Электрохимический ряд напряжений металлов бекетова: основные принципы и применение

История

Последовательность расположения металлов в порядке изменения их химической активности в общих чертах была известна уже алхимикам. 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.

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 (то есть последовательности уменьшения их сродства с кислородом). Таким образом, Риттер высказал гипотезу о возникновении электрического тока вследствие протекания химической реакции.

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». Открытие Бекетовым 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 другие из соединений с их плотностью: более лёгкие простые вещества способны вытеснять более тяжёлые (поэтому данный ряд часто также называют вытеснительный ряд Бекетова, или просто ряд Бекетова).

Не отрицая значительных заслуг Бекетова в становлении современных представлений о ряде активности металлов, следует считать ошибочным бытующее в отечественной популярной и учебной литературе представление о нём как единственном создателе этого ряда. 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.

История

Последовательность расположения металлов в порядке изменения их химической активности в общих чертах была известна уже алхимикам . 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.

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
» . Открытие Бекетовым 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 другие из соединений с их плотностью: более лёгкие простые вещества способны вытеснять более тяжёлые (поэтому данный ряд часто также называют вытеснительный ряд Бекетова
, или просто ряд Бекетова
).

Не отрицая значительных заслуг Бекетова в становлении современных представлений о ряде активности металлов, следует считать ошибочным бытующее в отечественной популярной и учебной литературе представление о нём как единственном создателе этого ряда. 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 SnCl 2 и свинец — из кислого раствора PbCl 2 ; 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 CdCl 2 .

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
.

Электрохимический ряд — напряжение — металл

Электрохимический ряд напряжений металлов позволяет сделать некоторые выводы.

В электрохимический ряд напряжений металлов включен водород как единственный неметалл, разделяющий с металлами общее свойство — образовывать положительно заряженные ионы.

По электрохимическому ряду напряжений металлов можно определить, какой металл следует выбирать в качестве покрытия. Это объясняется тем, что перечисленные выше металлы более электроположительны, чем сталь. Если же стальное изделие покрыто цинком, то последний даже при пористой структуре защищает изделие от коррозии, так как он является более электроотрицательным металлом. Однако эта защита эффективна лишь в том случае, если размеры пор незначительны. При больших незащищенных поверхностях основного металла защитные свойства покрытия резко снижаются.

Что характеризует электрохимический ряд напряжений металлов.

Ознакомившись с электрохимическим рядом напряжений металлов, рассмотрим, в какой последовательности будет происходить восстановление катионов на катоде при электролизе растворов электролитов.

На основе чего составлен электрохимический ряд напряжений металлов.

Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений металлов, поэтому является металлом средней активности.

Свойства оксидов и гидроксидов хрома в зависимости от степеней его окисления.

На основании каких свойств составлен электрохимический ряд напряжений металлов. Почему ему дано такое название.

Исключение составляет литий — расположение на левом фланге электрохимического ряда напряжений металлов обусловлено исключительно высокой энергией гидратации лития, максимальной среди металлов.

Гальваническая цепь для измерения электродного потенциала.

Располагая металлы в порядке возрастания их Е0, получают электрохимический ряд напряжений металлов. Химическая активность металлов была подробно изучена Н. Н. Бекетовым в 1865 г. на реакциях вытеснения металлов.

Располагая металлы в порядке возрастания их Е0, получают электрохимический ряд напряжений металлов или, точнее, ряд стандартных электродных потенциалов.

Алюминий — сильный восстановитель, он находится в левой части электрохимического ряда напряжений металлов. Алюминий реагирует со многими простыми и сложными веществами.

В этот же раздел включены две темы, связанные с электрохимией: Электрохимический ряд напряжений металлов и Электролиз. Однако вполне оправдано рассмотрение этих тем и в данном разделе, поскольку знание первой из них необходимо при изучении свойств металлов, а второй — при обсуждении способов их получения.

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 [] 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 .

Влияние температуры на активность металлов в электрохимической реакции

Температура играет важную роль в электрохимической реакции, оказывая влияние на активность металлов. При повышении температуры происходит увеличение скорости реакции и изменение электрохимического потенциала металла.

Повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии молекул металла, что способствует активации реакционных центров на его поверхности. Это ускоряет химическую реакцию, что делает металл более активным в электрохимической реакции.

Кроме того, повышение температуры влияет на электрохимический потенциал металла. Высокая температура может привести к смещению равновесия в реакции, что повлияет на направление потока электронов и изменение активности металла.

Однако следует отметить, что не все металлы одинаково реагируют на повышение температуры. Например, некоторые металлы, такие как железо или алюминий, могут образовывать оксидную пленку на своей поверхности при повышенных температурах, что может замедлить реакцию и уменьшить активность металла.

В целом, температура оказывает значительное влияние на активность металлов в электрохимической реакции. Повышение температуры может увеличить скорость реакции и изменить электрохимический потенциал металла, что делает его более или менее активным в реакции, в зависимости от свойств конкретного металла.

Важные моменты при использовании электрохимического ряда напряжений металлов

Электрохимический ряд напряжений металлов является важным инструментом в изучении и использовании электрохимических процессов и реакций. Он представляет собой упорядоченный список металлов по их способности окисляться или восстанавливаться в реакциях, связанных с передачей электронов.

Один из важных моментов при использовании этого ряда — определение активности и потенциала металла. Активность металла зависит от его положения в ряду: чем выше металл находится в ряду, тем больше его активность. Потенциал металла показывает его способность получать или отдавать электроны. Более активный металл будет иметь более низкий потенциал.

Еще один важный момент — ряд позволяет предсказать направление и скорость электрохимической реакции между двумя металлами. Если металл из ряда расположен выше другого, то он будет окисляться, а нижний металл будет восстанавливаться. Эта информация помогает предотвратить коррозию и электролиз.

Кроме того, электрохимический ряд металлов является основой для составления прогнозов о том, какие металлы могут быть использованы в различных электрохимических системах. Металлы, находящиеся в верхних позициях ряда, часто используются в качестве анодов в электролизных процессах, а нижние металлы — в качестве катодов.

Важно отметить, что электрохимический ряд металлов является теоретическим инструментом и не учитывает другие факторы, такие как концентрация растворов и температура. Поэтому при применении ряда в практических ситуациях следует учитывать эти факторы и проводить дополнительные исследования для получения более точных результатов

Примеры практического использования

1. Коррозионная защита:

Вытеснительный ряд металлов Бекетова активно применяется в инженерии и строительстве для обеспечения коррозионной защиты металлических конструкций. Например, в качестве анодных материалов часто используют цинк, алюминий или магний, которые имеют более высокий потенциал окисления, чем сталь или железо. При наличии электролита и контакта этих металлов с металлической конструкцией, происходит вытеснение электролитической коррозии с поверхности конструкции на более активные металлы. Таким образом, металлическая конструкция остается защищенной от коррозии.

2. Выработка электрической энергии:

Один из основных примеров практического применения вытеснительного ряда металлов Бекетова связан с выработкой электрической энергии. В гальванических элементах и аккумуляторах используются разные металлы с различными потенциалами окисления и восстановления. При разрядке или зарядке аккумулятора происходит перенос электронов от более активного металла к менее активному, что обеспечивает выработку или накопление электрической энергии.

3. Сплавы и металлургия:

Вытеснительный ряд металлов Бекетова широко используется в металлургической промышленности для создания сплавов различных металлов. Сплавы могут обладать особыми свойствами, такими как повышенная прочность, устойчивость к высоким температурам или хорошая проводимость электричества. Выбирая металлы из разных половин вытеснительного ряда, можно контролировать характеристики получаемого сплава.

4. Очистка от шлаков и загрязнений:

Принцип вытеснительного ряда металлов Бекетова также используется для очистки металлов от шлаков и других загрязнений. При взаимодействии более активного металла с загрязненным металлом, загрязнения переносятся на более активный металл, что позволяет удалить нежелательные примеси и очистить металл от шлаков и окалин.

Литий

При внесении уточнений и рассмотрения наиболее электрохимически активного элемента становится очевидно, что лидирующее положение в плане активности займет литий. Название данного элемента переводится как «камень» – связано это с тем, что он был обнаружен в петалите (минерал). Металл, обладающий серебристым цветом, тонет в воде, но уверенно держится на поверхности керосина. По электрохимической активности данный элемент превосходит все остальные щелочные элементы, вытесняя другие металлы при химических реакциях. Это главное свойство лития является определяющим для остальных его характеристик.

Литий является очень важным элементом для нормального функционирования всего организма человека, но необходим он в маленьких дозах. При повышенной концентрации лития в организме человека может произойти отравление, пониженное же его содержание может привести к психической нестабильности человека. В некоторых напитках литий даже позиционировался, как превосходное средство от похмельного синдрома. Возможно, это не лишено смысла, и литий действительно помогает справиться с недомоганием после принятия спиртных напитков, однако употреблять его в повышенных дозах не рекомендуется в силу вышеуказанных причин.

Применение электрохимического ряда активности металлов Бекетова в промышленности

Электрохимический ряд активности металлов Бекетова — это таблица, в которой металлы располагаются в порядке убывания их активности. Этот ряд нашел широкое применение в промышленности и позволяет определить электрохимическую активность металлов и их способность к окислительно-восстановительным реакциям.

Одним из основных применений электрохимического ряда Бекетова является выбор материалов для производства электродов. Металлы, находящиеся в верхней части ряда, обладают высокой активностью и хорошо взаимодействуют со средой. Это делает их подходящими для использования в качестве анодов или катодов в электрохимических процессах, таких как гальваническое покрытие или производство аккумуляторов.

Также электрохимический ряд Бекетова используется при выборе материалов для производства контактных элементов. Металлы с высокой активностью обладают хорошей проводимостью электричества и могут использоваться для создания электрических контактов, например, в разъемах или выключателях.

Благодаря электрохимическому ряду активности металлов Бекетова также возможно предсказать возможность коррозии материалов в различных средах. Металлы, находящиеся в верхней части ряда, склонны к коррозии и требуют дополнительной защиты или использования антикоррозионных покрытий. В то же время, металлы, расположенные ниже в ряду, обладают высокой стойкостью к коррозии и могут использоваться в условиях сильно агрессивных сред.

В целом, электрохимический ряд активности металлов Бекетова является важным инструментом для выбора материалов в промышленности. Это позволяет оптимизировать процессы производства, улучшить качество продукции и снизить затраты, связанные с заменой и обслуживанием материалов.

Механизм вытеснения металлов

Механизм вытеснения металлов является основным принципом Бекетова вытеснительного ряда. Данный механизм основывается на том, что некоторые металлы способны вытеснить из своих соединений более непрочные металлы. Этот процесс осуществляется благодаря разности в степени активности их атомов. Чем выше степень активности металла, тем сильнее он может вытеснить другой металл из его соединений.

Механизм вытеснения металлов широко используется в различных отраслях промышленности. Например, в химической промышленности он используется для разделения смесей металлов или получения чистого металла из его соединений. Также вытеснение металлов может применяться в процессах нанесения покрытий, где более активный металл заменяет менее активный на поверхности, обеспечивая защиту от коррозии и повышение прочности.

Для определения порядка вытеснения металлов в вытеснительном ряду Бекетова используется ряд качественных и количественных методов. Исходя из полученных данных, можно определить, какой металл способен вытеснить другой из его соединений. Определение механизма вытеснения металлов позволяет разрабатывать новые материалы с необходимыми свойствами и улучшать существующие металлические сплавы.

Важно отметить, что механизм вытеснения металлов может быть затруднен в некоторых случаях, например, при наличии защитного оксидного слоя на поверхности металла или при низкой концентрации вытесняемого металла в растворе. Также следует учитывать, что некоторые металлы могут образовывать стабильные комплексы с органическими соединениями, что затрудняет их вытеснение