Как изменяется активность металлов

Обновлено: 22.01.2025

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:

Изменения свойств в таблице Менделеева

Химия

Атомы элементов одной группы имеют одинаковое строение внешней электронной оболочки. Именно поэтому такие элементы имеют сходные химические свойства.

Атомы элементов одного периода имеют одинаковое число энергетических уровней.

Периодический закон: «свойства химических элементов, а также образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома».

Закономерности изменения свойств элементов по группам и периодам:

Увеличивается: заряд, ЭО, окислительные свойства, неметаллические свойства.

Уменьшается: радиус, восстановительные свойства, металлические свойства.

Изменение некоторых характеристик элементов в периодах слева направо :

заряд ядер атомов увеличивается;
радиус атомов уменьшается, потому-что происходит сжатие. Ядру требуется больше энергии, чтобы удержать большое количество электронов, на внешнем уровне;
электроотрицательность элементов увеличивается. (Самый электроотрицательный эелемент – F);
количество валентных электронов увеличивается от 1 до 8 (равно номеру группы);
высшая степень окисления увеличивается (равна номеру группы);
число электронных слоев атомов постоянно, так как это число равно номеру периода;
металлические свойства уменьшаются, так как к концу периода распалагаются неметаллы;
неметаллические элементов увеличивается.

( Неметалличность – это способность атомов элемента присоединять электроны ). Изменение некоторых характеристик элементов в группе сверху вниз:

заряд ядер атомов увеличивается;
радиус атомов увеличивается, потому что увеличивается число электронных слоев;
число энергетических уровней (электронных слоев) атомов увеличивается (равно номеру периода);
число электронов на внешнем слое атомов одинаково (равно номеру группы);
прочность связи электронов внешнего слоя с ядром уменьшается;
электроотрицательность уменьшается;
металличность элементов увеличивается, так как самый типичный металл — это Fr. ( Металличность – это способность элемента отдавать электроны );
неметалличность элементов уменьшается.

Элементы, которые находятся в одной подгруппе, являются элементами-аналогами, т. к. они имеют некоторые общие свойства (одинаковую высшую валентность, одинаковые формы оксидов и гидроксидов и др.). Эти общие свойства объясняются строением внешнего электронного слоя.

Электроотрицательностью элемента характеризуется способность его атомов притягивать к себе электроны, которые участвуют в образовании химических связей с другими атомами в молекуле.

Ряд активности металлов

Что же из себя представляет ряд активности металлов давайте разбираться. Металлы — группа химических элементов, обладающих сходными свойствами. Среди них — электропроводность, пластичность, температурная зависимость сопротивления. По виду металлы можно отличить по характерному блеску, который так и назвали — металлический. Но химические свойства элементов отличаются в зависимости от строения их молекул и кристаллической решетки. Особенно ярко отличия проявляются по отношению взаимодействия с кислотами и щелочами. Всего на данный момент насчитывается 96 металлов. Общие свойства металлов показаны в таблице:

Все металлы в той или иной степени являются восстановителями, то есть, отдают электроны при течении окислительно-восстановительных реакций. Таблица электроотрицательности металлов показывает, какой металл является наиболее активным восстановителем. Если цифра напротив элемента больше 2, то это окислитель с характерными свойствами и выходит из ряда металлов, проявляя типичные свойства неметалла.

Электрохимический ряд активности металлов показывает, какие из металлов более активные, какие менее. Расположение элементов в горизонтальном ряду слева направо показывает направление снижения восстановительной способности и возрастание окислительной.

Восстановительная способность — свойство отдавать электроны в химических реакциях с водными растворами солей и щелочей.

Окислительная способность — свойство присоединять электроны в реакциях с теми же веществами.

Металлы в правой стороне более слабые восстановители, они вытесняются при реакциях с солевыми растворами металлами, расположенными левее. Пример реакции — Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu, которая протекает только в одном направлении. Цинк вытесняет медь, реагируя с водным раствором любой соли меди. Цинковая пластинка, при этом, растворяется, а медная восстанавливается.

Такую последовательность элементов еще называют ряд напряженности металлов, или ряд Бекетова. На всех вариантах записи ряда можно заметить, что последовательность металлов разделена знаком водорода (гидрогена), который металлом никак не является. Это своеобразный маркер, показывающий, что стоящие левее металлы вытесняют водород из водных растворов кислот, не обладающих окислительными свойствами. Некоторые металлы, например, литий, кальций, барий и остальные, стоящи до алюминия, вытесняют водород и при реакции с водой.

