aktiivsed metallid. Aktiivsed metallid Metallide elektrokeemiline pingerida on üles ehitatud korras

Kergesti reageerivaid metalle nimetatakse aktiivseteks metallideks. Nende hulka kuuluvad leelis-, leelismuldmetallid ja alumiinium.

Asukoht perioodilisuse tabelis

Mendelejevi perioodilisustabelis nõrgenevad elementide metallilised omadused vasakult paremale. Seetõttu peetakse I ja II rühma elemente kõige aktiivsemaks.

Riis. 1. Aktiivsed metallid perioodilisustabelis.

Kõik metallid on redutseerivad ained ja eralduvad välisenergia tasemel kergesti elektronidega. Aktiivsetel metallidel on ainult üks või kaks valentselektroni. Sel juhul paranevad metallilised omadused ülalt alla energiatasemete arvu suurenemisega, kuna. mida kaugemal on elektron aatomi tuumast, seda lihtsam on tal eralduda.

Leelismetalle peetakse kõige aktiivsemaks:

• liitium;
• naatrium;
• kaalium;
• rubiidium;
• tseesium;
• frantsium.

Leelismuldmetallid on:

• berüllium;
• magneesium;
• kaltsium;
• strontsium;
• baarium;
• raadium.

Metalli aktiivsusastme saate teada metalli pingete elektrokeemilise jada abil. Mida rohkem vesinikust vasakul asub element, seda aktiivsem see on. Vesinikust paremal asuvad metallid on passiivsed ja saavad suhelda ainult kontsentreeritud hapetega.

Riis. 2. Metallide pingete elektrokeemiline jada.

Keemias kasutatavate aktiivsete metallide loetelus on ka alumiinium, mis asub III rühmas ja vesinikust vasakul. Alumiinium asub aga aktiivsete ja keskmise aktiivsusega metallide piiril ega reageeri tavatingimustes teatud ainetega.

Omadused

Aktiivsed metallid on pehmed (noaga lõigatavad), kerged ja madala sulamistemperatuuriga.

Metallide peamised keemilised omadused on toodud tabelis.

Aktiivsed metallid reageerivad kergesti, seetõttu leidub neid looduses ainult segudes - mineraalides, kivimites.

Riis. 3. Mineraalid ja puhtad metallid.

Mida me õppisime?

Aktiivsete metallide hulka kuuluvad I ja II rühma elemendid - leelis- ja leelismuldmetallid, samuti alumiinium. Nende aktiivsus on tingitud aatomi ehitusest – üksikud elektronid on välisest energiatasemest kergesti eraldatavad. Need on pehmed kergmetallid, mis reageerivad kiiresti lihtsate ja keeruliste ainetega, moodustades oksiide, hüdroksiide, sooli. Alumiinium on vesinikule lähemal ja selle reaktsioon ainetega nõuab lisatingimusi - kõrgeid temperatuure, oksiidkile hävimist.

Teemaviktoriin

Aruande hindamine

Keskmine hinne: 4.4. Saadud hinnanguid kokku: 388.

Millist teavet saab pingete jadatest?

Anorgaanilises keemias kasutatakse laialdaselt mitmeid metallide pingeid. Eelkõige sõltuvad paljude reaktsioonide tulemused ja isegi nende teostamise võimalus mõne metalli positsioonist NRN-is. Arutame seda küsimust üksikasjalikumalt.

Metallide koostoime hapetega

Metallid, mis on pingereas vesinikust vasakul, reageerivad hapetega – mitteoksüdeerivate ainetega. ERN-is H paremal asuvad metallid interakteeruvad ainult hapete - oksüdeerivate ainetega (eriti HNO 3 ja kontsentreeritud H 2 SO 4-ga).

