Электрохимический ряд напряжений неметаллов и металлов
Периодическая таблица Дмитрия Ивановича Менделеева очень удобна и универсальна в своём использовании. По ней можно определить некоторые характеристики элементов, и что самое удивительное, предсказать некоторые свойства ещё неоткрытых, не обнаруженных учёными, химических элементов (например, мы знаем некоторые свойства предполагаемого унбигексия, хотя его ещё не открыли и не синтезировали).
Что такое металлические и неметаллические свойства
Эти свойства зависят от способности элемента отдавать или притягивать к себе электроны. Важно запомнить одно правило, металлы – отдают электроны, а неметаллы – принимают. Соответственно металлические свойства – это способность определённого химического элемента отдавать свои электроны (с внешнего электронного облака) другому химическому элементу. Для неметаллов всё в точности наоборот. Чем легче неметалл принимает электроны, тем выше его неметаллические свойства.
Металлы никогда не примут электроны другого химического элемента. Такое характерно для следующих элементов;
- натрия;
- калия;
- лития;
- франция и так далее.
С неметаллами дела обстоят похожим образом. Фтор больше всех остальных неметаллов проявляет свои свойства, он может только притянуть к себе частицы другого элемента, но ни при каких условиях не отдаст свои. Он обладает наибольшими неметаллическими свойствами. Кислород (по своим характеристикам) идёт сразу же после фтора. Кислород может образовывать соединение с фтором, отдавая свои электроны, но у других элементов он забирает отрицательные частицы.
Список неметаллов с наиболее выраженными характеристиками:
Неметаллические и металлические свойства объясняются тем, что все химические вещества стремятся завершить свой энергетический уровень. Для этого на последнем электронном уровне должно быть 8 электронов. У атома фтора на последней электронной оболочке 7 электронов, стремясь завершить ее, он притягивает ещё один электрон. У атома натрия на внешней оболочке один электрон, чтобы получить 8, ему проще отдать 1, и на последнем уровне окажется 8 отрицательно заряженных частиц.
Благородные газы не взаимодействуют с другими веществами именно из-за того, что у них завершён энергетический уровень, им не нужно ни притягивать, ни отдавать электроны.
Как изменяются металлические свойства в периодической системе
Периодическая таблица Менделеева состоит из групп и периодов. Периоды располагаются по горизонтали таким образом, что первый период включает в себя: литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород и так далее. Химические элементы располагаются строго по увеличению порядкового номера.
Группы располагаются по вертикали таким образом, что первая группа включает в себя: литий, натрий, калий, медь, рубидий, серебро и так далее. Номер группы указывает на количество отрицательных частиц на внешнем уровне определённого химического элемента. В то время, как номер периода указывает на количество электронных облаков.
Металлические свойства усиливаются в ряду справа налево или, по-другому, ослабевают в периоде. То есть магний обладает большими металлическими свойствами, чем алюминий, но меньшими, нежели натрий. Это происходит потому, что в периоде количество электронов на внешней оболочке увеличивается, следовательно, химическому элементу сложнее отдавать свои электроны.
В группе все наоборот, металлические свойства усиливаются в ряду сверху вниз. Например, калий проявляется сильнее, чем медь, но слабее, нежели натрий. Объяснение этому очень простое, в группе увеличивается количество электронных оболочек, а чем дальше электрон находится от ядра, тем проще элементу его отдать. Сила притяжения между ядром атома и электроном в первой оболочке больше, чем между ядром и электроном в 4 оболочке.
Сравним два элемента – кальций и барий. Барий в периодической системе стоит ниже, чем кальций. А это значит, что электроны с внешней оболочки кальция расположены ближе к ядру, следовательно, они лучше притягиваются, чем у бария.
Сложнее сравнивать элементы, которые находятся в разных группах и периодах. Возьмём, к примеру, кальций и рубидий. Рубидий будет лучше отдавать отрицательные частицы, чем кальций. Так как он стоит ниже и левее. Но пользуясь только таблицей Менделеева нельзя однозначно ответить на этот вопрос сравнивая магний и скандий (так как один элемент ниже и правее, а другой выше и левее). Для сравнения этих элементов понадобятся специальные таблицы (например, электрохимический ряд напряжений металлов).
Как изменяются неметаллические свойства в периодической системе
Неметаллические свойства в периодической системе Менделеева изменяются с точностью до наоборот, нежели металлические. По сути, эти два признака являются антагонистами.
Неметаллические свойства усиливаются в периоде (в ряду справа налево). Например, сера способна меньше притягивать к себе электроны, чем хлор, но больше, нежели фосфор. Объяснение этому явлению такое же. Количество отрицательно заряженных частиц на внешнем слое увеличивается, и поэтому элементу легче закончить свой энергетический уровень.
