Egy elektrokémiai sorban a fémek feszültségek
Alessandro Volta empirikusan megállapított száma feszültség fémek: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. Az erőssége a sejt kiderül, hogy több, mint állva egymás mellett a sorozat tagjainál. De ennek az az oka ismeretlen volt abban az időben. Azonban még 1797-ben a német tudós, Johann Wilhelm Ritter (1776-1810), a híres felfedezése ultraibolya sugárzás várható, hogy az elektrokémiai sorban fémek legyen abban a sorrendben, hogy képesek kapcsolódni az oxigénnel. Abban az esetben, cink, arany, ez a következtetés nem volt kétséges; Mint más fémek, meg kell jegyezni, hogy a tisztaság nem túl magas. 1853-ban egy magyar tudós, aki egyik alapítója a fizikai kémia Nikolay Nikolaevich Beketov (1827-1911) volt a párizsi Üzenet „című tanulmány a jelenségek elmozdulásának egyes elemei a többi” (hat évvel később, ez a munka megjelent Harkovban oroszul). Ebben a munkában Beketov általános kutatást a képességét, hogy bizonyos fémek, hogy kiszorítsa más megoldásoktól sóik. A legismertebb példa erre reakció - elmozdulása vas oldatból rézionok (vas, a réz kinyerését) - még mindig használják a középkorban csalások nyilvánosan mutatja „transzformáció” vörös vas szöget „arany”. Régóta ismert, és az elmozdulás egy cink-oldatot ólom és kadmium (ólom visszanyerő), elmozdulás (helyreállítás) cink-vas és a t. D. Úgy készült „egy elmozdulás szám”, vagy egy sor tevékenység, ahol minden egyes fém kiszorítja (helyreállítani) a só-oldatok minden későbbi is, de egyik sem a korábbiak. Hidrogén is helyezünk a sorozatból - szállt szembe réz; Azonban maga a hidrogén fémek, általában a megoldás nem szorít. Minden fémek, állva hagyott sorban hidrogénatom, kiszoríthatja azt savas oldatokat; réz, ezüst, higany, platina, arany, elhelyezve általában nem kiszorítani hidrogénatom. Először Beketov úgy döntött, hogy az alapvető minta: könnyebb fémek kiszoríthatja oldataiból fémsókat egy nagyobb sűrűségű. De ez nem mindig voltak összhangban a kísérleti adatokkal. Nem volt egyértelmű, és hogyan kapcsolódik „helyettesítési szám” számos stressz Volta. Idővel felhalmozódó egyre több bizonyíték arra, hogy néhány „kiszorítás szabályok” sérülhetnek. Amint talált Beketov, hidrogén nyomás 10 atm. kiszorítja ezüst AgNO3 oldatot. Angol kémikus William Odling (1829-1921) leírt sok esetben ez a „konverziós tevékenység”. Például réz-ón kiszorítja a tömény oldatot megsavanyítjuk SnCI2 és az ólom - savas oldatot PbCl2. Réz, ón és ólom több szabályt kadmium, de kiszoríthatja azt forrásban lévő enyhén megsavanyított oldatot a CdCl2.
Az elméleti alapja számos tevékenység (és több törzs) bekezdésében német vegyész Walter Nernst (1864-1941). Ehelyett minőségi jellemzők - „hajlamát” a fém és annak ion hogy a különböző reakciók - megjelent a pontos kvantitatív érték jellemző egyes fém képes oldatba megy, mint ionok, valamint a talpra fémionoknak az elektróda. Ez a mennyiség a standard elektród potenciálját a fém és egy ennek megfelelő sorozat, beépített potenciálok változtatni az eljárást hívjuk a standardpotenciál.
