Aktiiviset metallit. Aktiiviset metallit Metallien sähkökemiallinen jännitesarja on järjestetty järjestykseen

Helposti reagoivia metalleja kutsutaan aktiivisilla metalleiksi. Näitä ovat emäksiset, maa-alkalimetallit ja alumiinia.

Sijainti jaksollisessa taulukossa

Elementtien metalliset ominaisuudet heikkenevät sisäänpäin vasemmalta oikealle jaksollinen järjestelmä Mendelejev. Siksi ryhmien I ja II elementtejä pidetään aktiivisimpina.

Riisi. 1. Aktiiviset metallit jaksollisessa taulukossa.

Kaikki metallit ovat pelkistäviä aineita ja erottuvat helposti elektronien kanssa ulkoisella energiatasolla. Aktiivisissa metalleissa on vain yksi tai kaksi valenssielektronia. Jossa metalliset ominaisuudet tehostuvat ylhäältä alas energiatasojen lisääntyessä, koska Mitä kauempana elektroni on atomin ytimestä, sitä helpompi sen on erottua.

Alkalimetalleja pidetään aktiivisimpina:

• litium;
• natrium;
• kalium;
• rubidium;
• cesium;
• Ranskan kieli

Maa-alkalimetallit sisältävät:

• beryllium;
• magnesium;
• kalsium;
• strontium;
• barium;
• radium.

Metallin aktiivisuusaste voidaan määrittää metallin jännitteiden sähkökemiallisen sarjan avulla. Mitä kauempana vedystä vasemmalla elementti sijaitsee, sitä aktiivisempi se on. Vedyn oikealla puolella olevat metallit ovat inaktiivisia ja voivat reagoida vain väkevien happojen kanssa.

Riisi. 2. Metallien sähkökemialliset jännitteiden sarjat.

Kemiassa aktiivisten metallien luettelo sisältää myös alumiinin, joka sijaitsee ryhmässä III ja vedyn vasemmalla puolella. Alumiini on kuitenkin aktiivisten ja keskiaktiivisten metallien rajalla eikä reagoi joidenkin aineiden kanssa normaaleissa olosuhteissa.

Ominaisuudet

Aktiiviset metallit ovat pehmeitä (voidaan leikata veitsellä), kevyitä ja niillä on alhainen sulamispiste.

Perus Kemialliset ominaisuudet metallit on esitetty taulukossa.

Aktiiviset metallit reagoivat helposti, joten luonnossa niitä esiintyy vain seoksissa - mineraaleissa, kivissä.

Riisi. 3. Mineraalit ja puhtaat metallit.

Mitä olemme oppineet?

Aktiiviset metallit sisältävät ryhmien I ja II alkuaineita - alkali- ja maa-alkalimetallit sekä alumiinin. Niiden aktiivisuus määräytyy atomin rakenteen mukaan - muutama elektroni erottuu helposti ulkoisesta energiatasosta. Nämä ovat pehmeitä kevytmetalleja, jotka reagoivat nopeasti yksinkertaisten ja monimutkaisten aineiden kanssa muodostaen oksideja, hydroksideja ja suoloja. Alumiini on lähempänä vetyä ja sen reaktio aineiden kanssa vaatii lisäolosuhteita - korkeita lämpötiloja, oksidikalvon tuhoutumista.

Testi aiheesta

Raportin arviointi

Keskiarvoluokitus: 4.4 Saatujen arvioiden kokonaismäärä: 388.

Mitä tietoja voidaan saada jännitesarjasta?

Erilaisia ​​metallijännitteitä käytetään laajasti epäorgaaninen kemia. Erityisesti monien reaktioiden tulokset ja jopa niiden toteuttamismahdollisuus riippuvat tietyn metallin asemasta NER:ssä. Keskustellaan tästä aiheesta tarkemmin.

Metallien vuorovaikutus happojen kanssa

Vedyn vasemmalla puolella olevassa jännitesarjassa sijaitsevat metallit reagoivat happojen - ei-hapettavien aineiden - kanssa. Metallit, jotka sijaitsevat NER:ssä H:n oikealla puolella, ovat vuorovaikutuksessa vain hapettavien happojen kanssa (erityisesti HNO 3:n ja väkevän H 2 SO 4:n kanssa).