Неметаллические свойства уменьшаются в ряду сверху вниз (в группе). Например, фосфор способен отдавать отрицательно заряженные частицы больше, чем азот, но при этом способен лучше притягивать, нежели мышьяк. Частицы фосфора притягиваются к ядру лучше, чем частицы мышьяка, что даёт ему преимущество окислителя в реакциях на понижение и повышение степени окисления (окислительно-восстановительные реакции).
Сравним, к примеру, серу и мышьяк. Сера находится выше и правее, а это значит, что ей легче завершить свой энергетический уровень. Как и металлы, неметаллы сложно сравнивать, если они находятся в разных группах и периодах. Например, хлор и кислород. Один из этих элементов выше и левее, а другой ниже и правее. Для ответа придётся обратиться к таблице электроотрицательности неметаллов, из которой мы видим, что кислород легче притягивает к себе отрицательные частицы, нежели хлор.
Периодическая таблица Менделеева помогает узнать не только количество протонов в атоме, атомную массу и порядковый номер, но и помогает определить свойства элементов.
Видео
Видео поможет вам разобраться в закономерности свойств химических элементов и их соединений по периодам и группам.
Поставь лайк, это важно для наших авторов, подпишись на наш канал в Яндекс.Дзен и вступай в группу Вконтакте
Активность металлов и неметаллов
Для анализа активности металлов используют либо электрохимический ряд напряжений металлов, либо их положение в Периодической таблице. Чем активнее металл, тем легче он будет отдавать электроны и тем более хорошим восстановителем он будет в окислительно-восстановительных реакциях.
Электрохимический ряд напряжений металлов.
| Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au |
Активность неметаллов так же можно определить по их положению в таблице Менделеева.
Запомните! Азот — более активный неметалл, чем хлор.
Более активный неметалл будет окислителем, а менее активный будет довольствоваться ролью восстановителя, если они реагируют друг с другом.
Ряд электроотрицательности неметаллов:
| увеличение электроотрицательности |
Особенности поведения некоторых окислителей и восстановителей.
а) кислородсодержащие соли и кислоты хлора в реакциях с восстановителями обычно переходят в хлориды:
б) если в реакции участвуют вещества, в которых один и тот же элемент имеет отрицательную и положительную степени окисления — они встречаются в нулевой степени окисления (выделяется простое вещество).
1. Расстановка степеней окисления.
Необходимо помнить, что степень окисления — это гипотетический заряд атома (т.е. условный, мнимый), но он должен не выходить за рамки здравого смысла. Он может быть целым, дробным или равным нулю.
Задание 1:Расставьте степени окисления в веществах:
2. Расстановка степеней окисления в органических веществах.
Помните, что нас интересуют степени окисления только тех атомов углерода, которые меняют своё окружение в процессе ОВР, при этом общий заряд атома углерода и его неуглеродного окружения принимается за 0.
Задание 2:Определите степень окисления атомов углерода, обведённых рамкой вместе с неуглеродным окружением:
3. Не забывайте задавать себе главный вопрос: кто в этой реакции отдаёт электроны, а кто их принимает, и во что они переходят? Чтобы не получалось, что электроны прилетают из ниоткуда или улетают в никуда.
В этой реакции надо увидеть, что иодид калия может являться только восстановителем, поэтому нитрит калия будет принимать электроны, понижая свою степень окисления.
Причём в этих условиях (разбавленный раствор) азот переходит из в ближайшую степень окисления .
4. Составление электронного баланса сложнее, если формульная единица вещества содержит несколько атомов окислителя или восстановителя.
В этом случае это необходимо учитывать в полуреакции, рассчитывая число электронов.
Самая частая проблема — с дихроматом калия , когда он в роли окислителя переходит в :
Эти же двойки нельзя забыть при уравнивании, ведь они указывают число атомов данного вида в уравнении.
Задание 3:Какой коэффициент нужно поставить перед и перед
Задание 4:Какой коэффициент в уравнении реакции будет стоять перед магнием?
5. Определите, в какой среде (кислой, нейтральной или щелочной) протекает реакция.
Это можно сделать либо про продуктам восстановления марганца и хрома, либо по типу соединений, которые получились в правой части реакции: например, если в продуктах мы видим кислоту, кислотный оксид — значит, это точно не щелочная среда, а если выпадает гидроксид металла — точно не кислая. Ну и разумеется, если в левой части мы видим сульфаты металлов, а в правой — ничего похожего на соединения серы — видимо, реакция проводится в присутствии серной кислоты.
Задание 5:Определите среду и вещества в каждой реакции:
6. Помните, что вода — вольный путешественник, она может как участвовать в реакции, так и образовываться.
Задание 6:В какой стороне реакции окажется вода? Bо что перейдёт цинк?
Задание 7:Мягкое и жесткое окисление алкенов.
Допишите и уравняйте реакции, предварительно расставив степени окисления в органических молекулах:
7. Иногда какой-либо продукт реакции можно определить, только составив электронный баланс и поняв, каких частиц у нас больше:
Задание 8:Какие продукты ещё получатся? Допишите и уравняйте реакцию:
8. Во что переходят реагенты в реакции?
Если ответ на этот вопрос не дают выученные нами схемы, то нужно проанализировать, какие в реакции окислитель и восстановитель — сильные или не очень?
Если окислитель средней силы, вряд ли он может окислить, например, серу из в , обычно окисление идёт только до .
И наоборот, если — сильный восстановитель и может восстановить серу из до , то — только до .
Задание 9:Во что перейдёт сера? Допишите и уравняйте реакции:
9. Проверьте, чтобы в реакции был и окислитель, и восстановитель.
Задание 10:Сколько ещё продуктов в этой реакции, и каких?
10. Если оба вещества могут проявлять свойства и восстановителя, и окислителя — надо продумать, какое из них более активный окислитель. Тогда второй будет восстановителем.
Задание 11:Кто из этих галогенов окислитель, а кто восстановитель?
11. Если же один из реагентов — типичный окислитель или восстановитель — тогда второй будет «выполнять его волю», либо отдавая электроны окислителю, либо принимая у восстановителя.
Пероксид водорода — вещество с двойственной природой, в роли окислителя (которая ему более характерна) переходит в воду, а в роли восстановителя — переходит в свободный газообразный кислород.
Задание 12:Какую роль выполняет пероксид водорода в каждой реакции?
Последовательность расстановки коэффициентов в уравнении.
Сначала проставьте коэффициенты, полученные из электронного баланса.
Помните, что удваивать или сокращать их можно только вместе. Если какое-либо вещество выступает и в роли среды, и в роли окислителя (восстановителя) — его надо будет уравнивать позднее, когда почти все коэффициенты расставлены.
Предпоследним уравнивается водород, а по кислороду мы только проверяем!
1. Задание 13:Допишите и уравняйте:
Не спешите, пересчитывая атомы кислорода! Не забывайте умножать, а не складывать индексы и коэффициенты.
Число атомов кислорода в левой и правой части должно сойтись!
Если этого не произошло (при условии, что вы их считаете правильно), значит, где-то ошибка.
1. Расстановка степеней окисления: проверяйте каждое вещество внимательно.
Часто ошибаются в следующих случаях:
а) степени окисления в водородных соединениях неметаллов: фосфин — степень окисления у фосфора — отрицательная;
б) в органических веществах — проверьте ещё раз, всё ли окружение атома учтено;
в) аммиак и соли аммония — в них азот всегда имеет степень окисления ;
г) кислородные соли и кислоты хлора — в них хлор может иметь степень окисления ;
д) пероксиды и надпероксиды — в них кислород не имеет степени окисления , бывает , а в — даже ;
е) двойные оксиды: — в них металлы имеют две разные степени окисления, обычно только одна из них участвует в переносе электронов.
Задание 14:Допишите и уравняйте:
Задание 15:Допишите и уравняйте:
2. Выбор продуктов без учёта переноса электронов — то есть, например, в реакции есть только окислитель без восстановителя или наоборот.
Пример: в реакции свободный хлор часто теряется. Получается, что электроны к марганцу прилетели из космоса…
3. Неверные с химической точки зрения продукты: не может получиться такое вещество, которое вступает во взаимодействие со средой!
а) в кислой среде не может получиться оксид металла, основание, аммиак;
б) в щелочной среде не получится кислота или кислотный оксид;
в) оксид или тем более металл, бурно реагирующие с водой, не образуются в водном растворе.
Задание 16:Найдите в реакциях ошибочные продукты, объясните, почему они не могут получаться в этих условиях:
Ответы и решения к заданиям с пояснениями.
Так как в молекуле дихромата 2 атома хрома, то и электронов они отдают в 2 раза больше — т.е. 6.
Так как в молекуле два атома азота, эту двойку надо учесть в электронном балансе — т.е. перед магнием должен быть коэффициент .
Если среда щелочная, то фосфор будет существовать в виде соли — фосфата калия.
Если среда кислая, то фосфин переходит в фосфорную кислоту.
Так как цинк — амфотерный металл, в щелочном растворе он образует гидроксокомплекс. В результате расстановки коэффициентов обнаруживается, что вода должна присутствовать в левой части реакции:
Электроны отдают два атома в молекуле алкена. Поэтому мы должны учесть общее количество отданных всей молекулой электронов:
Обратите внимание, что из 10 ионов калия 9 распределены между двумя солями, поэтому щелочи получится только одна молекула.
В процессе составления баланса мы видим, что на 2 иона приходится 3 сульфат-иона. Значит, помимо сульфата калия образуется ещё серная кислота (2 молекулы).
(перманганат не очень сильный окислитель в растворе; обратите внимание, что вода переходит в процессе уравнивания вправо!)
(конц.)
(концентрированная азотная кислота очень сильный окислитель)
Не забудьте, что марганец принимает электроны, при этом хлор их должен отдать.
Хлор выделяется в виде простого вещества.
Чем выше в подгруппе неметалл, тем более он активный окислитель, т.е. хлор в этой реакции будет окислителем. Йод переходит в наиболее устойчивую для него положительную степень окисления , образуя йодноватую кислоту.
(пероксид — окислитель, т.к. восстановитель — )
(пероксид — восстановитель, т.к. окислитель — перманганат калия)
(пероксид — окислитель, т.к. роль восстановителя более характерна для нитрита калия, который стремится перейти в нитрат)
В молекуле из трех атомов железа только один имеет заряд . Он окислится в .
Общий заряд частицы в надпероксиде калия равен . Поэтому он может отдать только .
Электрохимический ряд напряжений металлов. Вытеснение металлов из солей другими металлами
Металлы в химических реакциях всегда восстановители. Восстановительную активность металла отображает его положение в электрохимическом ряду напряжений.
На основании ряда можно сделать следующие выводы:
1. Чем левее стоит металл в этом ряду, тем более сильным восстановителем он является.
2. Каждый металл способен вытеснять из солей в растворе те металлы, которые стоят правее
3. Металлы, находящиеся в ряду напряжений левее водорода способны вытеснять его из кислот.
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
4. Металлы, являющиеся самыми сильными восстановителями (щелочные и щелочноземельные) в любых водных растворах прежде сего реагируют с водой.
Восстановительная способность металла, определённая по электрохимическому ряду не всегда соответствует его положению в периодической системе т.к в ряду напряжений учитывается не только радиус атома, но и энергия отрыва электронов.
Альдегиды, их строение и свойства. Получение, применение муравьиного и уксусного альдегидов.
Альдегиды – это органические соединения, в состав молекулы которых входит карбонильная группа, соединённая с водородом и углеводородным радикалом.
Физические свойства
Метаналь – газообразное вещество, водный раствор – формалинь
Химические свойства
Реактивом на альдегиды является Cu(OH)2
Применение
Наибольшее применение имеют метаналь и этаналь. Большое количество метаналя используется для получения фенолформальдегидной смолы, которую получают при взаимодействии метаналя с фенолом. Эта смола необходима для производства различных пластмасс. Пластмассы изготовлены для из фенолформальдегидной смолы в сочетании с различными наполнителями, называются фенопластами. При растворении фенолформальдегидной смолы в ацетоне или спирту получают различные лаки. При взаимодействии метаналя с карбамидом CO(NH2)2 получают карбидную смолу, а из нее – аминопласты. Из этих пластмасс изготавливают микропористые материалы для нужд электротехники.Метаналь идёт так же на производство некоторых лекарственных веществ и красителей. Широко применяется водный раствор, содержащий в массовых долях 40% метаналя. Он называетсяформалином. Его использование основано на свойстве свёртывать белок.
Получение
Альдегиды получают окислением алканов и спиртов. Этаналь получают гидротациейэтина и окислением этена.
Билет №12
Высшие оксиды химических элементов третьего периода. Закономерности в измерении их свойств в связи с положением химических элементов в периодической системе. Характерные химические свойства оксидов: основных, амфотерных, кислотных.
Оксиды – это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых является кислород со степенью окисления «-2»
С увеличением степени окисления элементов, увеличиваются кислотные свойства оксидов.
Na2O, MgO – основные оксиды
Al2O3 – амфотерный оксид
Основные оксиды реагируют с кислотами с образованием соли и воды.
Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов реагируют с водой с образованием щёлочи.
Na2O + HOH → 2NaOH
Основные оксиды реагируют с кислотными оксидами с образованием соли.
