Metalllarga 1 va 2-guruhlarning s-elementlari, barcha d- va f-elementlar, shuningdek, asosiy kichik guruhlarning bir qator p-elementlari kiradi: 3 (bordan tashqari), 4 (Ge, Sn, Pb), 5 ( Sb, Bi) va Ro. Eng tipik metall elementlar davrlarning boshida joylashgan. Avvalroq biz yuqori darajada delokalizatsiyalangan bog'lanishlar metallarda paydo bo'lishi haqida gapirgan edik. Buning sababi shundaki, skrining effekti tufayli metall atomlaridagi valentlik elektronlari yadroga zaifroq tortiladi va ular uchun birinchi ionlanish energiyalari nisbatan past bo'ladi. Bizning odatiy haroratimizda (taxminan 300 K) mutlaq noldan ancha uzoqda, termal harakatning energiyasi butun metall bo'ylab elektronlarning erkin harakatlanishi uchun etarli.
Metalllardagi bog'lanish yuqori darajada delokalizatsiyalanganligi va butun kristall bo'ylab tarqalganligi sababli, metallar yuqori plastiklik, elektr va issiqlik o'tkazuvchanligiga ega. Kumush va mis eng yuqori elektr va issiqlik o'tkazuvchanligiga ega, simob esa eng past ko'rsatkichga ega. Ikkinchisi ham eng eruvchan metall (-38,9 S). Eng o'tga chidamli metall volfram (3390 S). Erish va qaynash nuqtalarining bunday katta farqi metallarda, metall bog'lardan tashqari, kovalent bog'lanishlarning ma'lum bir qismi, ayniqsa ko'p miqdordagi valentlik elektronlari bo'lgan o'tish elementlari uchun mavjudligi bilan izohlanadi.
Keling, simob va volframning elektron konfiguratsiyasini ko'rib chiqaylik.
Hg - 5d 10 6s 2; W – 5d 4 6s 2 . Simob atomlari orasidagi molekulalararo o'zaro ta'sir juda kichik, shunchalik kichikki, umuman olganda, yuqori zichlikda, atomlarning tortishish kuchi tufayli u eng eriydigan metalldir. Simob atomidagi barcha pastki darajalar to'ldirilganligi sababli, kovalent bog'lanishlar hosil bo'lishi umuman mumkin emas va metall bog'lanish ancha zaif, odatda barcha metallar orasida eng eruvchan bo'lgan gidroksidi metallarga qaraganda zaifroqdir. Aksincha, V atomida birdaniga to'rtta valentlik bog'lanish hosil bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, metall bog'lanish barcha 5d elementlarning eng kuchlisidir va atomlarning o'zlari elektron hamkasblaridan og'irroqdir: Mo va Cr. Ushbu omillarning kombinatsiyasi volframning eng katta refrakterligiga olib keladi.
Osmiyning elektron konfiguratsiyasi (5d 6 6s 2) shundayki, u 5d pastki darajasini yakunlashdan oldin 4 ta elektronga ega emas, shuning uchun u qo'shni atomlardan elektronlarni jalb qilish qobiliyatiga ega, bu esa metall-metall aloqasining qisqarishiga olib keladi. Shuning uchun osmiy eng yuqori zichlikka ega (22,4 g/sm3).
IN sof shakl metallar nisbatan kam uchraydi. Asosan, bu kimyoviy jihatdan inert metallar (oltin, shuningdek, platina guruhi metallari - platina, rodiy, iridiy, osmiy va boshqalar). Kumush, mis, simob va qalayni mahalliy holatda ham, birikmalar shaklida ham topish mumkin. Qolgan metallar rudalar deb ataladigan birikmalar shaklida bo'ladi.
Metallar ularning birikmalaridan oksidlardan qaytarilishi orqali olinadi. Qaytaruvchi moddalar sifatida C, CO, faol metallar, vodorod va metan ishlatiladi. Agar ruda metall sulfid (ZnS, FeS 2) bo'lsa, u avvalo oksidga aylanadi. Metalllarni ularning birikmalaridan boshqa metallar bilan qaytarilishi metallotermiya deb ataladi. Ba'zi metallar tuzlari eritmalaridan elektroliz yo'li bilan olinadi, masalan, alyuminiy yoki natriy. Ularning birikmalaridan metall olishning barcha usullari oksidlanish-qaytarilish jarayonlariga asoslangan.
Oksidlanish-qaytarilish yarim reaksiyasida elektronning o'tish jarayonini quyidagi umumiy tenglama bilan ifodalash mumkin:
Elektronlarning o'tish jarayoni Gibbs energiyasining ∆G = –nFE ga teng o'zgarishiga to'g'ri keladi, bu erda F (Faraday doimiysi, moddaning bir molini kamaytirish yoki oksidlanish uchun zarur bo'lgan elektr miqdoriga mos keladi) = 96500 S/mol, n - elektronlar soni, E - elektrod potensiali, B - oksidlovchi va qaytaruvchi vosita orasidagi kuchlanish farqi. Boshqa tomondan, ∆G = –RTlnK = –nFE; RTlnK = nFE. Demak, E = RTlnK/nF. K = / va 2.3lnK = logK bo'lgani uchun elektrod potentsialining elektrod jarayoni ishtirokchilari - moddalar kontsentratsiyasiga va haroratga bog'liqligi quyidagi tenglama bilan ifodalanadi:
E = E 0 + log/ – Nernst tenglamasi.
Standart haroratda (298 K) tenglama quyidagi shaklni oladi:
E = E 0 + 0,059lg/
Oksidlovchi moddaning konsentratsiyasi har doim hisoblagichda berilgan va potentsial har doim qaytarilish yarim reaktsiyasi uchun berilgan: Ox + ne = Qizil.
Oksidlovchi va qaytaruvchining muvozanat konsentrasiyalarida birlikka teng bo'lsa, E = E 0 standart elektrod potentsiali: bu barcha moddalarning birlik konsentratsiyasida berilgan elektrod jarayonining potentsiali. Standartning mutlaq qiymatidan beri elektrod potentsiallari aniqlash mumkin emas, u holda boshlang'ich nuqta sifatida yarim reaksiya potensiali olinadi: 2N + + 2e = N 2 . Ushbu elektrod jarayonining potentsiali vodorod kationining birlik konsentratsiyasida 0 ga teng deb hisoblanadi. Vodorod elektrodi platina plastinkadan iborat bo'lib, u [H + ] = 1 mol/l bo'lgan sulfat kislota eritmasiga botiriladi va 298 K da 101325 Pa bosim ostida H 2 oqimi bilan yuviladi.
Elektrod potentsiali galvanik elementning EMF bo'lib, u o'rganilayotgan elektrod va standart vodorod elektrodidan iborat. Metalllarni elektrod potentsiallari kattaligiga qarab ortib borish tartibida joylashtirib, biz metallarning bir qancha standart elektrod potentsiallarini olamiz. Xarakterlaydi Kimyoviy xossalari metallar Seriyadagi har bir metall keyingi barcha metallarni tuzlari eritmasidan siqib chiqaradi. Vodorodning chap tomonidagi qatordagi metallar uni kislota eritmalaridan siqib chiqaradi.
Har qanday redoks reaktsiyasining potentsialini yarim reaktsiya potentsiallarining qiymatlari asosida hisoblash mumkin.
Oddiy misolni ko'rib chiqaylik: Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2. Ushbu jarayon uchun ikkita yarim reaksiya sodir bo'ladi:
Zn 2+ + 2e = Zn 0 E 0 (Zn 2+ /Zn) = –0,76 B
2H + + 2e = H 2 0 E 0 (2H + / H 2) = 0,00 B
Ikkinchi yarim reaksiyaning potentsiali birinchisidan yuqori bo'lganligi sababli, ikkinchi yarim reaksiya chapdan o'ngga, ya'ni vodorod molekulalarining hosil bo'lishiga qarab boradi. Birinchi yarim reaksiya o'ngdan chapga, ya'ni sink kationlarining hosil bo'lishiga qarab boradi.
Metalllarni ishlab chiqarishni ko'rib chiqayotganda, biz bir qator metallarning oksidlaridan boshqa, faolroq metallar tomonidan qaytarilishi haqida gapirdik. Masalan, magniy misni mis (II) oksididan kamaytirishi mumkin. Ikki yarim reaksiyani solishtiramiz:
Cu 2+ + 2e = Cu E 0 = +0,34 V
Mg 2+ + 2e = Mg E 0 = -2,36 V
Birinchi yarim reaktsiyaning potentsiali ikkinchisidan yuqori va u chapdan o'ngga, ikkinchisi esa o'ngdan chapga o'tadi.
Shunday qilib, oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalarining yo'nalishini aniqlash uchun oksidlangan shakldan qaytarilgan shaklga o'tadigan ikkita yarim reaksiyani yozish va ularning potensiallarini solishtirish kerak. Yuqori potentsialga ega bo'lgan reaktsiya chapdan o'ngga, pastroq potentsialga ega bo'lgan reaktsiya esa o'ngdan chapga boradi.
Metalllarning deyarli barcha reaksiyalari oksidlanish-qaytarilish jarayonlari bo'lib, ularning yo'nalishini aniqlash uchun, birinchi navbatda, oksidlanish-qaytarilish jarayonidagi har bir yarim reaksiyaning potentsiallarini hisobga olish kerak. Ammo, bundan tashqari, istisnolar mavjud. Masalan, Pb 2+ /Pb juftining potentsiali –0,15 V bo'lishiga qaramay, qo'rg'oshin sulfat kislotada erimaydi. Gap shundaki, qo'rg'oshin sulfat erimaydi va uning hosil bo'lishi qo'rg'oshinning keyingi oksidlanishiga to'sqinlik qiladi.
15-ma'ruza.
Elektroliz.
Elektrolitlarning eritmalari va eritmalarida doimiy harakatda bo'lgan qarama-qarshi zaryadlangan ionlar (kationlar va anionlar) mavjud. Agar inert (grafit) elektrodlar bunday suyuqlikka, masalan, natriy xlorid eritmasiga (801 0 S da eriydi) botirilsa va doimiy elektr toki o'tkazilsa, u holda ionlar tashqi elektr maydon ta'sirida bo'ladi. elektrodlar tomon, kationlar - katod tomon, anionlar - anod tomon harakatlanadi. Natriy kationlari katodga etib, undan elektronlarni qabul qiladi va metall natriyga qaytariladi:
Xlorid ionlari anodda oksidlanadi:
2Cl – – 2e = Cl 2 0
Natijada katodda metall natriy, anodda molekulyar xlor ajralib chiqadi. Eritilgan natriy xloridni elektroliz qilishning umumiy tenglamasi quyidagicha.
K: Na + + e = Na 0 2
A: 2Cl – – 2e = Cl 2 0 1
2Na + + 2Sl – elektroliz ® 2Na 0 + Cl 2 0
2NaSl = 2Na + Cl 2
Bu reaksiya oksidlanish-qaytarilishdir: anodda oksidlanish jarayoni, katodda esa qaytarilish jarayoni sodir bo'ladi.
O'tish paytida elektrodlarda sodir bo'ladigan oksidlanish-qaytarilish jarayoni elektr toki eritma yoki elektrolit eritmasi orqali elektroliz deyiladi.
Elektrolizning mohiyati elektr energiyasidan foydalangan holda kimyoviy reaktsiyalarni amalga oshirishdir. Bunda katod kationlarga elektronlar beradi, anod esa anionlardan elektronlarni qabul qiladi. To'g'ridan-to'g'ri elektr tokining ta'siri kimyoviy qaytaruvchi moddalar va oksidlovchi moddalar ta'siridan ancha kuchliroqdir. Ftor gazi birinchi marta elektroliz orqali olingan.
Elektroliz gidroflorik kislotadagi kaliy ftorid eritmasida amalga oshirildi. IN Ushbu holatda Anodda ftor, katodda vodorod ajralib chiqadi. Elektroliz elektrolitik vannada amalga oshiriladi.
Eritilgan elektrolitlar va ularning eritmalarining elektrolizlanishini farqlash kerak. Ikkinchi holda, jarayonlarda suv molekulalari ishtirok etishi mumkin. Masalan, inert (grafit) elektrodlarda natriy xloridning suvli eritmasini elektroliz qilish jarayonida katodda natriy kationlari o'rniga suv molekulalari kamayadi.
2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH –
va xlorid ionlari anodda oksidlanadi:
2Cl – – 2e = Cl 2 0
Natijada katodda vodorod, anodda xlor ajralib chiqadi va eritmada natriy gidroksid molekulalari to'planadi. Umumiy tenglama natriy xloridning suvli eritmasini elektroliz qilish quyidagi shaklga ega:
K: 2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH –
A: 2Cl – – 2e = Cl 2 0
2H 2 O + 2Sl – = H 2 + Cl 2 + 2OH –
Aytgancha, sanoat barcha ishqoriy va ba'zi ishqoriy tuproq metallarining gidroksidlarini, shuningdek alyuminiyni shunday ishlab chiqaradi.
Eritmalarning elektrolizi va elektrolitlarning suvdagi eritmalari o'rtasidagi farq nima? Qayta tiklash jarayonlari Elektrolitlarning suvli eritmalarining katodida metallarning standart elektrod potentsiallari qiymatiga bog'liq, ya'ni ular ko'pincha katodda qaytariladigan kationlar sifatida ishlaydi. Bu erda uchta mumkin bo'lgan variant mavjud:
1. Standart elektrod potentsialiga ega bo'lgan metall kationlari vodorodnikidan yuqori bo'ladi, ya'ni elektroliz jarayonida noldan ko'proq katodda to'liq kamayadi (mis, kumush, oltin va boshqalar).
2. Metall kationlari juda ko'p kichik qiymat standart elektrod potentsiali (litiydan alyuminiygacha) katodda kamaymaydi, lekin suv molekulalari kamayadi.
3. Standart elektrod potentsiali vodorodnikidan kichik, lekin alyuminiynikidan katta bo'lgan metall kationlari suv molekulalari bilan birga katodda elektroliz jarayonida kamayadi.
Agar suvli eritmada bir vaqtning o'zida bir nechta metall kationlari mavjud bo'lsa, elektroliz paytida ularning katodda chiqarilishi mos keladigan metallning standart elektrod potentsialining algebraik qiymatini pasaytirish tartibida davom etadi. Masalan, BrAZh yoki BrAZhMts (mis, alyuminiy, temir va marganets) bronza turini tahlil qilishda siz ma'lum bir oqim qiymatini tanlashingiz, misni inert elektrodga (masalan, platina) ajratishingiz, elektrodni tortib olishingiz, tortishingiz va mis tarkibini aniqlang. Keyin alyuminiyni ajratib oling va uning tarkibini aniqlang. Bu metallarni ajratishning yaxshi usuli ijobiy qiymat standart elektrod potentsiali.
Barcha elektrodlar erimaydigan (inert) - uglerod, grafit, platina, iridiyga bo'linadi. Eriydigan - mis, kumush, sink, kadmiy, nikel va boshqalar. Anod uchun eruvchan elektrod tushunchasi muhim ahamiyatga ega, chunki u elektroliz paytida erishi mumkin bo'lgan elektroddir. Erimaydigan anodda elektroliz jarayonida anionlar yoki suv molekulalarining oksidlanishi sodir bo'ladi. Bunday holda, kislorodsiz kislotalarning anionlari juda oson oksidlanadi. Agar eritmada kislorodli kislotalarning anionlari mavjud bo'lsa, suv molekulalari anodda oksidlanadi va reaktsiyaga ko'ra kislorod chiqaradi:
2H 2 O – 4e = O 2 + 4H +
Elektroliz jarayonida eruvchan anodning o'zi oksidlanib, elektronlarni tashqi tomonga beradi elektr zanjiri va yechimga kirish:
Javob: Men Û Men n+ + ne –
Eritmalar va elektrolitlar eritmalarini elektroliz qilish misollarini ko'rib chiqamiz.
Agar standart elektrod potentsiallarining barcha seriyasidan biz faqat umumiy tenglamaga mos keladigan elektrod jarayonlarini tanlaymiz
keyin biz bir qator metall kuchlanishlarni olamiz. Metalllarga qo'shimcha ravishda, ushbu seriya har doim vodorodni o'z ichiga oladi, bu sizga qaysi metallar vodorodni kislotalarning suvli eritmalaridan siqib chiqarishga qodirligini ko'rish imkonini beradi.
Jadval 19. Metall kuchlanishlar seriyasi
Eng muhim metallar uchun bir qator stresslar jadvalda keltirilgan. 19. Muayyan metalning kuchlanish qatoridagi joylashuvi uning standart sharoitlarda suvli eritmalarda oksidlanish-qaytarilish o’zaro ta’sirini o’tkazish qobiliyatini tavsiflaydi. Metall ionlari oksidlovchi moddalar, oddiy moddalar holidagi metallar esa qaytaruvchi moddalardir. Bundan tashqari, metall kuchlanish qatorida qanchalik uzoq joylashgan bo'lsa, suvli eritmadagi oksidlovchi vosita uning ionlari qanchalik kuchli bo'lsa va aksincha, metall seriyaning boshiga qanchalik yaqin bo'lsa, oddiy elementning qaytaruvchi xususiyatlari shunchalik kuchli bo'ladi. modda - metall.
Elektrod jarayonining potentsiali
neytral muhitda u B ga teng (273-betga qarang). Seriyaning boshida -0,41 V dan sezilarli darajada salbiy potentsialga ega bo'lgan faol metallar vodorodni suvdan siqib chiqaradi. Magniy vodorodni faqat undan siqib chiqaradi issiq suv. Magniy va kadmiy o'rtasida joylashgan metallar odatda vodorodni suvdan siqib chiqarmaydi. Ushbu metallar yuzasida oksidli plyonkalar hosil bo'ladi himoya ta'siri.
Magniy va vodorod orasida joylashgan metallar vodorodni kislota eritmalaridan siqib chiqaradi. Shu bilan birga, ba'zi metallar yuzasida reaktsiyani inhibe qiluvchi himoya plyonkalari ham hosil bo'ladi. Shunday qilib, alyuminiydagi oksid plyonkasi bu metallni nafaqat suvda, balki ma'lum kislotalarning eritmalarida ham barqaror qiladi. Qo'rg'oshin sulfat kislotada quyida joylashgan konsentratsiyasida erimaydi, chunki qo'rg'oshin sulfat kislota bilan reaksiyaga kirishganda hosil bo'lgan tuz erimaydi va metall yuzasida himoya plyonka hosil qiladi. Metallning oksidlanishini chuqur inhibe qilish hodisasi, uning yuzasida himoya oksidi yoki tuz plyonkalari mavjudligi passivlik deb ataladi va bu holda metallning holati passiv holat deb ataladi.
Metallar tuz eritmalaridan bir-birini siqib chiqarishga qodir. Reaksiya yo‘nalishi ularning kuchlanishlar qatoridagi nisbiy o‘rni bilan belgilanadi. Bunday reaktsiyalarning o'ziga xos holatlarini ko'rib chiqayotganda, faol metallar vodorodni nafaqat suvdan, balki har qanday suvli eritmadan ham siqib chiqarishini esga olish kerak. Shuning uchun metallarning tuzlari eritmalaridan o'zaro siljishi amalda faqat magniydan keyin qatorda joylashgan metallarda sodir bo'ladi.
Beketov birinchi bo‘lib metallarning o‘z birikmalaridan boshqa metallar bilan siljishini batafsil o‘rgangan. O'z ishining natijasi sifatida u metallarni kimyoviy faolligiga ko'ra siljish qatoriga joylashtirdi, bu metall kuchlanishlar seriyasining prototipi hisoblanadi.
Ba'zi metallarning kuchlanish qatoridagi va davriy jadvaldagi nisbiy holati bir qarashda bir-biriga mos kelmaydi. Misol uchun, davriy jadvaldagi pozitsiyaga ko'ra, kaliyning kimyoviy faolligi natriydan, natriy esa litiydan kattaroq bo'lishi kerak. Ketma-ket kuchlanishda litiy eng faol hisoblanadi va kaliy litiy va natriy o'rtasida o'rta pozitsiyani egallaydi. Sink va mis davriy jadvaldagi o'z pozitsiyasiga ko'ra, taxminan teng kimyoviy faollikka ega bo'lishi kerak, ammo kuchlanish seriyasida sink misdan ancha oldinroq joylashgan. Bunday nomuvofiqlikning sababi quyidagicha.
Davriy jadvalda u yoki bu o'rinni egallagan metallarni solishtirganda, erkin atomlarning ionlanish energiyasi ularning kimyoviy faolligi - kamaytirish qobiliyati o'lchovi sifatida olinadi. Darhaqiqat, masalan, davriy tizimning I guruhining asosiy kichik guruhi bo'ylab yuqoridan pastgacha harakatlanayotganda, atomlarning ionlanish energiyasi pasayadi, bu ularning radiuslarining ko'payishi bilan bog'liq (ya'ni, tashqi elektronlarning kattaroq masofasi bilan). yadrodan) va yadroning musbat zaryadini oraliq elektron qatlamlar tomonidan ortib borayotgan skrining bilan (31-§ ga qarang). Shuning uchun kaliy atomlari natriy atomlariga qaraganda ko'proq kimyoviy faollikka ega - ular kuchliroq qaytaruvchi xususiyatlarga ega - natriy atomlari esa litiy atomlariga qaraganda ko'proq faollik ko'rsatadi.
Ketma-ket kuchlanishdagi metallarni solishtirganda, kimyoviy faollik o'lchovi sifatida qattiq holatdagi metallni suvli eritmadagi gidratlangan ionlarga aylantirish ishi olinadi. Ushbu ishni uchta shartning yig'indisi sifatida ifodalash mumkin: atomizatsiya energiyasi - metall kristalining izolyatsiyalangan atomlarga aylanishi, erkin metall atomlarining ionlanish energiyasi va hosil bo'lgan ionlarning hidratsiya energiyasi. Atomizatsiya energiyasi berilgan metallning kristall panjarasining mustahkamligini tavsiflaydi. Atomlarning ionlanish energiyasi - ulardan valentlik elektronlarini olib tashlash - metallning davriy jadvaldagi o'rni bilan bevosita belgilanadi. Gidratsiya paytida ajralib chiqadigan energiya ionning elektron tuzilishiga, uning zaryadiga va radiusiga bog'liq.