Esimerkki 1. Sinkki sijaitsee NER:ssä vedyn vasemmalla puolella, joten se pystyy reagoimaan lähes kaikkien happojen kanssa:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

Zn + H 2SO 4 = ZnSO 4 + H 2

Esimerkki 2. Kupari sijaitsee ERN:ssä H:n oikealla puolella; tämä metalli ei reagoi "tavallisten" happojen (HCl, H 3 PO 4, HBr, orgaaniset hapot) kanssa, mutta se on vuorovaikutuksessa hapettavien happojen (typpi, väkevä rikki) kanssa:

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

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

Kiinnitän huomionne tärkeä pointti: kun metallit ovat vuorovaikutuksessa hapettavien happojen kanssa, ei vapaudu vetyä, vaan joitain muita yhdisteitä. Tästä voit lukea lisää!

Metallien vuorovaikutus veden kanssa

Mg:n vasemmalla puolella olevassa jännitesarjassa sijaitsevat metallit reagoivat helposti veden kanssa jo huoneenlämpötilassa vapauttaen vetyä ja muodostaen alkaliliuoksen.

Esimerkki 3. Natrium, kalium, kalsium liukenevat helposti veteen muodostaen alkaliliuoksen:

2Na + 2H20 = 2NaOH + H2

2K + 2H20 = 2KOH + H2

Ca + 2H 2O = Ca(OH)2 + H2

Jännitealueella olevat metallit vedystä magnesiumiin (mukaan lukien) ovat joissakin tapauksissa vuorovaikutuksessa veden kanssa, mutta reaktiot vaativat erityisiä olosuhteita. Esimerkiksi alumiini ja magnesium alkavat olla vuorovaikutuksessa H 2 O:n kanssa vasta sen jälkeen, kun oksidikalvo on poistettu metallipinnalta. Rauta ei reagoi veden kanssa huoneenlämpötilassa, mutta reagoi vesihöyryn kanssa. Koboltti, nikkeli, tina ja lyijy eivät käytännössä ole vuorovaikutuksessa H 2 O:n kanssa, ei vain huoneenlämpötilassa, vaan myös kuumennettaessa.

ERN:n oikealla puolella sijaitsevat metallit (hopea, kulta, platina) eivät reagoi veden kanssa missään olosuhteissa.

Metallien vuorovaikutus suolojen vesiliuosten kanssa

Puhumme seuraavan tyyppisistä reaktioista:

metalli (*) + metallisuola (**) = metalli (**) + metallisuola (*)

Haluan korostaa, että tähdet eivät tässä tapauksessa osoita metallin hapetusastetta tai valenssia, vaan niiden avulla voidaan yksinkertaisesti erottaa metalli nro 1 ja metalli nro 2.

Tällaisen reaktion suorittamiseksi kolmen ehdon on täytyttävä samanaikaisesti:

1. prosessiin osallistuvat suolat on liuotettava veteen (tämä voidaan helposti tarkistaa liukoisuustaulukosta);
2. metallin (*) on oltava jännityssarjassa metallin (**) vasemmalla puolella;
3. metalli (*) ei saa reagoida veden kanssa (mikä on myös ESI:n helppo tarkistaa).

Esimerkki 4. Katsotaanpa muutamia reaktioita:

Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu

K + Ni(NO 3) 2 ≠

Ensimmäinen reaktio on helposti toteutettavissa, kaikki yllä olevat ehdot täyttyvät: kuparisulfaatti liukenee veteen, sinkki on NER:ssä kuparin vasemmalla puolella, Zn ei reagoi veden kanssa.

Toinen reaktio on mahdoton, koska ensimmäinen ehto ei täyty (kupari(II)sulfidi on käytännössä liukenematon veteen). Kolmas reaktio ei ole mahdollinen, koska lyijy on vähemmän aktiivinen metalli kuin rauta (sijaitsee oikealla ESR:ssä). Lopuksi, neljäs prosessi EI johda nikkelin saostumiseen, koska kalium reagoi veden kanssa; tuloksena oleva kaliumhydroksidi voi reagoida suolaliuoksen kanssa, mutta tämä on täysin erilainen prosessi.

Nitraattien lämpöhajoamisprosessi

Haluan muistuttaa, että nitraatit ovat suoloja typpihappo. Kaikki nitraatit hajoavat kuumennettaessa, mutta hajoamistuotteiden koostumus voi vaihdella. Koostumus määräytyy metallin sijainnin mukaan jännityssarjassa.

Magnesiumin vasemmalla puolella olevien metallien nitraatit muodostavat kuumennettaessa vastaavan nitriitin ja hapen:

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2

Mg:n ja Cu:n jännitealueella olevien metallinitraattien lämpöhajoamisen aikana muodostuu metallioksidia, NO 2:ta ja happea:

2Cu(NO 3) 2 = 2CuO + 4NO 2 + O 2

Lopuksi vähiten aktiivisten metallien nitraattien hajoamisen aikana (sijaitsee ERN:ssä kuparin oikealla puolella) muodostuu metallia, typpidioksidia ja happea.

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

Mitä kauempana vasemmalla metalli on standardielektrodipotentiaalien sarjassa, sitä vahvempi pelkistysaine se on; vahvin pelkistävä aine on litiummetalli, kulta on heikoin ja päinvastoin kulta(III)-ioni on voimakkain hapettava aine. aine, litium (I) on heikoin .

Jokainen metalli pystyy pelkistämään liuoksessa olevista suoloista ne metallit, jotka ovat jännityssarjassa sen jälkeen; esimerkiksi rauta voi syrjäyttää kuparin suolojensa liuoksista. Muista kuitenkin, että alkali- ja maa-alkalimetallit reagoivat suoraan veden kanssa.

Vedyn vasemmalla puolella olevassa jännitesarjassa sijaitsevat metallit pystyvät syrjäyttämään sen laimeiden happojen liuoksista samalla kun ne liukenevat niihin.

Metallin pelkistävä aktiivisuus ei aina vastaa sen asemaa jaksollisessa taulukossa, koska metallin paikkaa sarjassa määritettäessä ei huomioida ainoastaan ​​sen kyky luovuttaa elektroneja, vaan myös metallin tuhoamiseen kuluva energia. metallin kidehilaa sekä ionien hydratoitumiseen kuluvaa energiaa.

Vuorovaikutus yksinkertaisten aineiden kanssa

KANSSA happi Useimmat metallit muodostavat oksideja - amfoteerisia ja emäksisiä:

4Li + O 2 = 2Li 2O,

4Al + 3O 2 = 2Al 2O 3.

Alkalimetallit litiumia lukuun ottamatta muodostavat peroksideja:

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

KANSSA halogeenit metallit muodostavat halogeenivetyhappojen suoloja, esim.

Cu + Cl 2 = CuCl 2.

KANSSA vety aktiivisimmat metallit muodostavat ionihydridejä - suolan kaltaisia ​​aineita, joissa vedyn hapetusaste on -1.

2Na + H2 = 2NaH.

KANSSA harmaa metallit muodostavat sulfideja - rikkivetyhapon suoloja:

KANSSA typpeä Jotkut metallit muodostavat nitridejä; reaktio tapahtuu melkein aina kuumennettaessa:

3Mg + N2 = Mg3N2.

KANSSA hiili karbideja muodostuu:

4Al + 3C = Al 3 C 4.

KANSSA fosfori – fosfidit:

3Ca + 2P = Ca3P2.

Metallit voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa muodostaen metallien väliset yhdisteet :

2Na + Sb = Na 2Sb,

3Cu + Au = Cu 3 Au.

Metallit voivat liueta toisiinsa korkeissa lämpötiloissa reagoimatta ja muodostumatta metalliseokset.

Seokset

Seokset Niitä kutsutaan järjestelmiksi, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta metallista sekä metalleista ja ei-metalleista, joilla on vain metalliselle olomuodolle ominaisia ​​ominaisuuksia.

Seosten ominaisuudet ovat hyvin erilaisia ​​ja eroavat niiden komponenttien ominaisuuksista, esimerkiksi jotta kulta kovettuisi ja soveltuisi paremmin korujen valmistukseen, siihen lisätään hopeaa ja seos, joka sisältää 40% kadmiumia ja 60% vismuttia. sen sulamispiste on 144 °C, eli paljon alempi kuin sen komponenttien sulamispiste (Cd 321 °C, Bi 271 °C).

Seuraavat seokset ovat mahdollisia:

Sulat metallit sekoitetaan keskenään missä tahansa suhteessa ja liukenevat toisiinsa loputtomasti, esimerkiksi Ag-Au, Ag-Cu, Cu-Ni ja muut. Nämä seokset ovat koostumukseltaan homogeenisia, niillä on korkea kemiallinen kestävyys ja ne johtavat sähkövirtaa;

Oikaisumetallit sekoitetaan keskenään missä tahansa suhteessa, mutta jäähtyessään ne erottuvat ja saadaan massa, joka koostuu yksittäisistä komponenttien kiteistä, esimerkiksi Pb-Sn, Bi-Cd, Ag-Pb ja muut.

Metallien sähkökemiallisen toiminnan sarja(sarja jännitteitä, sarja standardielektrodipotentiaalia) - sarja, jossa metallit on järjestetty kasvavaan järjestykseen niiden standardien sähkökemiallisten potentiaalien φ 0 suhteen, mikä vastaa metallikationin pelkistymisen puolireaktiota Me n+: Me n+ + nē → Minä

Metallien toimintosarjan käytännön käyttö

Käytännössä käytetään useita jännitteitä metallien kemiallisen aktiivisuuden vertailevaan arviointiin reaktioissa suolojen ja happojen vesiliuosten kanssa sekä katodisten ja anodisten prosessien arvioimiseen elektrolyysin aikana:

• Vedyn vasemmalla puolella olevat metallit ovat vahvempia pelkistäviä aineita kuin oikealla olevat metallit: ne syrjäyttävät jälkimmäisen suolaliuoksista. Esimerkiksi vuorovaikutus Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu on mahdollista vain eteenpäin suunnassa.
• Metallit vedyn vasemmalla puolella syrjäyttävät vedyn ollessaan vuorovaikutuksessa ei-hapettavien happojen vesiliuosten kanssa; aktiivisimmat metallit (alumiiniin asti) - ja vuorovaikutuksessa veden kanssa.
• Vedyn oikealla puolella olevan sarjan metallit eivät ole vuorovaikutuksessa ei-hapettavien happojen vesiliuosten kanssa normaaleissa olosuhteissa.
• Elektrolyysin aikana katodilla vapautuu vedyn oikealla puolella olevia metalleja; kohtalaisen aktiivisten metallien pelkistämiseen liittyy vedyn vapautuminen; Aktiivisimpia metalleja (alumiiniin asti) ei voida eristää suolavesiliuoksista normaaleissa olosuhteissa.

Alkalimetalleja pidetään aktiivisimpina:

• litium;
• natrium;
• kalium;
• rubidium;
• cesium;
• Ranskan kieli

Potentiaaliero "elektrodiaine – liuos" toimii tarkalleen kvantitatiivisena ominaisuutena aineen (sekä metallien ettäei-metallit) liukenevat ionien muodossa, ts. merkkiionin ja sitä vastaavan aineen OB-kyvyn stabiilisuus.

Tätä potentiaalieroa kutsutaanelektrodin potentiaali.

Kuitenkin suorat menetelmät tällaisten potentiaalierojen mittaamiseenei ole olemassa, joten sovimme määrittelevämme ne suhteessans. standardi vetyelektrodi, potentiaalial, joka on tavanomaisesti nolla (kutsutaan usein myösvertailuelektrodi). Tavallinen vetyelektrodi koostuuplatinalevyltä, joka on upotettu happoliuokseen, joka sisältääH-ionien pitoisuus + 1 mol/l ja pestään kaasuvirrallavety at vakioolosuhteet.

Potentiaalin syntyminen tavalliselle vetyelektrodille voidaan kuvitella seuraavasti. Platinaan adsorboitu vetykaasu menee atomitilaan:

H22H.

Levyn pinnalle muodostuvan atomisen vedyn, liuoksessa olevien vetyionien ja platinan (elektronien!) välillä toteutuu dynaaminen tasapainotila:

HH + + e.

Koko prosessi ilmaistaan ​​yhtälöllä:

H22H++2e.

Platina ei osallistu redox-reaktioihin Ja prosessissa, mutta se on vain atomivedyn kantaja.

Jos tietyn metallin levy, joka on upotettu sen suolaliuokseen, jonka metalli-ionien pitoisuus on 1 mol/l, liitetään standardivetyelektrodiin, saadaan galvaaninen kenno. Sähkömotorinen voima tämä elementti(emf), mitattuna 25 °C:ssa, luonnehtii metallin standardielektrodipotentiaalia, jota yleensä kutsutaan nimellä E 0 .

Suhteessa H 2 /2H + -järjestelmään jotkin aineet käyttäytyvät hapettimina, toiset pelkistävinä aineina. Tällä hetkellä lähes kaikille metalleille ja monille ei-metalleille on saatu standardipotentiaalit, jotka kuvaavat pelkistysaineiden tai hapettimien suhteellista kykyä luovuttaa tai vangita elektroneja.

Pelkistysaineina toimivien elektrodien potentiaalit vedyn suhteen ovat "-"-merkillä ja "+"-merkki ilmaisee hapettimien elektrodien potentiaalit.

Jos laitamme metallit kasvavaan järjestykseen niiden standardielektrodipotentiaalien suhteen, niin ns metallien sähkökemiallinen jännitesarja:

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, B i, С u, Hg, А g, Р d, Р t, А u.

Useat jännitykset luonnehtivat metallien kemiallisia ominaisuuksia.

1. Mitä negatiivisempi metallin elektrodipotentiaali on, sitä suurempi on sen pelkistyskyky.

2. Jokainen metalli pystyy syrjäyttämään (pelkistämään) suolaliuoksista ne metallit, jotka ovat metallijännityssarjassa sen jälkeen. Ainoat poikkeukset ovat alkali- ja maa-alkalimetallit, jotka eivät pelkistä muiden metallien ioneja suolojensa liuoksista. Tämä johtuu siitä, että näissä tapauksissa metallien reaktiot veden kanssa tapahtuvat nopeammin.

3. Kaikki metallit, joilla on negatiivinen standardielektrodipotentiaali, ts. ne, jotka sijaitsevat metallien jännitesarjassa vedyn vasemmalla puolella, pystyvät syrjäyttämään sen happoliuoksista.

On huomattava, että esitetty sarja kuvaa metallien ja niiden suolojen käyttäytymistä vain vesiliuokset, koska potentiaalit ottavat huomioon tietyn ionin vuorovaikutuksen erityispiirteet liuotinmolekyylien kanssa. Siksi sähkökemiallinen sarja alkaa litiumilla, kun taas kemiallisesti aktiivisemmat rubidium ja kalium sijaitsevat litiumin oikealla puolella. Tämä johtuu yksinomaan korkea energia litiumionien hydraatioprosessi verrattuna muiden alkalimetallien ioneihin.

Standardin redox-potentiaalin algebrallinen arvo kuvaa vastaavan hapettuneen muodon oksidatiivista aktiivisuutta. Siksi standardien redox-potentiaalien arvojen vertailu antaa meille mahdollisuuden vastata kysymykseen: tapahtuuko tämä tai tuo redox-reaktio?

Siten kaikki halogenidi-ionien hapettumisen puolireaktiot vapaiksi halogeeneiksi

2 Cl – – 2 e = Cl 2 E 0 = -1,36 V (1)

2 Br – -2e = V r 2 E 0 = -1,07 V (2)

2I – -2 e = I 2 E 0 = -0,54 V (3)

voidaan toteuttaa normaaleissa olosuhteissa käytettäessä lyijyoksidia hapettimena ( IV ) (E 0 = 1,46 V) tai kaliumpermanganaattia (E 0 = 1,52 V). Käytettäessä kaliumdikromaattia ( E 0 = 1,35 V) vain reaktiot (2) ja (3) voidaan suorittaa. Lopuksi typpihapon käyttö hapettimena ( E 0 = 0,96 V) sallii vain puolireaktion, johon liittyy jodidi-ioneja (3).

Siten määrällinen kriteeri tietyn redox-reaktion mahdollisuuden arvioimiseksi on positiivinen arvo erot hapettumis- ja pelkistyspuolireaktioiden.