Na2O + SO2 → Na2SO3
Кислотные оксиды реагируют со щелочами с образованием соли и воды
Реагирует с водой, с образованием кислоты
Амфотерные оксиды реагируют с кислотами и щелочами
Жиры, их свойства и состав. Жиры в природе, превращение жиров в организме. Продукты технической переработки жиров, понятие о синтетических моющих средствах. Защита природы от загрязнения СМС.
Жиры – это сложные эфиры глицерина и карбоновых кислот.
Общая формула жиров:
Твёрдые жиры образованы преимущественно высщими предельными карбоновыми кислотами – стеариновой C17H35COOH, пальмитиновой C15H31COOH и некоторыми другими. Жидкие жиры образованы главным образом высшими непредельными карбоновыми кислотами – олеиновойC17H33COOH, ленолевойC17H31COOH
Жиры наряду с углеводородами и белками входят в состав организмов животных и растений. Они являются важной составной частью пищи человека и животных. При окислении жиров в организме выделяется энергия. Когда в органы пищеварения поступают жиры, то под влиянием ферментов они гидролизуются на глицерин и соответствующие кислоты.
Продукты гидролиза всасываются ворсинками кишечника, а затем синтезируется жир, но уже свойственный организм. Потоком крови жиры переносятся в другие органы и ткани организма, где накапливаются или снова гидролизуются и постепенно окисляются до оксида углерода (IV) и воды.
Физические свойства.
Животные жиры в большинстве случаев твёрдые вещества, но встречаются и жидкие (рыбий жир). Растительные жиры чаше всего жидкие вещества – масла; известны и твёрдые растительные жиры – кокосовое масло.
Химические свойства.
Жиры в животных организмах в присутствии ферментов гидролизуются. Кроме реакций с водой, жиры взаимодействуют со щелочами.
В состав растительных масел входят сложные эфиры непредельных карбоновых кислот, то их можно подвергнуть гидрированию. Они превращаются в предельные соединения
Пример: Из растительного масла в промышленности получают маргарин.
Применение.
Жиры в основном применяют в качестве пищевого продукта. Раньше жиры использовали для получения мыла
Синтетические моющие средства.
Синтетические моющие средства оказывают вредное действие на окружающую среду, т.к. они устойчивы и с трудом подвергаются разрушению.
Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 12. Финальная
Последняя часть руководства. Внутри бонусные главы, немного новых фотографий, и главное — pdf с руководством которое можно скачать и поделиться с другом.
Доработки (доступны в pdf версии):
— Добавлены фото деструкции оптического поликарбоната, добавлены фото кварцевого стекла, фото проводящих углеродных композиций в конструкции ПДУ.
— Доработан раздел с изолентами, пришлось подождать посылок, но оно того стоило — теперь это самое полное описание изоляционных лент (добавлена полиэфирная, мастичная, тканевая и другие виды лент).
— Добавлена глава про электрические соединения — с ответом на вопрос почему нельзя.
— Ну и много мелких правок согласно комментариям.
Название я сменил, просто из соображений «легко запомнить-легко гуглить».
Электрические соединения
Популярная шутка говорит о том, что электротехника — это наука о контактах. И две основные неисправности — нет контакта там где он должен быть, и есть контакт там где его быть не должно.
На обложке этого руководства изображена скрутка двух проводов — медного и алюминиевого. Некоторых читателей такое зрелище возмутило, и не без оснований — так делать нельзя. Если попытаться разобраться в причинах этого «нельзя», то можно найти множество дискуссий на эту тему, практически в каждой из которых можно найти довод «всегда так делал, на даче такая скрутка работает уже 100500 лет». К сожалению, понимания причин запрета такой подход не привносит.
В чем же проблема соединить в контакт два произвольных металла? Дело в том, что в силу некоторых причин (о которых ниже) некоторые металлы образуют надежный контакт и работают практически безотказно, а некоторые образуют контакт, который тоже работает, но менее надежен и чаще приносит проблемы. Нужно понимать, что «чаще» не означает, что если вы сделали такое соединение, то оно откажет завтра с вероятностью 100%. Нет, вероятность отказа станет не 0,0001%, а к примеру 0,01%. Все такая же малая, но вас бы не устроила в 100 раз большая вероятность пожара?
Опыт эксплуатации различной техники привел инженеров к выводу, что определенные комбинации металлов обеспечивают приемлемую надежность контакта, а некоторые слишком низкую. Еще раз стоит отметить, что на надежность контакта сильно влияют условия эксплуатации, если соединение находится при постоянной температуре в сухом месте, то оно может быть вполне надежным, даже если пара металлов нежелательная.
Ряд электрохимической активности металлов
Первая причина нарушения контакта которую мы рассмотрим — электрохимическая коррозия. Некоторые из вас помнят со школы ряд активности металлов (неполный):
Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Cr Zn Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au
| Металл | Электрохимический потенциал, Вольт |
|---|---|
| Литий (Li) | -3,0401 |
| Калий (K) | -2,931 |
| Барий (Ba) | -2,905 |
| Стронций (Sr) | -2,899 |
| Кальций (Ca) | -2,868 |
| Натрий (Na) | -2,71 |
| Магний (Mg) | -2,372 |
| Алюминий (Al) | -1,700 |
| Марганец (Mn) | -1,185 |
| Хром (Cr) | -0,852 |
| Цинк (Zn) | -0,763 |
| Железо (Fe) | -0,441 |
| Кадмий (Cd) | -0,404 |
| Кобальт (Co) | -0,28 |
| Никель (Ni) | -0,234 |
| Олово (Sn) | -0,141 |
| Свинец (Pb) | -0,126 |
| Водород (H) | 0 |
| Сурьма (Sb) | +0,240 |
| Висмут (Bi) | +0,317 |
| Медь (Cu) | +0,338 |
| Ртуть (Hg) | +0,7973 |
| Серебро (Ag) | +0,799 |
| Палладий (Pd) | +0,98 |
| Платина (Pt) | +0,963 |
| Золото (Au) | +1,691 |
Для инженера этот ряд говорит следующее: В присутствии электролита (вода, влажность воздуха) в паре металлов будет разрушаться тот металл, что в ряду напряженности левее. Чем дальше друг от друга металлы в ряду, тем интенсивнее будет протекать коррозия. На базе
этого явления построена электрохимическая защита металлов, например оцинковка стали. При наличии воды, первым делом разрушается цинковое покрытие, и только после того как оно разрушилось начинается коррозия стали.
В случае электрических контактов, нам важнее не то, какой металл разрушится в паре, они нужны оба, а то, насколько интенсивно будет протекать процесс коррозии. И в этом плане потенциал создаваемый парой алюминий-медь 2,038 В очень большой, его достаточно чтобы разорвать молекулу воды в процессе электролиза! Но если разделить эти два металла стальной оцинкованной пластинкой, то образуется две пары: цинк-алюминий с потенциалом 0,937 В, и цинк-медь, с потенциалом 1,101 В. Это уже не такие большие потенциалы, поэтому процесс коррозии будет протекать медленнее.
Принимая во внимание, что основными металлами для изготовления проводников являются медь и алюминий, то заучивать таблицу и считать потенциалы не требуется, важно только помнить, что непосредственно соединять медь и алюминий в электрический контакт работающий на воздухе нельзя.
Тепловое расширение
Все тела при нагревании расширяются, и металлы не исключение. Для любого материала есть характеристика, такая как «коэффициент теплового расширения тел», который показывает, во сколько раз увеличится размер тела, при нагреве на 1 градус Цельсия. (В различных диапазонах температур значение теплового коэффициента расширения может различаться, кроме того для некоторых анизотропных материалов коэффициент может различаться в разных плоскостях. Для упрощения не будем учитывать эту разницу, воспользовавшись усредненными значениями) Вот небольшая табличка:
| Материал | Тепловой коэффициент расширения α, (1/К) |
|---|---|
| Алюминий | |
| Медь | |
| Сталь | |
| Стекло | |
| Стекло термостойкое (боросиликатное) | |
| Стекло кварцевое | |
| Инвар (сплав) | |
| Платина |
Из этой таблички видно, что соединение из двух материалов при нагревании будет расширяться по разному, провоцируя внутренние напряжения и деформации. Иногда это полезное свойство — оно используется в биметаллических пластинках в терморегуляторах, такие пластинки при нагреве изгибаются и разрывают контакт. Но в деле создания надежного электрического соединения такая разница в величине теплового расширения может ослабить контакт. Если соединение не обладает упругими свойствами, то спустя нескольких циклов нагрева и охлаждения, можно обнаружить что вместо плотного тугого контакта проводник болтается.
Если соединения разных материалов не избежать, то нужно помнить, что такое соединение потенциально может ослабнуть при изменениях температуры, и должно быть обслуживаемым и контролируемым. Замуровать соединение медного и алюминиевого проводника в стенке под слоем штукатурки — плохая идея.
Ползучесть
Некоторые материалы склонны проявлять явление «ползучести», когда к примеру проводник под небольшой механической нагрузкой, не достаточной для пластической деформации, тем не менее деформируется со временем. Величина этого явления зависит от нагрузки и от температуры, характеризуясь очень малой величиной. Пройдут тысячи часов, прежде чем размер тела изменится на доли процента. Тем не менее это явление достаточно важно в обеспечении надежного контакта. Ползучесть, наряду с тепловым расширением вносит вклад в то, что затянутая клемма спустя годы ослабевает и провод в ней болтается.