Tudod, hogy ha egy bizonyos módon kapcsolódni két elektróda, kapunk egy galvánelem. A feszültség az elem megegyezik a különbség az elektród potenciál a két komponens: az elektródok. Ha tudja, hogy az elektród potenciálja az elektróda, tudjuk meg a potenciális a másik elektróda. Ügyeljen arra, hogy ez a „ha” valóban meg kell tudni, hogy a potenciális az egyik elektróda elektródák. De mivel az abszolút érték nem volt ismert, volt egy elektród potenciálja az egyik elektróda nullával egyenlő, akkor meg tudjuk határozni az értékét a másik elektród potenciálját. A nulla érték kapott hidrogén-elektród. Ahhoz, hogy meghatározzuk a standardpotenciál a fém, mért elektromotoros ereje olyan elektrokémiai cella, amelynek az egyik az elektródok - a vizsgált fém, merített sóoldatban (olyan koncentrációban, 1 mol / l), és egy második elektróda - a referencia (ez az úgynevezett hidrogén). A hidrogén elektród készül egy nagyon porózus platina szivacs (elektród felülete durva), és csökkentette a sav (H + ion koncentrációja is egyenlő 1 mol / l). Platina elektród folyamatosan mossuk a hidrogéngáz, amely részlegesen oldódik a platina. A hidrogén nyomása is kell egy szabványos - 1,013 • 10 5 Pa (1 atm), és hőmérséklete pontosan 25 ° C-on Közötti egyensúly lerakódott platina hidrogénatomok és hidrogén-ionokat oldatban. A fém - oldatot egy potenciális különbség, amely elektrokémikusok veszi nulla. Természetesen a valóságban ez a lehetőség nem nulla, de az érték számunkra ismeretlen. Ezért minden meghatározása elektród potenciál a standard hidrogén elektród viszonylagos; határozzuk meg, hogy kapcsolatban feltételes elfogadása a nulla érték a standard hidrogén lehetséges. A standardpotenciál - a fő jellemzője az elektróda - mérjük, és tükröződik a referencia könyvek. Elektróda potenciálok a legaktívabb fémek vízzel reagál, kapott közvetett.
Mérő készülék potenciál: 1 - a hidrogén-elektród; 2 - szifon; 3 - fém elektród, amely a potenciális mérjük; 4 - szifon.
Jellemzően, elektród potenciálokat a csökkentési lehetőségeket fémionok. A leginkább negatív potenciál (-3,04 V) - a reakció a Li + + e → Li az egyik legpozitívabb (1,68 V) - a reakció Au + + e → Au. Ez azt jelenti, hogy az EMF a galvánkap lítium - arany (ha ilyen pár működhetne a vízi környezetre) egyenlő lenne 4,72 V; közös érpáras réz - cink EMF lényegesen alacsonyabb 1,10 V (a potenciálok a megfelelő fémek -0,76 és 0,34 V).
A nem-vizes elektrolit lehet használni, és az alkáli fémek; így elrendezve lítium sejtek - adnak EMF 3,5 V. Természetesen, a lehetséges egyéb, nem-vizes oldatok.
Standardpotenciál növekedett a sorozatban: Li + megjelent 531 kJ / mol, és az ionok Na + - "csak" 423 kJ / mól. A összege „triatlon” lítium áll első helyen: a vízben való oldás energetikailag kedvezőbb (32 kJ / mol), mint a nátrium-feloldódik.
A táblázatok elektród potenciál meghatározására elektromotoros galvanikus párok nem szabványos feltételek, szükséges, hogy ismertesse a módosítást. Így, ha a koncentráció a fémionok az oldatban eltér 1 mol / l, kiszámításához használja fel a kapacitás a Nernst-egyenlet egy fém megoldást:
E = E ° + ((R • T) / (n • F)) • lg [Me n +]
ahol E - elektród potenciálját; E ° - standardpotenciál; R - egyetemes gázállandó; T - abszolút hőmérséklet; N - vegyértéke fémionok; F - Faraday száma (F = Cl 96500); [Me n +] - fémion koncentráció, mól / liter. A fizikai jelentése E ° érthető, ha a [Me n +] = 1 mol / l. Ezután lg [Me n +] = 0, és E = E °. Így a standardpotenciál (E °) - az eredő potenciális határán a fémion oldat koncentrációja az utolsó 1 mol / l. E ° - ez a fő jellemzője az elektróda. Nernst-egyenlet azt mutatja, hogy az elektród potenciál minden egyes elektróda változhat nagyon széles határok között. Ez megerősíti a kifejezés az egyenlet, hogy függ a fémionok koncentrációját.
Put, például egy ezüst elektróda (E ° = +0,8 V) savas oldatban, ahol a koncentrációja Ag + ionok 10 -15 mól / l. Ezután, az elektród potenciál csökken E = 0,8 + 0,06 • lg (10 -15) = 0,8 + 0,06 • (-15) = 0,8 - 0,9 = -0,1 V, T . e. előjelet, és az ezüst elkezd kiszorítják a hidrogén a sav! Ezért megy, különösen a reakció 2Ag + 4HI → 2H [AgI2] + H2. Az erős oldat koncentrációja ezüstionok HI jelentősen csökkent képződése miatt a komplex anionok [AgI2] -.
A legtöbb negatív standardpotenciál a lítium elektród Li \ Li +. Ez azt jelenti, hogy a lítium könnyen ad más kationok, az oldatban, és egy negatív töltés. A sorban elektródos feszültség emelése kapacitás azt jelenti, megnövekedett oxidatív és redukáló csillapítási tulajdonságai fémek. Kiderült, hogy a legerősebb az összes redukálószer említett sorozat - ez lítium, és a leggyengébb - arany.
A több E-cast
Most már előre az irányt a redox folyamat, a fémek vagy ionok. A fém a elektród, amely egy kisebb kapacitás kerül csökkentése vonatkozásában minden fémionok elhelyezve a potenciális a táblázat után.
De eltekintve az elektród potenciál van „ionizációs energia” - az intézkedés a könnyedséget, amellyel a fém atomok feladják elektronok; Rajta meg tudja ítélni a redox tulajdonságait kémiai elemek. Ezen kívül van értéke „elektron kilépési munkáját” - a szükséges energia egy elektront távolítanak el a fém felületén. Melyik ezeket a fogalmakat kell használni, ez függ a környezet, amelyben van egy redox folyamat. Ha a vizes oldatok - vezetett táblázatban elektród potenciál. Megjegyezzük, hogy a sorozat elemeinek ez lehet egy kicsit különbözik attól, amit mi a helyét az elemek a ionizációs energia értékek (a fent leírt egy hasonló eset). Ez könnyű megmagyarázni. Annak megállapítására, a potenciális ugrás a fém - oldatot játszik nemcsak az elektronikus szerkezet a fém, de a tendencia annak ionok hidratálására, azaz, a vízzel reagálva molekulákkal ... Ez azt jelenti, hogy a szám a elektród potenciál csak a vizes oldatok. A nem-vizes oldószerek figyelembe kell vennie a hajlamát fémionok a szolvatációs potenciálok határozzák azonos sorozat az egyéb megoldások (például aceton, benzol és hasonlók. D.).
Így, a megrendelő elektród potenciál - ez a szám ugyanaz, a relatív aktivitás a fémek. Csak között a relatív aktivitást nem az érték a potenciálja. Az ingatlan számos relatív aktivitása ugyanaz: minden fém a sorozat képes helyettesíteni a fém mögött azt a kapcsolat. Csak soha nem felejti el, hogy az állítás igaz, ha a fémionok koncentrációját az oldatban egyenlő eggyel. De ez a korlátozás nem lehet figyelmen kívül hagyni. Bárki, aki során számos, a relatív aktivitást, tudja, hogy a fémek állás ebben a sorban a hidrogénatom, kell kiszorítja azt a hidrogén-tartalmú vegyületek. Valóban, fémek, amelynek az elektródái több negatív standard potenciálja, mint a lehetséges a hidrogén, reagáltatjuk a salétromsav és kénsav, valamint sósav és ecetsav is. De nem savas vízben, a hidrogénion-koncentráció nagyon alacsony. Ez azt jelenti, hogy a lehetséges egy hidrogén-elektród (ez már nem lesz egy standard hidrogén elektród) belemerül a víz, több lesz a negatív, mint a standard hidrogén potenciál. Hivatkozva a képlet a Nernst. Ezt fel lehet használni, hogy értékelje ezt a potenciált, szem előtt tartva, hogy a hidrogénionok koncentrációját a tiszta víz 10 -7 mol / l. Ez nem hasonlítja össze a standard és a tényleges (valós) elektródpotenciálok ilyen körülmények között. A gyakorlatban, a hidrogént, hogy a bal oldalon a sor elemeit, és a relatív aktivitást előtt zajlik cink és vas ionjai, de még mindig követően az alkáli- és alkáliföldfémek, így kölcsönhatásba lépnek a vízzel, felszabadítva ezáltal a hidrogén.
Számos relatív aktivitást, amely kizárólag a fém elektródák. De lehetséges, hogy bővítse megértéséhez az elektród potenciál. Felhívjuk minden elektróda fém merítjük tartalmazó oldatban annak ionokat. Ez lényegében egy redox pár. Gyakran előfordul, hogy írunk, mint Li / Li +. Zn / Zn 2+. Cu / Cu 2+, stb A számláló jelzi a redukált forma, és a nevező - .. Oxidáció. Az elektróda nem más redox pár, például Fe 2+ / Fe 3+. Cu + / Cu 2+ vagy akár 2Cl - / Cl2. Ahogy a hidrogén-elektród, lehetőség van a konstrukció más - a klórt, oxigént, fluort (úgynevezett gáz elektród). Elektróda potenciálok határozzák nemcsak fémeket, hanem egy több redox reakciók egyaránt magában kationok és anionok. Ez lehetővé teszi, hogy elméletben megjósolni előfordulásának lehetősége a különböző redox reakciók különböző körülmények között. Egyszerűen inert fém oldatába merítjük ionokat tartalmazó Fe 2+ és Fe 3+. így Fe 2+ / Fe 3+ elektróda és. És van egy standardpotenciál. Az asztal lehet, hogy minden oxidáló és minden restaurátorok. Most már kivehetjük a jelzőt „elektróda” fog beszélni a redox potenciál, bár, ha szükséges, meg tudjuk konstruálni és a megfelelő elektródát. Mint látható, a redukált és oxidált formái néha nem csak olyan laza elemeket és nónák, hanem víz vagy az ionok. A víz jelenléte nem lehet figyelmen kívül hagyni. Ez nem csak a környezetet, hanem aktív résztvevője is előforduló redox folyamatokat. A táblázatból könnyen érthető, hogy a szulfit-ionok SO3 2- - viszonylag erős redukáló szerekkel és megmutatkoznak lúgos közegben, ion-permanganát MnO4 - vallotta ezt oxidálószer létezhetnek több oxidált formák száma határozza meg az elektronok által elfogadott oxidáló molekula, és a ez viszont határozza meg a savas környezetet. Az erősen savas közegben tart 5 elektronok és csökken a két vegyértékű mangán, és egy semleges vagy enyhén savas közegben - a tetravalens.
A több E-cast
Normál redox potenciál,
Vegyünk egy konkrét példát. Legyen egy pár 2I - / I2 és Cu + / Cu 2+. A táblázat áll ellen ezen párok, illetve 0,536 és 0,153 V. Elvileg kétféle eljárással:
2I - + 2Cu 2+ → I2 + 2Cu +;
ahol a jodid-ion egy redukálószer és:
I2 + 2Cu + → 2I - + 2Cu 2+;
ahol jód - oxidáló.
Értékek redoxpotenciálok azt mutatják, hogy a Cu + ionok az erősebb redukálószer, mint én -. Ez azt jelenti, hogy a jód feloldjuk a réz megoldásokat, azaz. E. Csak a második folyamat ténylegesen megtörténnek. Ez nem szabad elfelejteni, azonban, hogy a táblázat felsorolja a standard redox potenciál, amelyek megfelelnek az esetben, amikor az elem együtt van oldatban a koncentrációja ionok az elem a 1 mol / l, vagy ha annak oxidált és redukált formája azonos koncentrációja. Valódi potenciálja határozza a kiterjesztett Nernst-egyenlet, amely az úgynevezett egyenlet Peters:
E = E ° + ((R • T) / (2,3 • n • F)) • lg ([Ox] / [Red])
ahol [Ox] - koncentrációja oxidált formában; [Red] - koncentrációja a redukált forma; N - száma kicserélt elektronok.
Például, a redox potenciál pár Fe 2+ / Fe 3+ megszerezni
E = 0,75 - 0,059 • lg (Fe 3+ / Fe 2+)
E = 1,51 + 0,059 / 5 • lg ([MnO4 -] [H +] 8 / [Mn 2+])
Most már láthatja, hogy milyen mértékben elektródpotenciál, és ezáltal az oxidáló tulajdonságait permanganát-ion függ a savas közegben. Meg kell használni a táblázatot redoxpotenciálok, de soha nem szabad elfelejteni, és az egyenlet a Nernst és Peters.
Abban az esetben, tartalmat az oldalon, akkor legyen aktív link erre az oldalra látogatók által látható és a kereső pókok.