Näide 1. Tsink asub NER-is vesinikust vasakul, seetõttu on see võimeline reageerima peaaegu kõigi hapetega:

Zn + 2HCl \u003d ZnCl2 + H2

Zn + H2SO4 \u003d ZnSO4 + H2

Näide 2. Vask asub ERN-is H paremal; see metall ei reageeri "tavaliste" hapetega (HCl, H 3 PO 4, HBr, orgaanilised happed), kuid see interakteerub oksüdeerivate hapetega (lämmastik, kontsentreeritud väävel):

Cu + 4HNO 3 (konts.) = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Cu + 2H 2 SO 4 (konts.) = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

Juhin teie tähelepanu olulisele punktile: kui metallid interakteeruvad oksüdeerivate hapetega, ei eraldu mitte vesinik, vaid mõned muud ühendid. Selle kohta saate rohkem lugeda!

Metallide koostoime veega

Metallid, mis asuvad pingereas Mg-st vasakul, reageerivad kergesti veega juba toatemperatuuril vesiniku vabanemisega ja leeliselahuse moodustumisega.

Näide 3. Naatrium, kaalium, kaltsium lahustuvad kergesti vees, moodustades leeliselahuse:

2Na + 2H2O \u003d 2NaOH + H2

2K + 2H2O = 2KOH + H2

Ca + 2H 2O \u003d Ca (OH) 2 + H2

Pingevahemikus vesinikust magneesiumini (kaasa arvatud) asuvad metallid interakteeruvad mõnel juhul veega, kuid reaktsioonid nõuavad spetsiifilisi tingimusi. Näiteks alumiinium ja magneesium hakkavad H 2 O-ga suhtlema alles pärast oksiidkile eemaldamist metalli pinnalt. Raud ei reageeri toatemperatuuril veega, kuid suhtleb veeauruga. Koobalt, nikkel, tina, plii praktiliselt ei suhtle H 2 O-ga mitte ainult toatemperatuuril, vaid ka kuumutamisel.

ERN-i paremal küljel asuvad metallid (hõbe, kuld, plaatina) ei reageeri mingil juhul veega.

Metallide koostoime soolade vesilahustega

Räägime järgmist tüüpi reaktsioonidest:

metall (*) + metallisool (**) = metall (**) + metallisool (*)

Tahaksin rõhutada, et tärnid ei näita antud juhul oksüdatsiooniastet, mitte metalli valentsi, vaid võimaldavad lihtsalt eristada metalli nr 1 ja metalli nr 2.

Sellise reaktsiooni ilmnemiseks peavad üheaegselt olema täidetud kolm tingimust:

1. protsessis osalevad soolad peavad olema vees lahustuvad (seda on lihtne kontrollida lahustuvuse tabeli abil);
2. metall (*) peab olema metallist (**) vasakul pool pingereas;
3. metall (*) ei tohiks reageerida veega (mida ka ERN kontrollib kergesti).

Näide 4. Vaatame mõningaid reaktsioone:

Zn + CuSO 4 \u003d ZnSO 4 + Cu

K + Ni(NO 3) 2 ≠

Esimest reaktsiooni on lihtne teostada, kõik ülaltoodud tingimused on täidetud: vasksulfaat lahustub vees, tsink on ERN-is vasest vasakul, Zn ei reageeri veega.

Teine reaktsioon on võimatu, kuna esimene tingimus ei ole täidetud (vask(II)sulfiid on vees praktiliselt lahustumatu). Kolmas reaktsioon ei ole teostatav, kuna plii on vähem aktiivne metall kui raud (asub NRN-is paremal). Lõpuks, neljas protsess EI too kaasa nikli sadenemist, kuna kaalium reageerib veega; tekkiv kaaliumhüdroksiid võib reageerida soolalahusega, kuid see on täiesti erinev protsess.

Nitraatide termilise lagunemise protsess

Lubage mul teile meelde tuletada, et nitraadid on lämmastikhappe soolad. Kõik nitraadid lagunevad kuumutamisel, kuid lagunemissaaduste koostis võib olla erinev. Koostise määrab metalli asukoht pingete reas.

NER-is magneesiumist vasakul asuvate metallide nitraadid moodustavad kuumutamisel vastava nitriti ja hapniku:

2KNO 3 \u003d 2KNO 2 + O 2

Metallnitraatide termilise lagunemise käigus, mis paiknevad pingereas Mg kuni Cu (kaasa arvatud), moodustuvad metallioksiid, NO 2 ja hapnik:

2Cu(NO 3) 2 \u003d 2CuO + 4NO 2 + O 2

Lõpuks moodustub kõige vähem aktiivsete metallide (mis asuvad NER-is vasest paremal) nitraatide lagunemisel metall, lämmastikdioksiid ja hapnik.

Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Pb, H 2 , Cu, Ag, Hg, Au

Mida vasakul on metall standardsete elektroodipotentsiaalide reas, seda tugevam on redutseerija, tugevaim redutseerija on metalliline liitium, kuld on kõige nõrgem ja vastupidi, kulla (III) ioon on kõige tugevam oksüdeerija. aine, liitium (I) on kõige nõrgem .

Iga metall suudab lahuses olevatest sooladest taastada neid metalle, mis on pärast seda pingereas, näiteks võib raud vase oma soolade lahustest välja tõrjuda. Siiski tuleb meeles pidada, et leelis- ja leelismuldmetallid interakteeruvad otseselt veega.

Metallid, mis seisavad pingereas vesinikust vasakul, suudavad selle lahjendatud hapete lahustest välja tõrjuda, samas lahustudes neis.

Metalli redutseeriv aktiivsus ei vasta alati tema positsioonile perioodilises süsteemis, sest metalli koha määramisel jadas ei võeta arvesse mitte ainult selle võimet anda elektrone, vaid ka hävitamisele kuluvat energiat. metallist kristallvõrest, samuti ioonide hüdratatsioonile kulutatud energiat.

Koostoime lihtsate ainetega

FROM hapnikku enamik metalle moodustavad amfoteersed ja aluselised oksiidid:

4Li + O 2 \u003d 2Li 2 O,

4Al + 3O 2 \u003d 2Al 2 O 3.

Leelismetallid, välja arvatud liitium, moodustavad peroksiide:

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2.

FROM halogeenid metallid moodustavad vesinikhalogeniidhapete sooli, näiteks

Cu + Cl 2 \u003d CuCl 2.

FROM vesinik kõige aktiivsemad metallid moodustavad ioonhüdriide – soolataolisi aineid, milles vesiniku oksüdatsiooniaste on -1.

2Na + H2 = 2NaH.

FROM hall metallid moodustavad sulfiide - vesiniksulfiidhappe sooli:

FROM lämmastik mõned metallid moodustavad nitriide, reaktsioon kulgeb peaaegu alati kuumutamisel:

3Mg + N2 \u003d Mg3N2.

FROM süsinik tekivad karbiidid.

4Al + 3C \u003d Al 3 C 4.

FROM fosforit - fosfiidid:

3Ca + 2P = Ca3P2.

Metallid võivad moodustuda üksteisega suhelda intermetallilised ühendid :

2Na + Sb = Na2Sb,

3Cu + Au = Cu 3 Au.

Metallid võivad üksteises lahustuda kõrgel temperatuuril ilma vastastikmõjuta, moodustades sulamid.

Sulamid

Sulamid nimetatakse süsteemideks, mis koosnevad kahest või enamast metallist, samuti metallidest ja mittemetallidest, millel on iseloomulikud omadused, mis on omased ainult metallilisele olekule.

Sulamite omadused on väga mitmekesised ja erinevad nende komponentide omadustest, näiteks kulla kõvemaks ja ehete valmistamiseks sobivamaks muutmiseks lisatakse sellele hõbedat ning 40% kaadmiumi ja 60% vismutit sisaldaval sulamil. sulamistemperatuur 144 °С, st palju madalam kui selle komponentide sulamistemperatuur (Cd 321 °С, Bi 271 °С).

Võimalikud on järgmist tüüpi sulamid:

Sulametallid segatakse üksteisega mis tahes vahekorras, lahustuvad üksteises piiramatult, näiteks Ag-Au, Ag-Cu, Cu-Ni jt. Need sulamid on koostiselt homogeensed, neil on kõrge keemiline vastupidavus, nad juhivad elektrivoolu;

Sirgendatud metallid segatakse üksteisega suvalises vahekorras, kuid jahutamisel need kihistuvad ja saadakse mass, mis koosneb komponentide üksikutest kristallidest, näiteks Pb-Sn, Bi-Cd, Ag-Pb jt.

Metallide elektrokeemiliste aktiivsuste jada(pingete jada, standardsete elektroodipotentsiaalide jada) - jada, milles metallid on paigutatud nende standardsete elektrokeemiliste potentsiaalide φ 0 suurenemise järjekorras, mis vastab metalli katioonide redutseerimise poolreaktsioonile Me n+ : Me n+ + nē → Me

Metallitegevuste sarja praktiline kasutamine

Praktikas kasutatakse mitmeid pingeid metallide keemilise aktiivsuse võrdlevaks hindamiseks reaktsioonides soolade ja hapete vesilahustega ning katood- ja anoodprotsesside hindamiseks elektrolüüsi ajal:

• Vesinikust vasakul olevad metallid on tugevamad redutseerijad kui paremal olevad metallid: nad tõrjuvad viimased soolalahustest välja. Näiteks interaktsioon Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu on võimalik ainult edasisuunas.
• Vesiniku vasakpoolses reas olevad metallid tõrjuvad vesinikku välja, kui nad suhtlevad mitteoksüdeerivate hapete vesilahustega; kõige aktiivsemad metallid (kuni alumiinium (kaasa arvatud)) - ja veega suhtlemisel.
• Vesiniku parempoolses reas olevad metallid ei interakteeru tavatingimustes mitteoksüdeerivate hapete vesilahustega.
• Elektrolüüsi käigus eralduvad katoodil vesinikust paremal asuvad metallid; mõõduka aktiivsusega metallide redutseerimisega kaasneb vesiniku vabanemine; kõige aktiivsemaid metalle (kuni alumiiniumini) ei saa normaalsetes tingimustes eraldada soolade vesilahustest.

Leelismetalle peetakse kõige aktiivsemaks:

• liitium;
• naatrium;
• kaalium;
• rubiidium;
• tseesium;
• frantsium.

Potentsiaalne erinevus "elektroodi aine - lahus" toimib lihtsalt aine (nii metallide kui kamittemetallid) lähevad lahusesse ioonidena, s.t. tegelasediooni ja sellele vastava aine OB-võime järgi.

Seda potentsiaalset erinevust nimetatakseelektroodi potentsiaal.

Küll aga otsesed meetodid sellise potentsiaalse erinevuse mõõtmiseksei eksisteeri, seega leppisime kokku, et määratleme need seosesnn standardne vesinikelektrood, potentsiaalmille väärtus võetakse tinglikult nulliks (sageli nimetatakse seda kavõrdluselektrood). Standardne vesinikelektrood koosnebplaatinaplaadilt, mis on kastetud happelahusesse koos konioonide kontsentratsioon H + 1 mol/l ja pestakse gaasilise joagavesinik standardtingimustes.

Potentsiaali tekkimist standardsel vesinikelektroodil võib ette kujutada järgmiselt. Plaatina adsorbeerituna gaasiline vesinik läheb aatomi olekusse:

H22H.

Plaadi pinnale moodustunud aatomi vesiniku, lahuses olevate vesinikuioonide ja plaatina (elektronide!) vahel realiseerub dünaamilise tasakaalu seisund:

H H + + e.

Kogu protsessi väljendatakse võrrandiga:

H2 2H+ + 2e.

Plaatina ei osale redoksis ja protsessi, vaid on ainult aatomi vesiniku kandja.

Kui mõne metalli plaat, mis on sukeldatud selle soola lahusesse, mille metalliioonide kontsentratsioon on võrdne 1 mol / l, ühendatakse standardse vesinikelektroodiga, saadakse galvaaniline element. Selle elemendi elektromotoorjõud(EMF), mõõdetuna temperatuuril 25 ° C, ja see iseloomustab metalli standardset elektroodipotentsiaali, mida tavaliselt tähistatakse kui E 0.

Seoses H 2 / 2H + süsteemiga käituvad mõned ained oksüdeerivate ainetena, teised redutseerivatena. Praeguseks on saadud peaaegu kõigi metallide ja paljude mittemetallide standardpotentsiaalid, mis iseloomustavad redutseerivate või oksüdeerivate ainete suhtelist võimet elektrone loovutada või kinni püüda.

Elektroodide potentsiaalidel, mis toimivad vesiniku suhtes redutseerivate ainetena, on märk “-” ja märk “+” tähistab oksüdeerivate ainete elektroodide potentsiaale.

Kui paigutada metallid nende standardsete elektroodipotentsiaalide järgi kasvavas järjekorras, siis nn metallide elektrokeemiline pingerida:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, N a, M g, A l, M n, Zn, C r, F e, C d, Co, N i, Sn, P b, H, Sb, V i , С u , Hg , А g , Р d , Р t , А u .

Pingete jada iseloomustab metallide keemilisi omadusi.

1. Mida negatiivsem on metalli elektroodipotentsiaal, seda suurem on selle redutseerimisvõime.

2. Iga metall suudab soolalahustest välja tõrjuda (taastada) neid metalle, mis on pärast teda metallipingete jadas. Ainsad erandid on leelis- ja leelismuldmetallid, mis ei redutseeri teisi metalliioone nende soolade lahustest. See on tingitud asjaolust, et nendel juhtudel kulgevad metallide ja veega interaktsioonireaktsioonid kiiremini.

3. Kõik metallid, millel on negatiivne standardelektroodipotentsiaal, s.o. mis asuvad metallide pingereas vesinikust vasakul, suudavad seda happelahustest välja tõrjuda.

Tuleb märkida, et esitatud seeria iseloomustab metallide ja nende soolade käitumist ainult vesilahustes, kuna potentsiaalid võtavad arvesse ühe või teise iooni interaktsiooni iseärasusi lahusti molekulidega. Seetõttu algab elektrokeemiline seeria liitiumiga, samas kui keemiliselt aktiivsem rubiidium ja kaalium asuvad liitiumist paremal. Selle põhjuseks on liitiumioonide hüdratatsiooniprotsessi erakordselt kõrge energia võrreldes teiste leelismetalliioonidega.

Standardse redokspotentsiaali algebraline väärtus iseloomustab vastava oksüdeerunud vormi oksüdatiivset aktiivsust. Seetõttu võimaldab standardsete redokspotentsiaalide väärtuste võrdlus vastata küsimusele: kas see või teine ​​redoksreaktsioon toimub?

Niisiis, kõik halogeniidiioonide oksüdatsiooni poolreaktsioonid vabadeks halogeenideks

2 Cl - - 2 e \u003d C l 2 E 0 \u003d -1,36 V (1)

2 Br - -2e \u003d B r 2 E 0 \u003d -1,07 V (2)

2I - -2 e \u003d I 2 E 0 \u003d -0,54 V (3)

saab realiseerida standardtingimustes, kui oksüdeeriva ainena kasutatakse pliioksiidi ( IV ) (E 0 = 1,46 V) või kaaliumpermanganaat (E 0 = 1,52 V). Kaaliumdikromaadi kasutamisel ( E0 = 1,35 V) saab läbi viia ainult reaktsioone (2) ja (3). Lõpuks lämmastikhappe kasutamine oksüdeeriva ainena ( E0 = 0,96 V) võimaldab ainult poolreaktsiooni jodiidiioonide osalusel (3).

Seega on konkreetse redoksreaktsiooni võimalikkuse hindamise kvantitatiivseks kriteeriumiks oksüdatsiooni- ja redutseerimispoolreaktsiooni standardsete redokspotentsiaalide erinevuse positiivne väärtus.