К сожалению алюминий (чистый) обладает значительно более интенсивной ползучестью, чем медь, что делает электрические контакты с его участием менее надежными и требующими регулярного обслуживания. Это стоит помнить при ремонте и обслуживании проводки из алюминиевого кабеля времен СССР. Производители современных алюминиевых кабелей легируют алюминий в токопроводящей жиле, добиваясь уменьшения ползучести до значений, сопоставимых с медью, пускай и ценой небольшого снижения электропроводности.
Так как же все-таки соединять провода?
Вопрос сложный тем, что ответ зависит от условий работы соединения и однозначно универсального способа нет.
Но про пару алюминий-медь было сказано столько плохого, что я просто обязан дать ответ на вопрос «как их соединять?».
Первый вариант — классический, при помощи стальной пластинки исключая непосредственный контакт меди и алюминия. Стальная пластинка предотвратит интенсивную электрохимическую коррозию (но не избавит от нее совсем), обеспечит приемлемое усилие на площади контакта проводников. Но такое соединение требует регламентных работ по обслуживанию: 1–2 раза в год необходимо проверять усилие затяжки проводников.
Второй вариант. Специализированные пружинные клеммы для алюминиевого проводника. (например клеммники WAGO серии 2273 с пастой). В такой клемме зачищенный проводник всё время прижимается пружинным контактом, предотвращая его ослабление вследствие ползучести.
Паста внутри клеммника предотвращает доступ влаги и воздуха к поверхности алюминия, препятствуя окислению проводника. (Важно отметить, клеммы должны быть качественные, а сечение проводника номинальным. Самолично наблюдал сгоревшие соединения выполненные клеммами, купленными в ближайшем киоске (вероятно поддельными).)
Третий вариант — Медно-алюминиевые гильзы. Этот вид соединения актуален для силовых линий на большие токи с сечением от 10 кв. мм. Медно-алюминиевые гильзы предназначены под опрессовку специальным инструментом. Соединенные в толще металлы обеспечивают надежный контакт большой площади, влага и электрохимическая коррозия могут лишь повредить нежную поверхность гильзы, не нарушив контакт в толще.
И помните, любое силовое электрическое соединение (тем более из разных металлов) должно быть доступно для обслуживания! Замурованная в стену скрутка — залог того, что вас будет вспоминать ремонтная бригада в различных матерных выражениях.
Заключение
Так как установка при написании данного пособия была на минимум брехни, я писал о том, что сам пощупал, использовал, с чем работал. Некоторые темы я не раскрыл, в силу малого опыта (или малого количества собранного материала) в этих областях, но их стоило бы раскрыть. Переписывать бездумно то, что описано в специализированной литературе я не стал, зачем искажать источник? Поэтому, если вы можете что-то рассказать по теме — я буду рад включить ваш текст в руководство.
Данное руководство распространяется свободно, вы можете скачать самую последнюю вер-
сию у меня в блоге совершенно бесплатно. Если вам понравилась моя работа, я буду рад услышать от вас пожелания и предложения, а также замечания и указания на допущенные ошибки.
Где скачать?
→ Руководство на GitHub вместе с исходником текста и фотографиями. Там же pdf с книгой.
→ Домашняя страничка руководства на моем сайте.
Если вы захотите бумажный экземпляр к себе на полку, то его можно приобрести (технология печати по требованию). Это не реклама — я выставил руководство по себестоимости — не заработаю ни копейки. К сожалению в бумажном виде иллюстрации будут черно-белые.
Благодарности
Выражаю признательность Алексею Gall Галахову за ценные дополнения руководства и помощь в верстке руководства.
Talion_amur за предоставленный образец ртутного счетчика времени наработки.
Спасибо всем кто написал комментарии, они дали ценную обратную связь.
Пользуясь случаем хочу передать привет Meklon DIHALT Milfgard lozga superhimik tnenergy BarsMonster — я с удовольствием читаю ваши посты и старался держать планку не ниже.
Ссылки на части руководства:
1: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.
2: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.
3: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.
4: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.
5: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.
6: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.
7: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.
8: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.
9: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.
10: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.
11: Изоляционные ленты и трубки.
Так получилось, что у меня параллельно собирается материалы по нескольким темам, какая тема интереснее?
Электрохимический ряд активности металлов
Электрохимический ряд активности (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) металлов — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ 0 , отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Me n+ : Me n+ + nē → Me
Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительные реакциях в водных растворах.