Zaryadlari bir xil, ammo radiuslari har xil bo'lgan litiy va kaliy ionlari tengsizlik hosil qiladi elektr maydonlari. Kichik litiy ionlari yaqinida hosil bo'lgan maydon yirik kaliy ionlari yaqinidagi maydondan kuchliroq bo'ladi. Bundan ko'rinib turibdiki, litiy ionlari kaliy ionlariga qaraganda ko'proq energiya ajratish bilan gidratlanadi.
Shunday qilib, ko'rib chiqilayotgan transformatsiya jarayonida energiya atomizatsiya va ionlanishga sarflanadi va hidratsiya paytida energiya chiqariladi. Umumiy energiya iste'moli qanchalik past bo'lsa, butun jarayon shunchalik oson bo'ladi va kuchlanish seriyasining boshiga qanchalik yaqinroq bo'lsa, berilgan metall joylashgan bo'ladi. Ammo umumiy energiya balansining uchta shartidan faqat bittasi - ionlanish energiyasi - metallning davriy jadvaldagi o'rni bilan bevosita aniqlanadi. Binobarin, stress qatoridagi ba'zi metallarning nisbiy holati har doim ularning davriy jadvaldagi pozitsiyasiga mos kelishini kutish uchun hech qanday sabab yo'q. Shunday qilib, lityum uchun umumiy energiya iste'moli kaliyga qaraganda kamroq bo'lib chiqadi, unga ko'ra lityum kuchlanish seriyasida kaliydan oldin keladi.
Mis va rux uchun erkin atomlarning ionlanishi uchun energiya sarfi va ion hidratsiyasi vaqtida energiyaning ortishi yaqin. Ammo metall mis kuchliroq hosil qiladi kristall panjara, ruxdan ko'ra, bu metallarning erish temperaturalarini taqqoslashdan ko'rinib turibdiki: rux da eriydi va mis faqat . Shu sababli, ushbu metallarni atomizatsiya qilish uchun sarflangan energiya sezilarli darajada farq qiladi, buning natijasida mis holatida butun jarayon uchun umumiy energiya xarajatlari sinkga qaraganda ancha katta, bu ularning nisbiy holatini tushuntiradi. stress qatoridagi metallar.
Suvdan suvsiz erituvchilarga o'tganda, kuchlanish seriyasidagi metallarning nisbiy pozitsiyalari o'zgarishi mumkin. Buning sababi shundaki, ionlarning eritma energiyasi turli metallar bir erituvchidan ikkinchisiga o'tganda turlicha o'zgaradi.
Xususan, mis ioni ba'zi organik erituvchilarda juda kuchli eriydi; Bu shunday erituvchilarda misning vodoroddan oldin kuchlanish qatorida joylashganligi va uni kislota eritmalaridan siqib chiqarishiga olib keladi.
Shunday qilib, elementlarning davriy tizimidan farqli o'laroq, bir qator metall kuchlanishlari umumiy naqshni aks ettirmaydi, buning asosida metallarning kimyoviy xossalarining har tomonlama xarakteristikasi berilishi mumkin. Bir qator kuchlanish faqat redoks qobiliyatini tavsiflaydi Elektrokimyoviy tizim Qat'iy belgilangan sharoitlarda "metall - metall ioni": unda berilgan qiymatlar suvli eritma, harorat va metall ionlarining birlik konsentratsiyasi (faolligi) ga tegishli.
Elektrokimyoviy hujayrada (galvanik element) ionlar hosil bo'lgandan keyin qolgan elektronlar metall sim orqali chiqariladi va boshqa turdagi ionlar bilan qayta birlashadi. Ya'ni, tashqi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan zaryad elektronlar orqali, hujayra ichida esa metall elektrodlar botiriladigan elektrolitlar orqali ionlar orqali uzatiladi. Bu yopiq elektr zanjiri hosil qiladi.
Elektrokimyoviy hujayrada o'lchanadigan potentsial farq o har bir metallning elektron berish qobiliyatidagi farq bilan izohlanadi. Har bir elektrod o'z potentsialiga ega, har bir elektrod-elektrolit tizimi yarim hujayradan iborat va har qanday ikkita yarim hujayra elektrokimyoviy hujayra hosil qiladi. Bir elektrodning potentsiali yarim hujayra potentsiali deb ataladi va u elektrodning elektronlarni berish qobiliyatini belgilaydi. Ko'rinib turibdiki, har bir yarim elementning salohiyati boshqa yarim elementning mavjudligiga va uning salohiyatiga bog'liq emas. Yarim hujayra potentsiali elektrolit va haroratdagi ionlarning konsentratsiyasi bilan belgilanadi.
Vodorod "nol" yarim element sifatida tanlangan, ya'ni. ion hosil qilish uchun elektron qo'shilganda yoki olib tashlanganda u uchun hech qanday ish bajarilmaydi, deb hisoblashadi. "Nol" potentsial qiymat hujayraning har ikki yarim hujayrasining elektron berish va qabul qilish uchun nisbiy qobiliyatini tushunish uchun zarur.
Vodorod elektrodiga nisbatan o'lchanadigan yarim hujayra potentsiallari vodorod shkalasi deb ataladi. Agar elektrokimyoviy hujayraning bir yarmida elektronlarni berishning termodinamik tendentsiyasi ikkinchisiga qaraganda yuqori bo'lsa, unda birinchi yarim hujayraning potentsiali ikkinchisining potentsialidan yuqori bo'ladi. Potensiallar farqi ta'sirida elektron oqimi sodir bo'ladi. Ikkita metalni birlashtirganda, ular o'rtasida paydo bo'ladigan potentsial farqni va elektron oqimining yo'nalishini aniqlash mumkin.
Elektropozitiv metallda ko'proq narsa bor yuqori qobiliyat elektronlarni qabul qiladi, shuning uchun u katod yoki olijanob bo'ladi. Boshqa tomonda elektron manfiy metallar mavjud bo'lib, ular o'z-o'zidan elektronlar berishga qodir. Ushbu metallar reaktiv va shuning uchun anodikdir:
- → 0 → +
Al Mn Zn Fe Sn Pb H 2 Cu Ag Au
Masalan, Cu elektronlarni osonroq beradi Ag, lekin Fe dan yomonroq . Mis elektrod mavjud bo'lganda, kumush bo'lmagan ionlar elektronlar bilan birlasha boshlaydi, natijada mis ionlari hosil bo'ladi va metall kumush cho'kadi:
2 Ag + + Cu → Cu 2+ + 2 Ag
Biroq, xuddi shu mis temirga qaraganda kamroq reaktivdir. Metall temir mis nonatlari bilan aloqa qilganda, u cho'kadi va temir eritmaga kiradi:
Fe + Cu 2+ → Fe 2+ + Cu.
Aytishimiz mumkinki, mis temirga nisbatan katodli metall va kumushga nisbatan anodik metalldir.
Standart elektrod potentsiali 25 0 S da ionlar bilan aloqada bo'lgan elektrod sifatida to'liq tavlangan sof metallning yarim xujayrasi potentsiali deb hisoblanadi. Bu o'lchovlarda vodorod elektrodi mos yozuvlar elektrod vazifasini bajaradi. Ikki valentli metall bo'lsa, biz mos keladigan elektrokimyoviy hujayrada sodir bo'ladigan reaktsiyani yozishimiz mumkin:
M + 2H +→ M 2+ + H 2.
Agar metallarni standart elektrod potentsiallarining kamayish tartibida joylashtirsak, biz metall kuchlanishlarning elektrokimyoviy qator deb ataladigan qismini olamiz (1-jadval).
Jadval 1. Metall kuchlanishning elektrokimyoviy seriyasi
|
Metall-ion muvozanati (birlik faolligi) |
25°C da vodorod elektrodiga nisbatan elektrod potensiali, V (qaytarilish potentsiali) |
|
|
Olijanob yoki katod |
Au-Au 3+ |
1,498 |
|
Pt-Pt 2+ |
||
|
Pd-Pd 2+ |
0,987 |
|
|
Ag-Ag+ |
0,799 |
|
|
Hg-Hg 2+ |
0,788 |
|
|
Cu-Cu 2+ |
0,337 |
|
|
H 2 -H + |
||
|
Pb-Pb 2+ |
0,126 |
|
|
Sn-Sn 2+ |
0,140 |
|
|
Ni-Ni 2+ |
0,236 |
|
|
Co-Co 2+ |
0,250 |
|
|
CD-Cd 2+ |
0,403 |
|
|
Fe-Fe 2+ |
0,444 |
|
|
Cr-Cr 2+ |
0,744 |
|
|
Zn-Zn 2+ |
0,763 |
|
|
Faol |
Al-Al 2+ |
1,662 |
|
Mg-Mg2+ |
2,363 |
|
|
Na-Na+ |
2,714 |
|
|
K-K+ |
2,925 |
Masalan, mis-ruxli galvanik elementda ruxdan misga elektronlar oqimi mavjud. Mis elektrod bu zanjirdagi musbat qutb, sink elektrod esa manfiy qutbdir. Ko'proq reaktiv sink elektronlarni yo'qotadi:
Zn → Zn 2+ + 2e - ; E °=+0,763 V.
Mis kamroq reaktiv va sinkdan elektronlarni qabul qiladi:
Cu 2+ + 2e - → Cu; E °=+0,337 V.
Elektrodlarni bog'laydigan metall simdagi kuchlanish quyidagicha bo'ladi:
0,763 V + 0,337 V = 1,1 V.
Jadval 2. Oddiy vodorod elektrodiga nisbatan dengiz suvidagi ba'zi metallar va qotishmalarning statsionar potentsiallari (GOST 9.005-72).
|
Metall |
Statsionar potentsial, IN |
Metall |
Statsionar potentsial, IN |
|
Magniy |
1,45 |
Nikel (faol birgalikda) |
0,12 |
|
Magniy qotishmasi (6% A l, 3 % Zn, 0,5 % Mn) |
1,20 |
LMtsZh-55 3-1 mis qotishmalari |
0,12 |
|
Sink |
0,80 |
Guruch (30 % Zn) |
0,11 |
|
Alyuminiy qotishmasi (10% Mn) |
0,74 |
Bronza (5-10 % Al) |
0,10 |
|
Alyuminiy qotishmasi (10% Zn) |
0,70 |
Qizil guruch (5-10 % Zn) |
0,08 |
|
Alyuminiy qotishmasi K48-1 |
0,660 |
Mis |
0,08 |
|
B48-4 alyuminiy qotishmasi |
0,650 |
Kupronikel (30%) Ni) |
0,02 |
|
Alyuminiy qotishmasi AMg5 |
0,550 |
Bronza "Neva" |
0,01 |
|
AMg61 alyuminiy qotishmasi |
0,540 |
Bronza Br. AZHN 9-4-4 |
0,02 |
|
alyuminiy |
0,53 |
Zanglamaydigan po'latdan X13 (passiv holat) |
0,03 |
|
kadmiy |
0,52 |
Nikel (passiv holat) |
0,05 |
|
Duralumin va alyuminiy qotishmasi AMg6 |
0,50 |
Zanglamaydigan po'latdan X17 (passiv holat) |
0,10 |
|
Temir |
0,50 |
Titan texnik |
0,10 |
|
Chelik 45G17Yu3 |
0,47 |
Kumush |
0,12 |
|
Chelik St4S |
0,46 |
Zanglamaydigan po'latdan 1X14ND |
0,12 |
|
Chelik SHL4 |
0,45 |
Titan yodidi |
0,15 |
|
AK tipidagi po'lat va karbonli po'latdir |
0,40 |
Zanglamaydigan po'latdan X18N9 (passiv holat) va OH17N7U |
0,17 |
|
Kulrang quyma temir |
0,36 |
Monel metall |
0,17 |
|
X13 va X17 zanglamaydigan po'latlar (faol holat) |
0,32 |
Zanglamaydigan po'latdan X18N12M3 (passiv holat) |
0,20 |
|
Nikel-mis quyma temir (12-15%) Ni, 5-7% Si) |
0,30 |
Zanglamaydigan po'latdan X18N10T |
0,25 |
|
Qo'rg'oshin |
0,30 |
Platina |
0,40 |
|
Qalay |
0,25 |
Eslatma . Potensiallarning ko'rsatilgan raqamli qiymatlari va ketma-ket metallarning tartibi metallarning tozaligiga, tarkibiga qarab turli darajada o'zgarishi mumkin. dengiz suvi, aeratsiya darajasi va metallarning sirt holati.
Bir qator standart elektrod potentsiallari metall atomlarining qaytarilish qobiliyatini va ularning ionlarining oksidlanish qobiliyatini miqdoriy jihatdan tavsiflaydi.
Bir qator standart elektrod potentsiallari oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalarining o'z-o'zidan paydo bo'lish yo'nalishi masalasini hal qilishga imkon beradi. Umumiy holatda bo'lgani kabi, har qanday kimyoviy reaksiya, bu erda aniqlovchi omil reaktsiyaning izobar potensialining o'zgarishi belgisidir. Ammo bu shuni anglatadiki, bu tizimlarning birinchisi qaytaruvchi, ikkinchisi esa oksidlovchi vosita sifatida ishlaydi. Moddalarning to'g'ridan-to'g'ri o'zaro ta'siri bilan reaktsiyaning mumkin bo'lgan yo'nalishi, albatta, galvanik hujayrada amalga oshirilganda bo'lgani kabi bo'ladi.
Bir qator standart elektrod potentsiallari oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalarining o'z-o'zidan paydo bo'lish yo'nalishi masalasini hal qilishga imkon beradi. Har qanday kimyoviy reaktsiyaning umumiy holatida bo'lgani kabi, bu erda ham aniqlovchi omil reaktsiyaning Gibbs energiyasining o'zgarishi belgisidir. Ammo bu shuni anglatadiki, bu tizimlarning birinchisi qaytaruvchi, ikkinchisi esa oksidlovchi vosita sifatida ishlaydi. Moddalarning to'g'ridan-to'g'ri o'zaro ta'siri bilan reaktsiyaning mumkin bo'lgan yo'nalishi, albatta, galvanik hujayrada amalga oshirilganda bo'lgani kabi bo'ladi.
Bir qator standart elektrod potentsiallari metallarning kimyoviy xossalarini tavsiflaydi.
| Standart vodorod elektrodi.| Metallning standart elektrod potentsialini o'lchash uchun galvanik sxema. |
Bir qator standart elektrod potentsiallari metallarning kimyoviy xossalarini tavsiflaydi. U elektroliz jarayonida ionlarni chiqarish ketma-ketligini ko'rib chiqishda, shuningdek, metallarning umumiy xususiyatlarini tavsiflashda qo'llaniladi.
Bir qator standart elektrod potentsiallari oksidlovchi va qaytarilmaydigan reaktsiyalarning o'z-o'zidan paydo bo'lish yo'nalishi masalasini hal qilishga imkon beradi. Har qanday kimyoviy reaksiyaning umumiy holatida bo'lgani kabi, bu erda ham hal qiluvchi omil reaktsiyaning izobar potentsialidagi o'zgarishdir. Ammo bu shuni anglatadiki, ushbu tizimlarning birinchisi qaytaruvchi vosita sifatida, ikkinchisi esa oksidlovchi vosita sifatida ishlaydi. Moddalarning to'g'ridan-to'g'ri o'zaro ta'sirida, reaktsiyaning mumkin bo'lgan yo'nalishi, albatta, galvanik hujayradagi kabi bo'ladi.
Bir qator standart elektrod potentsiallari metallarning kimyoviy xossalarini tavsiflaydi. U elektroliz jarayonida ionlarning ajralish ketma-ketligini aniqlash, shuningdek, metallarning umumiy xossalarini tavsiflash uchun ishlatiladi. Bunday holda, standart elektrod potentsiallarining qiymatlari miqdoriy jihatdan metallarning qaytarilish qobiliyatini va ularning ionlarining oksidlanish qobiliyatini tavsiflaydi.
Bir qator kuchlanishlardan qanday ma'lumotlarni olish mumkin?
Metall kuchlanish diapazoni keng qo'llaniladi noorganik kimyo. Xususan, ko'plab reaktsiyalarning natijalari va hatto ularni amalga oshirish imkoniyati ma'lum bir metallning NERdagi holatiga bog'liq. Keling, bu masalani batafsilroq muhokama qilaylik.
Metalllarning kislotalar bilan o'zaro ta'siri
Vodorodning chap tomonidagi kuchlanish seriyasida joylashgan metallar kislotalar - oksidlovchi bo'lmagan moddalar bilan reaksiyaga kirishadi. NERda H ning o'ng tomonida joylashgan metallar faqat oksidlovchi kislotalar bilan (xususan, HNO 3 va konsentrlangan H 2 SO 4 bilan) o'zaro ta'sir qiladi.
1-misol. Sink NERda vodorodning chap tomonida joylashgan, shuning uchun u deyarli barcha kislotalar bilan reaksiyaga kirisha oladi:
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2
2-misol. Mis H ning o'ng tomonidagi ERNda joylashgan; bu metall "oddiy" kislotalar (HCl, H 3 PO 4, HBr, organik kislotalar) bilan reaksiyaga kirishmaydi, lekin oksidlovchi kislotalar (azot, konsentrlangan sulfat) bilan o'zaro ta'sir qiladi:
Cu + 4HNO 3 (kons.) = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Cu + 2H 2 SO 4 (konk.) = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
e'tiboringizni qarataman muhim nuqta: metallar oksidlovchi kislotalar bilan oʻzaro taʼsirlashganda vodorod emas, balki boshqa baʼzi birikmalar ajralib chiqadi. Bu haqda ko'proq o'qishingiz mumkin!
Metalllarning suv bilan o'zaro ta'siri
Mg ning chap tomonidagi kuchlanish seriyasida joylashgan metallar xona haroratida allaqachon suv bilan osongina reaksiyaga kirishib, vodorodni chiqaradi va gidroksidi eritma hosil qiladi.
3-misol. Natriy, kaliy, kaltsiy suvda oson eriydi va gidroksidi eritma hosil qiladi:
2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2
2K + 2H 2 O = 2KOH + H 2
Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2
Vodoroddan magniygacha (shu jumladan) kuchlanish oralig'ida joylashgan metallar ba'zi hollarda suv bilan o'zaro ta'sir qiladi, ammo reaktsiyalar muayyan shartlarni talab qiladi. Misol uchun, alyuminiy va magniy H 2 O bilan faqat oksid plyonkasini metall yuzasidan olib tashlangandan so'ng o'zaro ta'sir qila boshlaydi. Temir xona haroratida suv bilan reaksiyaga kirishmaydi, lekin suv bug‘lari bilan reaksiyaga kirishadi. Kobalt, nikel, qalay va qo'rg'oshin nafaqat xona haroratida, balki qizdirilganda ham H 2 O bilan deyarli o'zaro ta'sir qilmaydi.
ERNning o'ng tomonida joylashgan metallar (kumush, oltin, platina) hech qanday sharoitda suv bilan reaksiyaga kirishmaydi.
Metalllarning tuzlarning suvdagi eritmalari bilan o'zaro ta'siri
Biz quyidagi turdagi reaktsiyalar haqida gapiramiz:
metall (*) + metall tuzi (**) = metall (**) + metall tuzi (*)
Shuni ta'kidlashni istardimki, bu holda yulduzchalar oksidlanish darajasini yoki metallning valentligini ko'rsatmaydi, shunchaki 1-sonli metall va 2-sonli metallni farqlash imkonini beradi.
Bunday reaktsiyani amalga oshirish uchun bir vaqtning o'zida uchta shart bajarilishi kerak:
- jarayonda ishtirok etadigan tuzlar suvda eritilishi kerak (bu eruvchanlik jadvali yordamida osongina tekshirilishi mumkin);
- metall (*) metallning chap tomonidagi kuchlanish seriyasida bo'lishi kerak (**);
- metall (*) suv bilan reaksiyaga kirishmasligi kerak (bu ham ESI tomonidan osonlik bilan tekshiriladi).
4-misol. Keling, bir nechta reaktsiyalarni ko'rib chiqaylik:
Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu
K + Ni(NO 3) 2 ≠
Birinchi reaksiya oson amalga oshiriladi, yuqoridagi barcha shartlar bajariladi: mis sulfat suvda eriydi, rux NERda misning chap tomonida, Zn suv bilan reaksiyaga kirishmaydi.
Ikkinchi reaksiya mumkin emas, chunki birinchi shart bajarilmaydi (mis (II) sulfid amalda suvda erimaydi). Uchinchi reaktsiyani amalga oshirish mumkin emas, chunki qo'rg'oshin temirga qaraganda kamroq faol metalldir (ESRda o'ngda joylashgan). Nihoyat, to'rtinchi jarayon nikel cho'kishiga olib kelmaydi, chunki kaliy suv bilan reaksiyaga kirishadi; hosil bo'lgan kaliy gidroksidi tuz eritmasi bilan reaksiyaga kirishishi mumkin, ammo bu butunlay boshqacha jarayon.
Nitratlarning termik parchalanish jarayoni
Sizga eslatib o'tamanki, nitratlar nitrat kislota tuzlaridir. Barcha nitratlar qizdirilganda parchalanadi, lekin parchalanish mahsulotlarining tarkibi o'zgarishi mumkin. Tarkibi metallning kuchlanish seriyasidagi o'rni bilan belgilanadi.
NERda magniyning chap tomonida joylashgan metallarning nitratlar qizdirilganda tegishli nitrit va kislorod hosil qiladi:
2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2
Mg dan Cu gacha bo'lgan kuchlanish oralig'ida joylashgan metall nitratlarning termal parchalanishi paytida metall oksidi, NO 2 va kislorod hosil bo'ladi:
2Cu(NO 3) 2 = 2CuO + 4NO 2 + O 2
Nihoyat, eng kam faol metallarning nitratlarining parchalanishi paytida (ERNda misning o'ng tomonida joylashgan) metall, azot dioksidi va kislorod hosil bo'ladi.
