Электрохимический ряд активности металлов

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

Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn PbHSb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au

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

Содержание

1 История
2 Теоретические основы
3 Практическое использование ряда напряжений
4 Таблица электрохимических потенциалов металлов
5 Ссылки
6 Литература
7 Примечания

[править] 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. Впоследствие 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.

Последовательность металлов по их способности вытеснять друг друга, давно известная химикам, была в 1860-е и последующие годы особенно основательно и всесторонне изучена и дополнена Н. Н. Бекетовым. Уже в 1859 году он сделал в Париже сообщение на тему «Исследование над явлениями вытеснения одних элементов другими». В эту работу Бекетов включил целый ряд обобщений о зависимости между взаимным вытеснением элементов и их атомным весом, связывая эти процессы с «первоначальными химическими свойствами элементов тем, что называется химическим сродством»^[4]. Открытие Бекетовом вытеснения металлов из растворов их солей водородом под давлением и изучение восстановительной активности алюминия, магния и цинка при высоких температурах (металлотермия) позволило ему выдвинуть гипотезу о связи способности одних элементов вытеснять из соединений с их плотностью: более лёгкие простые вещества способны вытеснять более тяжёлые («вытеснительный ряд Бекетова»).

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 в 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 в «склонности» металла и его иона к тем или иным реакциям в 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.

[править] 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 в3,395 В у пары Eu²⁺/Eu^{[источник?]} 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 в катионы золота Au⁺.

В ряд напряжений традиционно включается водород, поскольку практическое измерение электрохимических потенциалов металлов производится с использованием стандартного водородного электрода.

[править] 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:

Металлы, стоящие левее, являются более сильными восстановителями, чем металлы, расположенные правее: они вытесняют последние из растворов солей. Например, взаимодействие Zn + Cu²⁺ Zn²⁺ + Cu возможно только в прямом направлении.
Металлы, стоящие в ряду левее водорода, вытесняют водород при взаимодействии с водными растворами кислот-неокислителей; наиболее активные металлы (до алюминия включительно) в и при взаимодействии с водой.
Металлы, стоящие в ряду правее водорода, с водными растворами кислот-неокислителей при обычных условиях не взаимодействуют.
При электролизе металлы, стоящие правее водорода, выделяются на катоде; восстановление металлов умеренной активности сопровождается выделением водорода; наиболее активные металлы (до алюминия) невозможно при обычных условиях выделить из водных растворов солей.