2Al +3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑

Стоящие правее знака водорода металлы с кислотами-неокислителями не взаимодействуют при нормальных условиях.

Шкала активности металлов широко используется для практических целей, например, в гальванике. Если электроды сделаны из разных металлов, то разрушаться будет тот, который стоит левее. Чем больше промежуток между металлами в ряду, тем активнее проходит процесс коррозии.

Например, метод оцинковки позволяет защитить железо именно потому, что цинк находится левее железа в ряду активности. Пока он не разрушится, то ржавчина на железе не появится. При электролизе, расположенные за водородом металлы осаживаются на катоде, а самые активные, занимающее места до алюминия, выделить из солевых растворов в не получится при нормальных температуре и давлении.

Малоактивные металлы, так называемые переходные элементы с электроотрицательностью в пределах 1,5 – 2. Это:

Ртуть;
Олово;
Серебро;
Никель;
Рений;
Медь;
Марганец и еще несколько элементов.

К металлам средней активности относятся элементы с числом электроотрицательности от 1 до 1,5. В эту группу входят такие известные элементы, как магний, плутоний, неодим, кальций. Остальные элементы обладают высокой химической активностью. Лидирует в этом списке Франций, который практически не встречается в чистом виде. Из более известных можно назвать калий и натрий, которые приходится хранить в керосине, чтобы они не взаимодействовали с водой и воздухом. Если извлечь их из керосина, то металлы практически мгновенно сгорают.

Реакции кальция и натрия с водой при комнатной температуре выглядят так:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑

Сa + 2H₂O = Сa(OH)₂ + H₂↑Стоящие в ряду электронапряжения металлов правее элементы тоже взаимодействуют с водой, но реакция протекает при более высокой температуре с образованием оксида и водорода.

3Fe + 4H₂O = Fe3O₄ + 4H₂↑

Если вступает в реакцию металл и неметалл, то электрический ряд напряжений металлов тоже дает возможность заранее узнать, в каком направлении будет протекать реакция. Скорость реакции зависит как от восстановительной активности металла, так и от окислительных свойств неметалла. Стоящие до водорода металлы реагируют с кислородом уже при комнатной температуре, некоторые — достаточно бурно, например, литий и кальций.

4Li + O₂ = 2Li₂O

2Ca + O₂ = 2CaO.

При таком взаимодействии образуются оксиды. Менее активные металлы, например железо, реагируют с кислородом спокойнее, а некоторые, например, золото и серебро, платина не окисляются вовсе, благодаря чему получили определение благородных.

С хлором реагируют практически все активные металлы с выделением теплоты.

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

Также выделяется теплота при реакции активных металлов с серой, но начинается она при нагревании. После начала реакции нагрев не нужен — образовавшегося тепла достаточно для поддержания реакции.

2Al + 3S = Al₂S₃

Внимательно изучив ряд металлов, несложно определить тип реакции при контакте с другими элементами в зависимости от места в последовательности. Также легко назвать основные характеристики металла, как химического элемента, и возможность его использования на практике.

Ряд активности металлов это последовательность в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов.

Примером может служить расширенный ряд активности металлов:

Что такое ряд активности металлов и окислительно-восстановительные реакции

Отправным пунктом при изучении ряда активности металлов следует взять периодическую систему элементов.

Устанавливается, что активность металла определяется степенью лёгкости отдачи атомом электронов: чем легче атомы металла отдают электроны, тем металл является активнее.

Ряд активности металлов показывает их сравнительную активность в реакциях окисления или восстановления (сверху вниз восстановительная активность уменьшается) металл, находящийся в ряду напряжений левее (или выше) водорода, способен вытеснить водород из кислот.

О сравнительной активности металлов можно судить по их положению в периодической системе: внутри периодов при передвижении справа налево нарастает активность металлов, и самые активные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций) стоят в начале периодов.

Рис. Трубка для опытов по вытеснению металлов водородом под давлением

В главных подгруппах при передвижении сверху вниз тоже нарастает активность металлов, в чём можно убедиться на примере тех же щелочных металлов.

Ряд Бекетова

Но если металлы стоят в разных периодах и в разных группах, как, например , цинк и свинец, то на основе положения их в периодической системе быстро и правильно охарактеризовать их сравнительную активность довольно трудно.

Это можно выполнить на основе ряда активности металлов, установленного русским учёным Н. Н. Бекетовым и впервые названного им «вытеснительным рядом металлов». Наиболее выдающимся трудом Н. Н. Бекетова являются его «Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими» (Харьков, 1865).

Для наиболее важных металлов ряд активности металлов имеет следующий вид:

1. В этом ряду металлы расположены в определённой системе, а именно в порядке убывающей активности. Из двух металлов, стоящих рядом, легче отдают электроны атомы металла, стоящего левее.

2. Каждый металл этого ряда вытесняет все следующие за ним металлы из растворов их солей, иначе говоря, каждый металл окисляется ионами всех следующих за ним металлов, например :

При этом, как видно из уравнений, металл переходит в состояние иона, а ион — в состояние металла.

3. Если в ряду двигаться слева направо, т. е. от калия к золоту, то способность атомов отдавать электроны будет убывать, т. е. будет убывать восстановительная способность атомов и нарастать окислительная способность ионов металлов. Таким образом, в приведённом ряду активности металлов атомы калия и натрия являются очень сильными восстановителями, а ионы серебра и золота — сильными окислителями.

4. Как следствие из изложенного вытекает, что водород из разбавленных кислот может вытеснять только металлы, которые в ряду стоят левее его. Металлы же, стоящие вправо от водорода, наоборот, вытесняются водородом, находящимся под давлением, из растворов их солей умеренных концентраций:

Для определения места водорода в ряду активности металлов Н. Н. Бекетов производил такие опыты:

В колена изогнутой стеклянной трубки (рис.) помещались раздельно соли металла, кислота и цинк. Трубка запаивалась, потом наклонялась так, что цинк падал в кислоту и выделяющийся водород действовал под давлением на раствор соли. По явлениям, происходящим в колене трубки с раствором соли, можно было судить о том, вытесняется ли металл водородом или нет.

На основании подобных опытов Н. Н. Бекетов пришёл к выводу, что в «вытеснительном ряду» водород должен занимать место после свинца, а за водородом идут медь, ртуть, серебро, золото и платиновые металлы.

5. Из двух металлов, образующих электроды гальванического элемента, отрицательным электродом, катодом, будет тот из них, который стоит левее в ряду, а положительным электродом, анодом, — тот, который стоит правее.

Зависимость окислительно восстановительных реакций в ряду активности металлов

Окислительно-восстановительная реакция в гальваническом элементе протекает тем энергичнее, чем эти металлы дальше отстоят друг от друга в ряду активности металлов.

Следует в заключение подчеркнуть, что ряд активности металлов нельзя рассматривать как абсолютную характеристику свойств металлов, действительную во всех случаях и при всяких условиях.

1) Так, например , в растворах цианистого калия он существенно отличается от обычного ряда, что видно из приводимого ниже сопоставления (при 10°):

а) Обычный ряд: Zn, Fe, Sn, Сu, Ag. Аu;

б) 0,6% раствор KCN: Zn, Сu, Sn, Ag, Аu, Fe;

в) 30% раствор KCN: Zn, Сu, Аu, Ag, Sn, Fe.

При изменившихся условиях активность, например , железа резко снижается, активность меди заметно повышается и т. д.

Пример взаимодействия хлороводорода с серебром

2) Хотя серебро в ряду активности стоит после водорода, но при нагревании металлического серебра в атмосфере хлористого водорода протекает обратимая реакция:

2Ag + 2HCl ⇄ 2AgCl + H₂,

причём вытеснение водорода серебром сопровождается выделением тепла. Если эту реакцию проводить в замкнутом сосуде под атмосферным давлением, то при 600° газовая смесь содержит по объёму 92,8 % НСl и 7,2 Н2, а при 700° соответственно 95% и 5%. Подобным же образом протекает реакция при тех же условиях и с медью.

Несмотря на свой относительный характер и имеющиеся некоторые исключения, ряд активности металлов всё же очень важен в практическом отношении, так как в большинстве случаев он позволяет правильно ориентироваться в направлении окислительно-восстановительной реакции при взаимодействии металла с водным раствором того или иного электролита.

Часто задаваемые вопросы ответы о ряде активности металлов?

Что показывает ряд активности металлов?

Это ряд металлов химическая активность(электрохимический потенциал), которых располагается в порядке увеличения силы

Используется для оценки активности металлов в водных растворах, и для процессов, происходящих при электролизе.

Что такое ряд напряжений металлов?

Электрохимический ряд активности металлов (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ0, отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Men + : Men + + nē → Me.

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

Как пользоваться рядом активности металлов?

Это ряд металлов, в котором их химическая активность уменьшается. Это чудесная шпаргалка, которой нужно уметь пользоваться: металлы, которые стоят до водорода, могут вытеснять водород из растворов кислот.

Статья на тему Ряд активности металлов