petr Vanisek. Elektrokemisk serie // Handbook of Chemistry and Physics: 81. udgave. - CRC Press LLC, 2000. - ISBN 978-0849304811 .

Litteratur

• Korolkov DV Fundamentals of uorganisk kemi. - M.: Oplysning, 1982. - 271 s.

Noter

1. ↑ Rabinovich V. L. Alkymi som et fænomen i middelalderkulturen. — M.: Nauka, 1979
2. ↑ Ways of knowledge / Golovner V.N. Et kig på verden gennem en kemikers øjne
3. ↑ Strube V. Måder til udvikling af kemi: i 2 bind. Bind 2. Fra begyndelsen af ​​den industrielle revolution til første kvartal af det 20. århundrede
4. ↑ Belyaev A.I. Nikolai Nikolaevich Beketov - en fremragende russisk fysisk kemiker og metallurg. M., 1953
5. ↑ Leenson I. A. Beketovs metalaktivitetsserie: myte eller virkelighed? // Kemi i skolen. - 2002. - Nr. 9. - S. 90-96.
6. ↑ Mchedlov-Petrosyan N. O. N. N. Beketovs værker og aktivitetsserien af ​​metaller // Bulletin fra Kharkov National University. - 2003. - Nr. 596. - Kemi. Problem. 10 (33). - S. 221-225.
7. ↑ Håndbog for en kemiker: i 7 bind  / kap. udg. B.P. Nikolsky . - 2. udg., revideret. og yderligere - M. , L  .: Chemistry , 1965. - V. 3: Kemisk ligevægt og kinetik. Løsningers egenskaber. Elektrode processer. - S. 743. - 1008 s. - 16.000 eksemplarer.