Содержание
История
Последовательность расположения металлов в порядке изменения их химической активности в общих чертах была известна уже алхимикам [1] . Процессы взаимного вытеснения металлов из растворов и их поверхностное осаждение (например, вытеснение серебра и меди из растворов их солей железом) рассматривались как проявление трансмутации элементов.
Поздние алхимики вплотную подошли к пониманию химической стороны взаимного осаждения металлов из их растворов. Так, Ангелус Сала в работе «Anatomia Vitrioli» (1613) пришёл к выводу, что продукты химических реакций состоят из тех же «компонентов», которые содержались в исходных веществах. Впоследствии Роберт Бойль предложил гипотезу о причинах, по которым один металл вытесняет другой из раствора на основе корпускулярных представлений [2] .
В 1793 году Алессандро Вольта, конструируя гальванический элемент («Вольтов столб»), установил относительную активность известных тогда металлов: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. «Сила» гальванического элемента оказывалась тем больше, чем дальше стояли друг от друга металлы в этом ряду («ряд напряжений»). Однако Вольта не связал этот ряд с химическими свойствами металлов.
В 1798 году Иоганн Вильгельм Риттер указал, что ряд Вольта эквивалентен ряду окисления металлов (т. е. последовательности уменьшения их сродства с кислородом). Таким образом, Риттер высказал гипотезу о возникновении электрического тока вследствие протекания химической реакции [3] .
В эпоху становления классической химии способность элементов вытеснять друг друга из соединений стала важным аспектом понимания реакционной способности. Й. Берцелиус на основе электрохимической теории сродства построил классификацию элементов, разделив их на «металлоиды» (сейчас применяется термин «неметаллы») и «металлы» и поставив между ними водород.
Не отрицая значительных заслуг Бекетова в становлении современных представлений об ряде активности металлов, следует считать ошибочным бытующее в отечественной популярной и учебной литературе представление о нём как единственном создателе этого ряда. [5] [6] .
Многочисленные экспериментальные данные, полученные в конце XIX века, опровергали гипотезу Бекетова. Так, Уильям Одлинг описал множество случаев «обращения активности». Например, медь вытесняет олово из концентрированного подкисленного раствора SnCl2 и свинец — из кислого раствора PbCl2; она же способна к растворению в концентрированной соляной кислоте с выделением водорода. Медь, олово и свинец находятся в ряду правее кадмия, однако могут вытеснять его из кипящего слабо подкисленного раствора CdCl2.
Бурное развитие теоретической и экспериментальной физической химии указывало на иную причину различий химической активности металлов. С развитием современных представлений электрохимии (главным образом в работах Вальтера Нернста) стало ясно, что эта последовательность соответствует «ряду напряжений» – расположению металлов по значению стандартных электродных потенциалов. Таким образом, вместо качественной характеристики — «склонности» металла и его иона к тем или иным реакциям — Нерст ввёл точную количественную величину, характеризующую способность каждого металла переходить в раствор в виде ионов, а также восстанавливаться из ионов до металла на электроде, а соответствующий ряд получил название ряда стандартных электродных потенциалов.
Теоретические основы
Значения электрохимических потенциалов являются функцией многих переменных и поэтому обнаруживают сложную зависимость от положения металлов в периодической системе. Так, окислительный потенциал катионов растёт с увеличением энергии атомизации металла, с увеличением суммарного потенциала ионизации его атомов и с уменьшением энергии гидратации его катионов.
В самом общем виде ясно, что металлы, находящиеся в начале периодов характеризуются низкими значениями электрохимических потенциалов и занимают места в левой части ряда напряжений. При этом чередование (щелочных и щёлочноземельных металлов отражает явление диагонального сходства. Металлы, расположенные ближе к серединам периодов, характеризуются большими значениями потенциалов и занимают места в правой половине ряда. Последовательное увеличение электрохимического потенциала (от −3,395 В у пары Eu 2+ /Eu [источник не указан 228 дней] до +1,691 В у пары Au + /Au) отражает уменьшение восстановительной активности металлов (свойство отдавать электроны) и усиление окислительной способности их катионов (свойство присоединять электроны). Таким образом, самым сильным восстановителем является металлический европий, а самым сильным окислителем — катионы золота Au + .
В ряд напряжений традиционно включается водород, поскольку практическое измерение электрохимических потенциалов металлов производится с использованием стандартного водородного электрода.
Практическое использование ряда напряжений
Ряд напряжений используется на практике для сравнительной оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот и для оценки катодных и анодных процессов при электролизе:
Читайте также: