Как составить ряд активности металлов

Содержание:

1. Химическая активность металлов
2. Реакции металлов с кислородом и водой
3. Взаимодействие металлов с кислотами. ряд активности металлов
4. Взаимодействие металлов с растворами солей

Электрохимический ряд активности металлов (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ⁰, отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Meⁿ⁺: Meⁿ⁺ + nē → Me

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Химическая активность металлов

Электрохимический ряд активности металлов показывает, какие из металлов более активные, какие менее. Расположение элементов в горизонтальном ряду слева направо показывает направление снижения восстановительной способности и возрастание окислительной.

Реакции металлов с кислородом и водой

Что вы знаете о ржавлении железа? Расскажите о разрушении металлов? 
Как вы думаете, как можно защитить металлы от разрушения? Где применяются металлы? Приведите примеры из жизни.

Металлы мы часто применяем в повседневной жизни. Это алюминий, медь, железо, золото, серебро и т. д. Алюминий и медь применяются для изготовления проводов. Алюминиевой фольгой упаковывают лекарства. В домашнем обиходе вы часто встречаете алюминиевую посуду и упаковки для напитков. Но больше всего применяется железо для изготовления различных металлоконструкций,  трубопроводов,  деталей  машин  и  т.  д.  Этот  металл  от 
воды и кислорода воздуха приходит в негодность, изменяет цвет и тускнеет. 
Железо покрывается ржавчиной красно-бурого цвета. Железо + вода + воздух → ржавчина. Такой химический процесс называется коррозией (от лат. corrodere – разъедать).

Самопроизвольное разрушение металлов в результате их взаимодействия с веществами окружающей среды называется коррозией.

Поверхность алюминия покрывается оксидной пленкой, которая препятствует коррозии:

Химические активные металлы легко окисляются кислородом воздуха (Na, Mg, Ca). Железо и медь окисляются только при нагревании:

А золото и некоторые благородные металлы вообще не окисляются кислородом.

Рассмотрите рисунок 15 и сами сделайте выводы.

Ежегодно четвертая часть всего производимого металла из-за коррозии приходит в негодность (рис. 16).

Знаменитую Эйфелеву башню в Париже красили уже 18 раз, в результате чего ее масса увеличилась на 70 т.

Коррозия вызывает серьезные экологические катастрофы. Из разрушенных трубопроводов может быть утечка газа, нефти, опасных химических продуктов. 
Это приводит к загрязнению окружающей среды, что отрицательно влияет на здоровье и жизнь людей.

Металлы защищают от коррозии нанесением покрытий на поверхность изделия: окраска металла лаками, красками, эмалями. Но это покрытие недолговечно.  Предохраняют  металл  покрытием  другого  металла,  менее подверженного коррозии. Это – золото, серебро, хром, никель, олово, цинк и др. В повседневной жизни часто применяют оцинкованные ведра, никелированные кровати. Для консервных банок применяют железо, покрытое оловом. Такое железо называют белой жестью. Белую жесть получают в г. Темиртау Карагандинской области на металлургическом заводе. Можно уменьшить коррозию железа, добавляя другие металлы: никель, хром, молибден. Таким образом, получают сплав, который называется нержавеющей сталью. Из этой стали изготавливают столовые приборы, трубы и другие изделия.

Олово — достаточно редкий, но очень полезный металл. Известно, что его начали добывать раньше, чем железо.
Олово — это мягкий белый металл, который можно сплавлять с медью, чтобы получить бронзу. Олово — один из первых освоенных человеком металлов. Оно не подвержено коррозии, поэтому из него делают тару для упаковки. Слой олова, нанесенный на другие металлы, делает их поверхность гладкой и блестящей. Банки для хранения консервов и напитков также делают из тонкого стального листа, покрытого оловом.

Взаимодействие воды с некоторыми металлами (рис. 17).
1.  Взаимодействие  воды  с  активными  металлами  в обычных условиях идет очень интенсивно. 
При этом протекают реакции замещения

При проведении таких опытов необходимо соблюдать меры предосторожности.

2.  При  взаимодействии  металлов  средней  активности  с  водой  вместо щелочи выделяется оксид металла:

3. Малоактивные металлы (Cu) с водой не реагируют.

Коррозия, ржавчина, защита от коррозии, белая жесть, алюминиевая фольга, сплав

Свинец — тяжелый голубовато-серый металл, который не ржавеет. Он используется в автомобильных аккумуляторах. Свинцовые экраны защищают людей от опасной радиации. Но свинец токсичен и ядовит для человека.

Демонстрация №2

Взаимодействие активных металлов с холодной и горячей водой

Демонстрацию выполняет учитель, учащиеся наблюдают, делают выводы.

Цель: узнать, как реагируют активные металлы с холодной и горячей водой.

Обрежьте кусочек натрия скальпелем, высушите фильтровальной бумагой. Высушенный кусочек натрия следует бросить в кристаллизатор с холодной, а затем горячей водой. Наблюдать за ходом реакции через стекло вытяжного шкафа. Такую же реакцию проделать и с металлическим кальцием. Испытать полученные растворы двумя индикаторами.

Взаимодействие металлов с кислотами. ряд активности металлов

  Что такое кислоты? Какие кислые вещества вы встречали в природе?

В  соответствии  с  определением  кислоты  должны  вступать  в  реакции с  металлами.  Все  ли  металлы  взаимодействуют  с  кислотами?  Это  можно проверить на опыте.

В  четыре  пронумерованные  пробирки  нальем  одинаковое  количество раствора соляной кислоты и добавим: в первую пробирку – Mg; во вторую – Zn; в третью – Sn; в четвертую – Cu.

Как  видим,  не  все  металлы  могут  взаимодействовать  с  кислотами  и скорости их взаимодействия различны (рис. 18).

На  основании  интенсивности  взаимодействия  металлов  с  кислотами русским  ученым  Н.Н. Бекетовым  был  составлен  ряд  активности металлов:

Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Au

При  использовании  ряда  химической  активности  нужно  помнить 
следующие правила:

1) металлы, стоящие в начале этого ряда, химически активны, они могут вытеснить водород из воды.
2) активность металлов в этом ряду снижается слева направо 
3)  только  металлы,  стоящие  в  ряду  активности  до  водорода,  вытесняют водород из растворов кислот  (рис. 18):

активный металл + кислота —> соль + водород

Протекает реакция замещения.
Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не реагируют с разбавленными растворами кислот (табл. 6).

Лабораторный опыт №3
Взаимодействие металлов с растворами кислот

Цель: исследовать реакции различных металлов с растворами кислот и 
сделать вывод о существовании химически инертных металлов.

Налейте в четыре пробирки раствор соляной кислоты. В одну из пробирок насыпьте порошка магния, в другую – поместите гранулы цинка, в третью – опилки железа, в четвертую  – стружки меди.

Может ли железо не подвергаться коррозии? Да, если оно очень чистое. Например, в Дели (Индия) находится Кутубская колонна высотой 7 м, массой 6,5 т. Она установлена в IX в. до н. э., в ее составе 99,72% Fe. До сих пор эта колонна не подверглась коррозии.
 

Взаимодействие металлов с растворами солей

Какие соли вы встречали в повседневной жизни?

Химически активные металлы вытесняют менее активные металлы из растворов солей, при этом протекает реакция замещения. Например, из раствора сульфата меди (ІІ) железо вытесняет медь (рис. 19):

Выделение  красного  налета  меди  является  признаком  реакции. Обратная реакция не протекает  потому что медь в ряду активности металлов находится после железа, поэтому не вытесняет его.

Схема реакций замещения выглядит следующим образом:

соль 4- активный металл = новая соль + новый металл (менее активный)

Реакции такого типа протекают при следующих условиях:
1) взаимодействующие соли должны быть растворимыми в воде;
2) более активный металл вытесняет из соли менее активный металл.

Демонстрация №3
Вытеснение металлов из растворов солей

Цель: понимать, что более активный металл вытесняет менее активный 
металл из растворов его солей.

В пробирку поместите гранулы цинка и налейте раствор сульфата меди. 
В другую пробирку поместите небольшие кусочки железа и налейте раствор сульфата  меди.  Что  наблюдаете?  Напишите  уравнение  реакции.  Сделайте вывод.

Практическая работа   № 1 
Сравнение активности металлов 

Цель: Разработать ряд активности металлов. Обобщить результаты и сделать выводы.

Ход работы

В пять пробирок налейте растворы солей по 5 мл, опустите в каждую пробирку стружки меди. Затем такие опыты повторите с другими металлами. Наблюдайте за интенсивностью хода реакций. Заполните таблицу: где идет реакция следует поставить знак “+”, если не идет реакция – знак “–”. По сравнительной интенсивности, т. е. по числу протекающих реакций, составьте ряд активности металлов. 

ДЕЛАЕМ ВЫВОДЫ:

• 1.    Атомы металлов в реакциях только отдают электроны, образуя положительно заряженные ионы.
• 2.    Самопроизвольное разрушение металлов в результате их взаимодействия с веществами окружающей среды называется коррозией.
• 3.    Сравнительную активность металлов можно определить с помощью ряда активности, составленного Н. Н. Бекетовым.
• 4.    Металлы IA, НА группы очень легко вступают во взаимодействие с кислородом и водой. Многие металлы образуют оксидную пленку, которая препятствует дальнейшему окислению. Благородные металлы вообще не реагируют с кислородом и водой.

Услуги по химии:

1. Заказать химию
2. Заказать контрольную работу по химии
3. Помощь по химии

Лекции по химии:

1. Основные понятия и законы химии
2. Атомно-молекулярное учение
3. Периодический закон Д. И. Менделеева
4. Химическая связь
5. Скорость химических реакций
6. Растворы
7. Окислительно-восстановительные реакции
8. Дисперсные системы
9. Атомно-молекулярная теория
10. Строение атома в химии
11. Простые вещества
12. Химические соединения
13. Электролитическая диссоциация
14. Химия и электрический ток
15. Чистые вещества и смеси
16. Изменения состояния вещества
17. Атомы. Молекулы. Вещества
18. Воздух
19. Химические реакции
20. Закономерности химических реакций
21. Периодическая таблица химических элементов
22. Относительная атомная масса химических элементов
23. Химические формулы
24. Движение электронов в атомах
25. Формулы веществ и уравнения химических реакций
26. Количество вещества
27. Стехиометрические расчёты
28. Энергия в химических реакциях
29. Вода 
30. Необратимые реакции
31. Кинетика
32. Химическое равновесие
33. Разработка новых веществ и материалов
34. Зеленая химия
35. Термохимия
36. Правило фаз Гиббса
37. Диаграммы растворимости
38. Законы Рауля
39. Растворы электролитов
40. Гидролиз солей и нейтрализация
41. Растворимость электролитов
42. Электрохимические процессы
43. Электрохимия
44. Кинетика химических реакций
45. Катализ
46. Строение вещества в химии
47. Строение твердого тела и жидкости
48. Протекание химических реакций
49. Комплексные соединения

Лекции по неорганической химии:

1. Важнейшие классы неорганических соединений
2. Водород и галогены
3. Подгруппа кислорода
4. Подгруппа азота
5. Подгруппа углерода
6. Общие свойства металлов
7. Металлы главных подгрупп
8. Металлы побочных подгрупп
9. Свойства элементов первых трёх периодов периодической системы
10. Классификация неорганических веществ
11. Углерод
12. Качественный анализ неорганических соединений
13. Металлы и сплавы
14. Металлы и неметаллы
15. Производство металлов
16. Переходные металлы
17. Элементы 1 (1А), 2 IIA и 13 IIIA групп и соединения
18. Элементы 17(VIIA), 16(VIA) 15(VA), 14(IVA) групп и их соединения
19. Важнейшие S -элементы и их соединения
20. Важнейшие d элементы и их соединения
21. Важнейшие р-элементы и их соединения
22. Производство неорганических соединений и сплавов
23. Главная подгруппа шестой группы
24. Главная подгруппа пятой группы
25. Главная подгруппа четвертой группы
26. Первая группа периодической системы
27. Вторая группа периодической системы
28. Третья группа периодической системы
29. Побочные подгруппы четвертой, пятой, шестой и седьмой групп
30. Восьмая группа периодической системы
31. Водород
32. Кислород
33. Озон
34. Водород
35. Галогены
36. Естественные семейства химических элементов и их свойства
37. Химические элементы и соединения в организме человека
38. Геологические химические соединения

Лекции по органической химии:

1. Органическая химия
2. Углеводороды
3. Кислородсодержащие органические соединения
4. Азотсодержащие органические соединения
5. Теория А. М. Бутлерова
6. Соединения ароматического ряда
7. Циклические соединения
8. Карбонильные соединения
9. Амины и аминокислоты
10. Химия живого вещества
11. Синтетические полимеры
12. Органический синтез
13. Элементы 14(IVA) группы
14. Азот и сера
15. Растворы кислот и оснований

Ряд активности металлов это последовательность в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов.

Металлы в ряду активности до водорода (литий Li, рубидий Rb, …, свинец Pb) и металлы в ряду активности после водорода (сурьма Sb, висмут Bi, …, золото Au).

Примером может служить расширенный (полный) ряд активности металлов:

Li→Rb→K→Ba→Sr→Ca→Na→Mg→Al→Mn→Zn→Cr→Fe→Cd→Co→Ni→Sn→Pb→H→Sb→Bi→Cu→Hg→Ag→Pd→Pt→Au

Что такое ряд активности металлов и окислительно-восстановительные реакции

Отправным пунктом при изучении ряда активности металлов следует взять периодическую систему элементов.

Устанавливается, что активность металла определяется степенью лёгкости отдачи атомом электронов: чем легче атомы металла отдают электроны, тем металл является активнее.

Ряд активности металлов показывает их сравнительную активность в реакциях окисления или восстановления (сверху вниз восстановительная активность уменьшается) металл, находящийся в ряду напряжений левее (или выше) водорода, способен вытеснить водород из кислот.

О сравнительной активности металлов можно судить по их положению в периодической системе: внутри периодов при передвижении справа налево нарастает активность металлов, и самые активные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций) стоят в начале периодов.

Рис. Трубка для опытов по вытеснению металлов водородом под давлением

В главных подгруппах при передвижении сверху вниз тоже нарастает активность металлов, в чём можно убедиться на примере тех же щелочных металлов.

История

Зависимость последовательности расположения металлов была известна с времен алхимиков, так как они с помощью (трансмутации) восстанавливали другие металлы из их растворов (например медь, серебро).

В 1800 г. Алессандро Вольта сконструировал свой первый генератор электрического тока — «вольтов столб». Это изобретение доставило ему всемирную славу.

Он установил относительную активность: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au, в результате опытов выяснилось, что «сила» гальванического элемента становилась больше, чем дальше стояли друг от друга металлы в этом ряду (ряд напряжений).

В 1798 году Иоганн Вильгельм Риттер высказал гипотезу электрического тока в ряду окисления металлов вследствие протекания химической реакции.

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.

Ряд Бекетова

Если металлы стоят в разных периодах и в разных группах, как, например, цинк и свинец, то на основе положения их в периодической системе быстро и правильно охарактеризовать их сравнительную активность довольно трудно.

Это можно выполнить на основе ряда активности металлов, установленного русским учёным Н. Н. Бекетовым и впервые названного им «вытеснительным рядом металлов».

Наиболее выдающимся трудом Н. Н. Бекетова являются его «Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими» (Харьков, 1865).

Исследования показали, что простые вещества (более легкие), могут вытеснять более тяжелые (отсюда и название вытеснительный ряд Бекетова, или просто ряд Бекетова).

Для наиболее важных металлов ряд активности металлов имеет следующий вид:

   1. В этом ряду металлы расположены в определённой системе, а именно в порядке убывающей активности. Из двух металлов, стоящих рядом, легче отдают электроны атомы металла, стоящего левее.

   2. Каждый металл этого ряда вытесняет все следующие за ним металлы из растворов их солей, иначе говоря, каждый металл окисляется ионами всех следующих за ним металлов, например:

При этом, как видно из уравнений, металл переходит в состояние иона, а ион — в состояние металла.

   3. Если в ряду двигаться слева направо, т. е. от калия к золоту, то способность атомов отдавать электроны будет убывать, т. е. будет убывать восстановительная способность атомов и нарастать окислительная способность ионов металлов.

Таким образом, в приведённом ряду активности металлов атомы калия и натрия являются очень сильными восстановителями, а ионы серебра и золота — сильными окислителями.

   4. Как следствие из изложенного вытекает, что водород из разбавленных кислот может вытеснять только металлы, которые в ряду стоят левее его.

Металлы же, стоящие вправо от водорода, наоборот, вытесняются водородом, находящимся под давлением, из растворов их солей умеренных концентраций:

2Аl + 6НСl = 2АlСl₃ + 3Н₂;

H₂ + 2AgNO₃ = 2Ag + 2HNO₃.

Для определения места водорода в ряду активности металлов Н. Н. Бекетов производил такие опыты:

В колена изогнутой стеклянной трубки (рис.) помещались раздельно соли металла, кислота и цинк. Трубка запаивалась, потом наклонялась так, что цинк падал в кислоту и выделяющийся водород действовал под давлением на раствор соли.

По явлениям, происходящим в колене трубки с раствором соли, можно было судить о том, вытесняется ли металл водородом или нет.

На основании подобных опытов Н. Н. Бекетов пришёл к выводу, что в «вытеснительном ряду» водород должен занимать место после свинца, а за водородом идут медь, ртуть, серебро, золото и платиновые металлы.

   5. Из двух металлов, образующих электроды гальванического элемента, отрицательным электродом, катодом, будет тот из них, который стоит левее в ряду, а положительным электродом, анодом, — тот, который стоит правее.

Зависимость окислительно восстановительных реакций в ряду активности металлов

Окислительно-восстановительная реакция в гальваническом элементе протекает тем энергичнее, чем эти металлы дальше отстоят друг от друга в ряду активности металлов.

Следует в заключение подчеркнуть, что ряд активности металлов нельзя рассматривать как абсолютную характеристику свойств металлов, действительную во всех случаях и при всяких условиях.

  1) Так, например, в растворах цианистого калия он существенно отличается от обычного ряда, что видно из приводимого ниже сопоставления (при 10°):

а) Обычный ряд: Zn, Fe, Sn, Сu, Ag. Аu;

б) 0,6% раствор KCN: Zn, Сu, Sn, Ag, Аu, Fe;

в) 30% раствор KCN: Zn, Сu, Аu, Ag, Sn, Fe.

При изменившихся условиях активность, например, железа резко снижается, активность меди заметно повышается и т. д.

Пример взаимодействия хлороводорода с серебром

   2) Хотя серебро в ряду активности стоит после водорода, но при нагревании металлического серебра в атмосфере хлористого водорода протекает обратимая реакция:

2Ag + 2HCl ⇄ 2AgCl + H₂,

причём вытеснение водорода серебром сопровождается выделением тепла.

Если эту реакцию проводить в замкнутом сосуде под атмосферным давлением, то при 600° газовая смесь содержит по объёму 92,8 % НСl и 7,2 Н₂, а при 700° соответственно 95% и 5%.

Подобным же образом протекает реакция при тех же условиях и с медью.

Несмотря на свой относительный характер и имеющиеся некоторые исключения, ряд активности металлов всё же очень важен в практическом отношении,

Так как в большинстве случаев он позволяет правильно ориентироваться в направлении окислительно-восстановительной реакции при взаимодействии металла с водным раствором того или иного электролита.

Часто задаваемые вопросы ответы о ряде активности металлов?

Что показывает ряд активности металлов?

Это ряд металлов химическая активность (электрохимический потенциал), которых располагается в порядке увеличения силы

Используется для оценки активности металлов в водных растворах, и для процессов, происходящих при электролизе.

Что такое ряд напряжений металлов?

Электрохимический ряд активности металлов (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов).

Последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ0, отвечающих полуреакции восстановления катиона металла:

Men⁺: Men⁺ + nē → Me.

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

Как пользоваться рядом активности металлов?

Это ряд металлов, в котором их химическая активность уменьшается. Это чудесная шпаргалка, которой нужно уметь пользоваться: металлы, которые стоят до водорода, могут вытеснять водород из растворов кислот.

То есть литий Li, рубидий Rb, …, свинец Pb будут вытеснять водород из кислот (например из школы взаимодействие цинка с серной кислотой при которой выделяется водород).

Li→Rb→K→Ba→Sr→Ca→Na→Mg→Al→Mn→Zn→Cr→Fe→Cd→Co→Ni→Sn→Pb→H→Sb→Bi→Cu→Hg→Ag→Pd→Pt→Au

И металлы которые находятся после водорода (сурьма Sb, висмут Bi, …, золото Au) не выделяют водород из кислот.

Ряд активности металлов или ряд Бекетова используют для предварительного определения химической реакции между металлом и кислотой, которая записывается на бумаге.

Всегда нужно учитывать тот факт, что примеси других элементов (например платина, золото и т.д.) могут не давать выделения водорода или наоборот.

Статья на тему Ряд активности металлов

Электрохимический ряд активности (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) металлов — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ⁰, отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Meⁿ⁺: Meⁿ⁺ + nē → Me

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительные реакциях в водных растворах.

История

Последовательность расположения металлов в порядке изменения их химической активности в общих чертах была известна уже алхимикам^[1]. 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^[2].

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 (т. е. последовательности уменьшения их сродства с кислородом). Таким образом, Риттер высказал гипотезу о возникновении электрического тока вследствие протекания химической реакции^[3].

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»^[4]. Открытие Бекетовом 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 из соединений с их плотностью: более лёгкие простые вещества способны вытеснять более тяжёлые («вытеснительный ряд Бекетова»).

Не отрицая значительных заслуг Бекетова в становлении современных представлений об ряде активности металлов, следует считать ошибочным бытующее в отечественной популярной и учебной литературе представление о нём как единственном создателе этого ряда.^[5][6].

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.

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 Eu²⁺/Eu^{[источник не указан 228 дней]} 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.

Практическое использование ряда напряжений

Ряд напряжений используется на практике для сравнительной оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот и для оценки катодных и анодных процессов при электролизе:

• Металлы, стоящие левее, являются более сильными восстановителями, чем металлы, расположенные правее: они вытесняют последние из растворов солей. Например, взаимодействие Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu возможно только в прямом направлении.
• Металлы, стоящие в ряду левее водорода, вытесняют водород при взаимодействии с водными растворами кислот-неокислителей; наиболее активные металлы (до алюминия включительно) — и при взаимодействии с водой.
• Металлы, стоящие в ряду правее водорода, с водными растворами кислот-неокислителей при обычных условиях не взаимодействуют.
• При электролизе металлы, стоящие правее водорода, выделяются на катоде; восстановление металлов умеренной активности сопровождается выделением водорода; наиболее активные металлы (до алюминия) невозможно при обычных условиях выделить из водных растворов солей.

Таблица электрохимических потенциалов металлов

Металл	Катион	φ0, В	Реакционная способность	Электролиз (на катоде):
Li	Li+	-3,0401	реагирует с водой	выделяется водород
Cs	Cs+	-3,026
Rb	Rb+	-2,98
K	K+	-2,931
Ra	Ra2+	-2,912
Ba	Ba2+	-2,905
Fr	Fr+	-2,92
Sr	Sr2+	-2,899
Ca	Ca2+	-2,868
Eu	Eu2+	-2,812
Na	Na+	-2,71
Sm	Sm2+	-2,68
Md	Md2+	-2,40	реагирует с кислотами
La	La3+	-2,379
Y	Y3+	-2,372
Mg	Mg2+	-2,372
Ce	Ce3+	-2,336
Pr	Pr3+	-2,353
Er	Er3+	-2,331
Ho	Ho3+	-2,33
Nd	Nd3+	-2,323
Tm	Tm3+	-2,319
Sm	Sm3+	-2,304
Pm	Pm3+	-2,30
Fm	Fm2+	-2,30
Dy	Dy3+	-2,295
Tb	Tb3+	-2,28
Lu	Lu3+	-2,28
Gd	Gd3+	-2,279
Es	Es2+	-2,23
Ac	Ac3+	-2,20
Dy	Dy2+	-2,2
Pm	Pm2+	-2,2
Cf	Cf2+	-2,12
Sc	Sc3+	-2,077
Am	Am3+	-2,048
Cm	Cm3+	-2,04
Pu	Pu3+	-2,031
Er	Er2+	-2,0
Pr	Pr2+	-2,0
Eu	Eu3+	-1,991
Lr	Lr3+	-1,96
Cf	Cf3+	-1,94
Es	Es3+	-1,91
Th	Th4+	-1,899
Fm	Fm3+	-1,89
Np	Np3+	-1,856
Be	Be2+	-1,847
U	U3+	-1,798
Al	Al3+	-1,700
Md	Md3+	-1,65
Ti	Ti2+	-1,63	конкурирующие реакции: и выделение водорода, и выделение металла в чистом виде
Hf	Hf4+	-1,55
Zr	Zr4+	-1,53
Pa	Pa3+	-1,34
Ti	Ti3+	-1,208
Yb	Yb3+	-1,205
No	No3+	-1,20
Ti	Ti4+	-1,19
Mn	Mn2+	-1,185
V	V2+	-1,175
Nb	Nb3+	-1,1
Nb	Nb5+	-0,96
V	V3+	-0,87
Cr	Cr2+	-0,852
Zn	Zn2+	-0,763
Cr	Cr3+	-0,74
Ga	Ga3+	-0,560
Ga	Ga2+	-0,45
Fe	Fe2+	-0,441
Cd	Cd2+	-0,404
In	In3+	-0,3382
Tl	Tl+	-0,338
Co	Co2+	-0,28
In	In+	-0,25
Ni	Ni2+	-0,234
Mo	Mo3+	-0,2
Sn	Sn2+	-0,141
Pb	Pb2+	-0,126
H2	H+	0
W	W3+	+0,11	низкая реакционная способность	выделение металла в чистом виде
Ge	Ge4+	+0,124
Sb	Sb3+	+0,240
Ge	Ge2+	+0,24
Re	Re3+	+0,300
Bi	Bi3+	+0,317
Cu	Cu2+	+0,338
Po	Po2+	+0,37
Тс	Тс2+	+0,400
Ru	Ru2+	+0,455
Cu	Cu+	+0,522
Te	Te4+	+0,568
Rh	Rh+	+0,600
W	W6+	+0,68
Tl	Tl3+	+0,718
Rh	Rh3+	+0,758
Po	Po4+	+0,76
Hg	Hg22+	+0,7973
Ag	Ag+	+0,799
Pb	Pb4+	+0,80
Os	Os2+	+0,850
Hg	Hg2+	+0,851
Pt	Pt2+	+0,963
Pd	Pd2+	+0,98
Ir	Ir3+	+1,156
Au	Au3+	+1,498
Au	Au+	+1,691

Ссылки

• Petr Vanýsek Electrochemical Series // Handbook of Chemistry and Physics: 81th Edition. — CRC Press LLC, 2000. — ISBN 978-0849304811
• ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЯД НАПРЯЖЕНИЙ на xumuk.ru

Литература

• Корольков Д.В. Основы неорганической химии. — М.:Просвещение, 1982. — 271 с.

Примечания

Электрохимический ряд активности металлов
Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2, W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au Элементы расположены в порядке возрастания стандартного электродного потенциала.

Электрохимический ряд напряжений металлов опытным путем установил Алессандро Вольта, на тот момент он выглядел следующим образом: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. Величина электродного потенциала зависела оттого, насколько далеко отстояли друг от друга члены ряда. Но причина этого была неизвестна. В 1853 г. русский учёный Николай Николаевич Бекетов (1827-1911) сделал в Париже сообщение на тему “Исследование над явлениями вытеснения одних элементов другими”. В этой работе он обобщил различные исследования способности одних металлов вытеснять другие из растворов их солей.

Первоначально Бекетов предполагал, что способность одних металлов вытеснять из растворов солей другие металлы связана с их плотностью: более лёгкие металлы способны вытеснять металлы более тяжелые. Но опыты говорили о ином. Непонятно было и то, как связан “вытеснительный ряд” с рядом напряжений Алессандро Вольта. Со временем накапливалось всё больше экспериментальных данных того, что некоторые правила вытеснения нарушаются при определенных условиях. Бекетов обнаружил, что водород под давлением 10 атмосфер вытесняет серебро из раствора нитрата серебра. Английский химик Уильям Одлинг (1829-1921) описал множество случаев подобных аномалий. Например, медь вытесняет олово из концентрированного подкисленного раствора хлорида олова (II) и свинец – из кислого раствора хлорида свинца (II). Медь, олово и свинец находятся в ряду правее кадмия, однако могут вытеснять его из кипящего слабо подкисленного раствора хлорид кадмия.

Теоретическую основу ряда активности (и ряда напряжений) заложил немецкий физикохимик Вальтер Нернст (1864-1941). Вместо качественной характеристики – “склонности” металла и его иона к тем или иным реакциям – появилась точная количественная величина. Такой величиной стал стандартный электродный потенциал металла, а соответствующий ряд, выстроенный в порядке изменения потенциалов, называется рядом стандартных электродных потенциалов.

Электрохимический ряд напряжений металлов (ряд Бекетова) это последовательность расположения металлов и их ионов в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов в растворах электролитов. Электродом сравнения обычно служит стандартный водородный электрод, электродный потенциал которого условно принимается равным нулю.

Восстановленная форма	Число отданных електронов	Окисленная форма	Стандартный электродный потенциал, В
Li	1e	Li+	-3,05
K	1e	K+	-2,925
Rb	1e	Rb+	-2,925
Cs	1e	Cs+	-2,923
Ba	2e	Ba2+	-2,91
Sr	2e	Sr2+	-2,89
Ca	2e	Ca2+	-2,87
Na	1e	Na+	-2,71
Mg	2e	Mg2+	-2,36
Al	3e	Al3+	-1,66
Mn	2e	Mn2+	-1,18
Zn	2e	Zn2+	-0,76
Cr	3e	Cr3+	-0,74
Fe	2e	Fe2+	-0,44
Cd	2e	Cd2+	-0,40
Co	2e	Co2+	-0,28
Ni	2e	Ni2+	-0,25
Sn	2e	Sn2+	-0,14
Pb	2e	Pb2+	-0,13
Fe	3e	Fe3+	-0,04
H2	2e	2H+	0,00
Cu	2e	Cu2+	0,34
Cu	1e	Cu+	0,52
2Hg	2e	Hg2 2+	0,79
Ag	1e	Ag+	0,80
Hg	2e	Hg2+	0,85
Pt	2e	Pt2+	1,20
Au	3e	Au3+	1,50

Место каждого элемента в ряду напряжений условно, т.к. величина электродного потенциала зависит от температуры и состава раствора, в который погружены электроды, в частности от концентрации ионов. Большое значение также имеет состояние поверхности электрода (гладкая, шероховатая). Стандартный электродный потенциал относится к водным растворам при температуре 25 °С, давлении газов 1 атмосфера и концентрации ионов 1 моль/л.

Из электрохимического ряда напряжений металлов вытекает ряд важных следствий:

1. Каждый металл способен вытеснять (замещать) из растворов солей все другие металлы, стоящие правее данного металла;
2. Все металлы, расположенные левее водорода, способны вытеснять его из кислот;
3. Чем дальше расположены друг от друга два металла в ряду напряжений, тем большее напряжение может давать созданный из них гальванический элемент.

Восстановление водородом из оксидов

Металлы, которые водород не восстанавливает из их оксидов	Металлы, которые водород восстанавливает из их оксидов
K,  Ba,  Sr,  Ca,  Na,  Mg,  Al,  Mn,  Zn,  Cr	Fe,  Cd,  Co,  Ni,  Sn,  Pb,  W,  Sb,  As,  Bi,  Cu,  Hg,  Ag
BaO + H2  ≠	FeO + H2 = Fe + H2O

версия для печати

Сводная таблица свойств

Li

K

Ca

Na

Mg

Al

Mn

Zn

Cr

Fe

Ni

Sn

Pb

H

Cu

Hg

Ag

Pd

Pt

Au

→ Восстановительные свойства металлов ослабевают

В природе встречаются только в виде соединений

Встречаются в чистом виде и в виде соединений

Встречаются в самородном виде

Хранят в плотно закрытых сосудах под керосином или вазелином

Хранят в плотно закрытых сосудах

Хранят в любых сосудах

Окисляются при н. у.

При н. у. окисляются только с поверхности

Окисляются только при нагревании

Не окисляются

С Н2О взаимодействуют при н. у. с выделением Н2↑ и МеОН

С Н2О взаимодействуют при нагревании с выделением Н2↑ и МеО

С водой не взаимодействуют

При взаимодействии с растворами кислот вытесняют водород Н2 (кроме HNO3)

Из растворов кислот не вытесняют водород

Растворяются в «царской водке»

С H2SO4 конц. в зависимости от условий, восстановительных свойств металлов образуются SO2, S, H2S, сульфат и вода (Fe, Ni пассивируют)

С H2SO4 конц. образуется  SO2

Не взаимодей-ствуют

С HNO3 конц. образуется NO2, нитрат, Н2О  (Fe, Cr, Al пассивируются при обычной температуре)

Не взаимод.

С HNO3 разб. образуется NН3, нитрат, Н2О (так же с Fe, Sn)

С HNO3 разб. образуется NО, нитрат, Н2О

Не взаимодей-ствуют

Ве, Аl, Zn, Sn, Pb вытесняют водород из растворов щелочей. Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4]+H2↑

Оксиды растворяются в воде с образованием МеОН

Оксиды в воде не растворяются

При нагревании оксиды не разлагаются

При нагревании оксиды разлагаются

Гидроксиды при нагревании не разлагаются

Гидроксиды при нагревании разлагаются на оксид и Н2О

Гидроксиды разлагаются в воде

Более активный металл вытесняет из раствора соли менее активный

Нитраты при нагревании  разлагаются на MeNO2, и O2

Нитраты при нагревании  разлагаются на оксид, NO2 и O2

Нитраты при нагревании  разлагаются на металл, NO2 и O2

Гидролиз не идет у солей, образованных сильными кислотами

Соли, образованные сильными кислотами гидролизуются с образованием кислой среды

Соли, образованные слабыми кислотами гидролизуются с образованием щелочной среды

Существующие и растворимые соли, образованные слабыми кислотами, гидролизуются полностью

При электролизе водных растворов солей на катоде восстанавливается вода до Н2

На катоде восстанавливаются одновременно вода до Н2 и катионы  металла

На катоде восстанавливаются катионы  металла

версия для печати

Электрохимический ряд напряжений металлов (ЭХРН) наглядно демонстрирует возрастание электродного потенциала полуреакции восстановления металла: Meⁿ⁺ + nē → Me. Чем больше значение электродного потенциала (чем правее металл в ряду), тем менее выражены восстановительные свойства этого металла, соответственно, из двух любых металлов в данном ряду активнее тот, что находится левее.

По ЭХРН удобно определять, какие металлы будет вытеснять ионы других металлов из раствора: если в раствор соли некого металла помещается металл, находящийся левее (т. е. активнее) в данном ряду, он будет вытеснять изначальный металл и переходить в раствор в виде иона. Например: цинк (Zn) находится левее меди (Cu), а значит, возможна реакция замещения Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu.

Также по ЭХРН несложно узнать продукты катодного восстановления при электролизе водных растворов солей металлов. Все металлы, стоящие справа от водорода (H), выделяются в чистом виде на катоде при электролизе растворов их солей (CuSO₄, AgNO₃…); металлы, стоящие между марганцем (Mn) и свинцом (Pb) включительно выделяются совместно с газом водородом (из молекул воды); металлы левее алюминия не выделяются на катоде при электролизе водных растворов: на катоде образуется только водород из воды.

У ряда следующие обозначения: