aktiiviset metallit. Aktiiviset metallit Metallien sähkökemiallinen jännitesarja on rakennettu järjestykseen

Helposti reagoivia metalleja kutsutaan aktiivisilla metalleiksi. Näitä ovat alkalit, maa-alkalimetallit ja alumiini.

Sijainti jaksollisessa taulukossa

Alkuaineiden metalliset ominaisuudet heikkenevät Mendelejevin jaksollisessa taulukossa vasemmalta oikealle. 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. Tässä tapauksessa metalliset ominaisuudet paranevat ylhäältä alas lisäämällä energiatasojen määrää, koska. mitä kauempana elektroni on atomin ytimestä, sitä helpompi se on erottua.

Alkalimetalleja pidetään aktiivisimpina:

• litium;
• natrium;
• kalium;
• rubidium;
• cesium;
• francium.

Maa-alkalimetalleja ovat:

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

Voit selvittää metallin aktiivisuusasteen metallin jännitteiden sähkökemiallisen sarjan avulla. Mitä enemmän vedystä vasemmalla elementti sijaitsee, sitä aktiivisempi se on. Vedyn oikealla puolella olevat metallit ovat inaktiivisia ja voivat olla vuorovaikutuksessa 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 sijaitsee kuitenkin aktiivisten ja keskiaktiivisten metallien rajalla eikä reagoi tiettyjen aineiden kanssa normaaleissa olosuhteissa.

Ominaisuudet

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

Metallien tärkeimmät kemialliset ominaisuudet 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 johtuu atomin rakenteesta - muutama elektroni erottuu helposti ulkoisesta energiatasosta. Nämä ovat pehmeitä kevytmetalleja, jotka reagoivat nopeasti yksinkertaisten ja monimutkaisten aineiden kanssa muodostaen oksideja, hydroksideja, suoloja. Alumiini on lähempänä vetyä ja sen reaktio aineiden kanssa vaatii lisäolosuhteita - korkeita lämpötiloja, oksidikalvon tuhoutumista.

Aihekilpailu

Raportin arviointi

Keskiarvoluokitus: 4.4 Saatujen arvioiden kokonaismäärä: 388.

Mitä tietoja voidaan saada jännitesarjasta?

Epäorgaanisessa kemiassa käytetään laajasti useita metallijännitystä. Erityisesti monien reaktioiden tulokset ja jopa niiden toteuttamismahdollisuus riippuvat jonkin metallin sijainnista NRN:ssä. Keskustellaan tästä aiheesta tarkemmin.

Metallien vuorovaikutus happojen kanssa

Metallit, jotka ovat jännitesarjassa vedyn vasemmalla puolella, reagoivat happojen - ei-hapettavien aineiden - kanssa. Metallit, jotka sijaitsevat ERN:ssä H:n oikealla puolella, ovat vuorovaikutuksessa vain happojen - hapettimien 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 \u003d ZnCl 2 + H2

Zn + H 2SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2

Esimerkki 2. Kupari sijaitsee ERN:ssä H:n oikealla puolella; tämä metalli ei reagoi "tavallisten" happojen kanssa (HCl, H 3 PO 4, HBr, orgaaniset hapot), 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 tärkeään kohtaan: 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 jo huoneenlämpötilassa veden kanssa vapauttaen vetyä ja muodostaen alkaliliuosta.

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

2Na + 2H 2O \u003d 2NaOH + H2

2K + 2H20 = 2KOH + H2

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

Metallit, jotka sijaitsevat jännitealueella vedystä magnesiumiin (mukaan lukien), ovat joissakin tapauksissa vuorovaikutuksessa veden kanssa, mutta reaktiot vaativat erityisiä olosuhteita. Esimerkiksi alumiini ja magnesium alkavat olla vuorovaikutuksessa H 2O:n kanssa vasta oksidikalvon poistamisen jälkeen metallipinnalta. Rauta ei reagoi veden kanssa huoneenlämpötilassa, mutta on vuorovaikutuksessa vesihöyryn kanssa. Koboltti, nikkeli, tina, 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 hapettumisastetta, eivät metallin valenssia, vaan antavat meille mahdollisuuden tehdä ero metallin nro 1 ja metallin nro 2 välillä.

Jotta tällainen reaktio tapahtuisi, kolmen ehdon on täytyttävä samanaikaisesti:

1. prosessiin osallistuvien suolojen on oltava veteen liukenevia (tämä on helppo tarkistaa liukoisuustaulukosta);
2. metallin (*) on oltava metallin (**) vasemmalla puolella olevassa jännitesarjassa;
3. metalli (*) ei saa reagoida veden kanssa (mitä myös ERN tarkistaa helposti).

Esimerkki 4. Katsotaanpa muutamia reaktioita:

Zn + CuSO 4 \u003d ZnSO 4 + Cu

K + Ni(NO 3) 2 ≠

Ensimmäinen reaktio on helppo toteuttaa, kaikki yllä olevat ehdot täyttyvät: kuparisulfaatti liukenee veteen, sinkki on ERN: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 NRN: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 typpihapon suoloja. Kaikki nitraatit hajoavat kuumennettaessa, mutta hajoamistuotteiden koostumus voi olla erilainen. Koostumuksen määrää metallin asema jännityssarjassa.

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

2KNO 3 \u003d 2KNO 2 + O 2

Metallinitraattien termisen hajoamisen aikana, jotka sijaitsevat jännitteiden sarjassa Mg:stä Cu:iin, muodostuu metallioksidia, NO 2:ta ja happea:

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

Lopuksi vähiten aktiivisten metallien nitraattien hajoamisen aikana (sijaitsee NER: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 metallinen litium, kulta on heikoin ja päinvastoin kulta-ioni (III) on vahvin. hapettava aine, litium (I) on heikoin .

Jokainen metalli pystyy palauttamaan liuoksessa olevista suoloista ne metallit, jotka ovat sen jälkeen jännitteissä, esimerkiksi rauta voi syrjäyttää kuparin suolojensa liuoksista. On kuitenkin muistettava, että alkali- ja maa-alkalimetallit ovat vuorovaikutuksessa suoraan veden kanssa.

Metallit, jotka seisovat jännitesarjassa vedyn vasemmalla puolella, pystyvät syrjäyttämään sen laimennettujen happojen liuoksista samalla kun ne liukenevat niihin.

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

Vuorovaikutus yksinkertaisten aineiden kanssa

FROM happi useimmat metallit muodostavat oksideja - amfoteerisia ja emäksisiä:

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

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

Alkalimetallit litiumia lukuun ottamatta muodostavat peroksideja:

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

FROM halogeenit metallit muodostavat halogeenivetyhappojen suoloja, esim.

Cu + Cl 2 \u003d CuCl 2.

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

2Na + H2 = 2NaH.

FROM harmaa metallit muodostavat sulfideja - vetysulfidihapon suoloja:

FROM typpeä Jotkut metallit muodostavat nitridejä, reaktio etenee lähes aina kuumennettaessa:

3Mg + N 2 \u003d Mg 3 N 2.

FROM hiili muodostuu karbideja.

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

FROM fosfori - fosfidit:

3Ca + 2P = Ca3P2.

Metallit voivat muodostaa vuorovaikutuksen keskenään metallien väliset yhdisteet :

2Na + Sb = Na 2Sb,

3Cu + Au = Cu 3 Au.

Metallit voivat liueta toisiinsa korkeassa lämpötilassa ilman vuorovaikutusta ja muodostumista 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 kullan tekemiseksi kovempaa ja sopivampaa korujen valmistukseen, siihen lisätään hopeaa ja seoksessa, joka sisältää 40 % kadmiumia ja 60 % vismuttia sulamispiste 144 °С, eli paljon alempi kuin sen komponenttien sulamispiste (Cd 321 °С, Bi 271 °С).

Seuraavat seokset ovat mahdollisia:

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

Oistetut metallit sekoitetaan keskenään missä tahansa suhteessa, mutta jäähdytettäessä ne delaminoituvat 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) - sekvenssi, jossa metallit on järjestetty kasvamaan niiden standardisähkökemiallisten potentiaalien φ 0 mukaisesti, mikä vastaa metallikationin pelkistyspuolireaktiota Me n+ : Me n+ + nē → Me

Metalliaktiviteettisarjan käytännöllinen 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 olevat 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 suolojen vesiliuoksista normaaleissa olosuhteissa.

Alkalimetalleja pidetään aktiivisimpina:

• litium;
• natrium;
• kalium;
• rubidium;
• cesium;
• francium.

Potentiaaliero "elektrodiaine - liuos" toimii vain kvantitatiivisena ominaisuutena aineen kyvylle (sekä metallit ettäei-metallit) siirtyvät liuokseen ionien muodossa, ts. hahmojaionin ja sitä vastaavan aineen OB-kyvyn perusteella.

Tätä potentiaalieroa kutsutaanelektrodin potentiaali.

Kuitenkin suorat menetelmät tällaisen potentiaalieron mittaamiseenei ole olemassa, joten sovimme määrittelevämme ne suhteessaniin kutsuttu standardi vetyelektrodi, potentiaalijonka arvo on ehdollisesti nolla (kutsutaan usein myösvertailuelektrodi). Vakiovetyelektrodi koostuuplatinalevyltä, joka on upotettu happoliuokseen, jossa on konionipitoisuus H + 1 mol/l ja pestään kaasusuihkullavetyllä normaaleissa olosuhteissa.

Potentiaalin syntyminen tavallisessa vetyelektrodissa voidaan kuvitella seuraavasti. Kaasumainen vety, jonka platina adsorboi, siirtyy atomitilaan:

H22H.

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

H H + + e.

Koko prosessi ilmaistaan ​​yhtälöllä:

H22H++2e.

Platina ei osallistu redox-prosessiin ja prosessissa, mutta se on vain atomivedyn kantaja.

Jos jonkin metallin levy, joka on upotettu sen suolaliuokseen, jonka metalli-ionien pitoisuus on 1 mol / l, yhdistetään tavalliseen vetyelektrodiin, saadaan galvaaninen kenno. Tämän elementin sähkömotorinen voima(EMF), mitattuna 25 °C:ssa, ja se kuvaa metallin standardielektrodipotentiaalia, jota yleensä merkitään E 0:lla.

Suhteessa H 2 / 2H + -järjestelmään jotkut aineet käyttäytyvät hapettimina, toiset pelkistysaineina. Tällä hetkellä on saatu lähes kaikkien metallien ja monien epämetallien standardipotentiaalit, jotka kuvaavat pelkistys- tai hapetusaineiden suhteellista kykyä luovuttaa tai siepata elektroneja.

Pelkistysaineina toimivien elektrodien potentiaalit vedyn suhteen on merkitty "-"-merkillä ja "+"-merkki merkitsee hapettimien elektrodien potentiaalia.

Jos laitat metallit nousevaan järjestykseen niiden standardielektrodipotentiaalien mukaan, 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, V i , С u , Hg , А g , Р d , Р t , А u .

Joukko jännityksiä luonnehtii metallien kemiallisia ominaisuuksia.

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

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

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

On huomattava, että esitetty sarja luonnehtii metallien ja niiden suolojen käyttäytymistä vain vesiliuoksissa, koska potentiaalit ottavat huomioon yhden tai toisen ionin vuorovaikutuksen piirteet liuotinmolekyylien kanssa. Siksi sähkökemiallinen sarja alkaa litiumilla, kun taas kemiallisesti aktiivisemmat rubidium ja kalium sijaitsevat litiumin oikealla puolella. Tämä johtuu litiumionihydratointiprosessin poikkeuksellisen korkeasta energiasta muihin alkalimetalli-ioneihin verrattuna.

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

Joten kaikki halogenidi-ionien hapettumisen puolireaktiot vapaiksi halogeeneiksi

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)

voidaan toteuttaa normaaleissa olosuhteissa, kun lyijyoksidia käytetään hapettavana aineena ( IV ) (E 0 = 1,46 V) tai kaliumpermanganaattia (E 0 = 1,52 V). Käytettäessä kaliumdikromaattia ( E0 = 1,35 V) vain reaktiot (2) ja (3) voidaan suorittaa. Lopuksi typpihapon käyttö hapettimena ( E0 = 0,96 V) mahdollistaa vain puolireaktion jodidi-ionien kanssa (3).

Siten määrällisenä kriteerinä tietyn redox-reaktion mahdollisuuden arvioimiseksi on hapettumis- ja pelkistyspuolireaktioiden standardi-pelkistyspotentiaalien välisen eron positiivinen arvo.