[править] Таблица электрохимических потенциалов металлов

Металл	Катион	φ⁰, В	Реакционная способность	Электролиз (на катоде):
Li	Li⁺	-3,0401	реагирует с водой	выделяется водород
Cs	Cs⁺	-3,026
Rb	Rb⁺	-2,98
K	K⁺	-2,931
Ra	Ra²⁺	-2,912
Ba	Ba²⁺	-2,905
Fr	Fr⁺	-2,92
Sr	Sr²⁺	-2,899
Ca	Ca²⁺	-2,868
Eu	Eu²⁺	-2,812
Na	Na⁺	-2,71
Sm	Sm²⁺	-2,68
Md	Md²⁺	-2,40	реагирует с кислотами
La	La³⁺	-2,379
Y	Y³⁺	-2,372
Mg	Mg²⁺	-2,372
Ce	Ce³⁺	-2,336
Pr	Pr³⁺	-2,353
Nd	Nd³⁺	-2,323
Er	Er³⁺	-2,331
Sm	Sm³⁺	-2,304
Pm	Pm³⁺	-2,30
Fm	Fm²⁺	-2,30
Dy	Dy³⁺	-2,295
Tb	Tb³⁺	-2,28
Gd	Gd³⁺	-2,279
Es	Es²⁺	-2,23
Ac	Ac³⁺	-2,20
Dy	Dy²⁺	-2,2
Pm	Pm²⁺	-2,2
Cf	Cf²⁺	-2,12
Am	Am³⁺	-2,048
Cm	Cm³⁺	-2,04
Er	Er²⁺	-2,0
Pr	Pr²⁺	-2,0
Eu	Eu³⁺	-1,991
Ho	Ho³⁺	-2,33
Tm	Tm³⁺	-2,319
Lu	Lu³⁺	-2,28
Sc	Sc³⁺	-2,077
Pu	Pu³⁺	-2,031
Lr	Lr³⁺	-1,96
Cf	Cf³⁺	-1,94
Es	Es³⁺	-1,91
Th	Th⁴⁺	-1,899
Fm	Fm³⁺	-1,89
Np	Np³⁺	-1,856
Be	Be²⁺	-1,847
U	U³⁺	-1,798
Al	Al³⁺	-1,700
Md	Md³⁺	-1,65
Ti	Ti²⁺	-1,63		конкурирующие реакции:и выделение водорода, и выделение металла в чистом виде
Hf	Hf⁴⁺	-1,55
Zr	Zr⁴⁺	-1,53
Pa	Pa³⁺	-1,34
Ti	Ti³⁺	-1,208
Yb	Yb³⁺	-1,205
No	No³⁺	-1,20
Ti	Ti⁴⁺	-1,19
Mn	Mn²⁺	-1,185
V	V²⁺	-1,175
Nb	Nb³⁺	-1,1
Nb	Nb⁵⁺	-0,96
V	V³⁺	-0,87
Cr	Cr²⁺	-0,852
Zn	Zn²⁺	-0,763
Cr	Cr³⁺	-0,74
Ga	Ga³⁺	-0,560
Ga	Ga²⁺	-0,45
Fe	Fe²⁺	-0,441
Cd	Cd²⁺	-0,404
In	In³⁺	-0,3382
Tl	Tl⁺	-0,338
Co	Co²⁺	-0,28
In	In⁺	-0,25
Ni	Ni²⁺	-0,234
Mo	Mo³⁺	-0,2
Sn	Sn²⁺	-0,141
Pb	Pb²⁺	-0,126
H₂	H⁺	0
W	W³⁺	+0,11	низкая реакционная способность	выделение металла в чистом виде
Ge	Ge⁴⁺	+0,124
Sb	Sb³⁺	+0,240
Ge	Ge²⁺	+0,24
Re	Re³⁺	+0,300
Bi	Bi³⁺	+0,317
Cu	Cu²⁺	+0,338
Po	Po²⁺	+0,37
Тс	Тс²⁺	+0,400
Ru	Ru²⁺	+0,455
Cu	Cu⁺	+0,522
Te	Te⁴⁺	+0,568
Rh	Rh⁺	+0,600
W	W⁶⁺	+0,68
Tl	Tl³⁺	+0,718
Rh	Rh³⁺	+0,758
Po	Po⁴⁺	+0,76
2Hg	Hg₂²⁺	+0,7973
Ag	Ag⁺	+0,799
Pb	Pb⁴⁺	+0,80
Os	Os²⁺	+0,850
Hg	Hg²⁺	+0,851
Pt	Pt²⁺	+0,963
Pd	Pd²⁺	+0,98
Ir	Ir³⁺	+1,156
Au	Au³⁺	+1,498
Au	Au⁺	+1,691

[править] Ссылки

Petr Vanýsek Electrochemical Series // Handbook of Chemistry and Physics: 81th Edition. в CRC Press LLC, 2000. в ISBN 978-0849304811
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЯД НАПРЯЖЕНИЙ на xumuk.ru

[править] Литература

Корольков Д.В. Основы неорганической химии. в М.:Просвещение, 1982. в 271 с.

[править] Примечания

в‘ Рабинович В. Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. в М.: Наука, 1979
в‘ Пути познания / Головнер В.Н. Взгляд на мир глазами химика
в‘ Штрубе В. Пути развития химии: в 2-х томах. Том 2. От начала промышленной революции до первой четверти XX века
в‘ Беляев А.И. Николай Николаевич Бекетов выдающийся русский физико-химик и металлург. М., 1953
в‘ Леенсон И. А. Ряд активности металлов Бекетова: миф или реальность? // Химия в школе. - 2002. - в„– 9. - С. 90-96.
в‘ Мчедлов-Петросян Н. О.Труды Н. Н. Бекетова и ряд активности металлов // Вестник Харьковского национального университета. - 2003. - в„– 596. - Химия. Вып. 10 (33). - С. 221-225.

[0] в‘ Рабинович В. Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. в М.: Наука, 1979

[1] в‘ Пути познания / Головнер В.Н. Взгляд на мир глазами химика

[2] в‘ Штрубе В. Пути развития химии: в 2-х томах. Том 2. От начала промышленной революции до первой четверти XX века

[3] в‘ Беляев А.И. Николай Николаевич Бекетов выдающийся русский физико-химик и металлург. М., 1953

[4] в‘ Леенсон И. А. Ряд активности металлов Бекетова: миф или реальность? // Химия в школе. - 2002. - в„– 9. - С. 90-96.

[5] в‘ Мчедлов-Петросян Н. О.Труды Н. Н. Бекетова и ряд активности металлов // Вестник Харьковского национального университета. - 2003. - в„– 596. - Химия. Вып. 10 (33). - С. 221-225.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

Электрохимический ряд активности металлов

Содержание

[править] История

[править] Теоретические основы

[править] Практическое использование ряда напряжений

[править] Таблица электрохимических потенциалов металлов

[править] Ссылки

[править] Литература

[править] Примечания

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках