Бекетов ряд активности металлов

Обновлено: 05.07.2024

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	Ba 2+	-2,91
Sr	2e	Sr 2+	-2,89
Ca	2e	Ca 2+	-2,87
Na	1e	Na +	-2,71
Mg	2e	Mg 2+	-2,36
Al	3e	Al 3+	-1,66
Mn	2e	Mn 2+	-1,18
Zn	2e	Zn 2+	-0,76
Cr	3e	Cr 3+	-0,74
Fe	2e	Fe 2+	-0,44
Cd	2e	Cd 2+	-0,40
Co	2e	Co 2+	-0,28
Ni	2e	Ni 2+	-0,25
Sn	2e	Sn 2+	-0,14
Pb	2e	Pb 2+	-0,13
Fe	3e	Fe 3+	-0,04
H₂	2e	2H +	0,00
Cu	2e	Cu 2+	0,34
Cu	1e	Cu +	0,52
2Hg	2e	Hg₂ 2+	0,79
Ag	1e	Ag +	0,80
Hg	2e	Hg 2+	0,85
Pt	2e	Pt 2+	1,20
Au	3e	Au 3+	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:

Каждый металл способен вытеснять (замещать) из растворов солей все другие металлы, стоящие правее данного металла;
Все металлы, расположенные левее водорода, способны вытеснять его из кислот;
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

Электрохимический 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 φ 0 , отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Me n+ : Me n+ + nē → Me

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

Содержание

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.

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 Eu 2+ /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:

Вытеснительный ряд металлов Бекетова

Рассматривая способы получения водорода, мы уже отмечали, что одни металлы легко вытесняют из воды водород, другие — с трудом, третьи (железо, цинк)—требуют для этого высокой температуры, наконец, некоторые, как, например, медь и ртуть, не вытесняют водород и при высоких температурах.

В помещенном слева вертикальном ряду наиболее активные металлы находятся вверху, это — щелочные металлы калий и натрий, бурно реагирующие с водой с выделением водорода. К ним примыкают так называемые щелочноземельные металлы — барий, стронций и кальций, из которых в ряд включен только кальций как наиболее важный. Щелочноземельные металлы менее активны, чем щелочные; хотя они тоже вытесняют водород из воды, но реагируют с нею более спокойно. Магний уже очень медленно действует на воду при обыкновенной температуре, а цинк и железо взаимодействуют только с перегретым паром.

Вытеснительный ряд металлов

В списке помещен и водород, который хотя и не относится к металлам, но в химическом отношении сходен с ними.

Все металлы, стоящие в этом ряду выше водорода, вытесняют его из разбавленных кислот; скорость этой реакции возрастает при перемещении вверх от свинца к калию. Металлы, стоящие ниже водорода (начиная с меди), водород из кислот не вытесняют.

В такой последовательности металлы впервые были расположены русским ученым Н. Н. Бекетовым в результате его исследований над вытесняемостью одних элементов другими из их соединений. Составленный ряд Бекетов назвал «Вытеснительным рядом металлов».

Николай Николаевич Бекетов (1826—1911) — профессор Харьковского университета, впоследствии академик, один из крупнейших русских ученых, автор исследований, посвященных проблеме химической связи и устойчивости химических соединений.

Наиболее выдающимся трудом Н. Н. Бекетова являются его «Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими», опубликованные в 1865 г. Изучая действие водорода под давлением на соли ртути и серебра, Бекетов обнаружил замечательный факт вытеснения в этих условиях, металлов водородом и пришел к выводу, что химическое действие газа пропорционально его давлению, или массе, предвосхитив таким образом закон действия масс, сформулированный в более общей форме Гульдбергом и Вааге только два года спустя. На основании своих исследований Бекетов расположил все металлы в ряд, получивший впоследствии название ряда напряжений. Он открыл свойство алюминия вытеснять при высокой температуре металлы из их окислов. Это открытие легло впоследствии в основу алюминотермии , получившей большое применение в металлургии. Широко известны также работы Бекетова в области термохимии щелочных металлов.

Большой заслугой Бекетова является возрождение физической химии как самостоятельной науки. Он продолжил начинание Ломоносова, введя в 1865 г. в Харьковском университете чтение лекций и лабораторные занятия по физической химии.

Вы читаете, статья на тему Вытеснительный ряд металлов Бекетова

Химические свойства металлов

Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы.

Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены только положительно. Поэтому металлы называются «электроположительными» элементами, в отличие от «электроотрицательных» элементов — металлоидов, для которых более характерна способность при соединять электроны.

Удельный вес и температура плавления некоторых металлов

Почему типичные металлы восстановители

Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями.

Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.

Для сравнительного изучения активности металлов можно воспользоваться различными реакциями. Особенно удобны для этой цели реакции вытеснения металлов из их солей другими металлами. Опустим, например, кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается уравнением

или в ионной форме

Zn + Pb •• = Pb + Zn ••

Из уравнения видно, что эта реакция является типичной реакцией окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка отдают свои валентные электроны ионам Рb •• , тем самым превращаясь в ионы Zn •• , а ионы Рb •• разряжаются и выделяются в виде металлического свинца. Если поступить наоборот, т. е погрузить кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет. Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.

Сравнивая таким же способом активность свинца и меди, легко убедиться, что свинец более активен, чем медь, так как он вытесняет медь из ее солей, а медь не может вытеснять свинец:

Рb + Cu •• = Сu + Рb ••

Следовательно, из трех сравниваемых металлов — цинка, свинца и меди — наиболее активным, легче других отдающим электроны, является цинк, менее активен свинец и еще менее активна медь.

Вытеснение металлов из соединений металлами

Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было подробно изучено Н. Н. Бекетовым (1865 г.), расположившим металлы по их убывающей химической активности в так называемый «вытеснительный ряд». В настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений, так как положение каждого металла в ряду точно определяется величиной электрического напряжения, или разности потенциалов, возникающей при погружении данного металла в раствор его соли. Об измерении этих величин и их значении будет сказано несколько позже.

Для наиболее важных металлов ряд напряжений, как уже было указано , имеет следующий вид:

Уменьшение химической активности нейтральных атомов

К, Na, Са, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H₂, Cu, Hg, Ag, Au

Уменьшение способности ионов к присоединению электронов

В этом ряду помещен и водород, так как он тоже может вытеснять некоторые металлы из растворов их солей и в свою очередь вытесняется многими металлами из растворов кислот.

Определения положения водорода в вытеснительном ряду

Для определения положения водорода в «вытеснительном ряду» Бекетовым производились следующие опыты. В колена изогнутой стеклянной трубки (рис.) помещали отдельно друг от друга раствор соли металла, кислоту и цинк. Трубку запаивали» затем наклоняли ее так, что цинк падал в кислоту и выделяющийся водород действовал под давлением на раствор соли.

Наблюдая явления, происходящие в колене трубки, наполненном раствором соли, можно было судить о том, вытесняется ли металл водородом. На основании проведенных опытов Бекетов пришел к заключению, что в «вытеснительном ряду» водород занимает место после свинца и может вытеснять(восстанавливать) следующие за ним металлы: медь, ртуть, серебро, золото из растворов их солей.

Бекетов был убежден, что реакции вытеснения водорода металлами являются обратимыми и что для каждого металла должно существовать такое давление, при котором направление реакции меняется на обратное, т. е. водород начинает вытеснять металл из раствора его соли.

Взгляды Бекетова получили позднее полное подтверждение.

Рассмотрим, например, реакцию вытеснения водорода цинком:

Константа равновесия этой реакции выражается следующей формулой:

где вместо концентрации водорода взято его давление р_н2 в атмосферах. Вычисление показывает, что при обычной температуре К = 36 • 10 24 . Значит, потребовалось бы недостижимое при современной технике давление водорода, чтобы сделать ощутимой обратную реакцию, т. е. вытеснение цинка водородом. При обычном же давлении равновесие реакции практически нацело смещено вправо.

Однако для реакции

Sn + 2H • ⇄ Sn •• + H₂

Это значит, что равновесие будет достигнуто, например, при концентрациях: [Sn •• ]= l г-ион/л,[Н • ] = 0,01 г-ион/л и давлении водорода р_н2 = 4 ат. Следовательно, при сравнительно небольшом давлении водород может вытеснить олово из раствора его соли.

Электрохимический ряд напряжений

Ряд напряжений дает много общих указаний относительно химического поведения отдельных металлов при реакциях в растворах:

Каждый металл этого ряда, а также и водород, находящийся под давлением, вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из растворов их солей. В свою очередь сам он может быть вытеснен (восстановлен) любым из металлов, стоящих впереди него.
Только те металлы, которые стоят в ряду напряжений впереди водорода, могут вытеснять его из разбавленных кислот («солей водорода»). Металлы, стоящие вправо от водорода, не способны вытеснять водород из кислот.
Чем левее в ряду напряжений стоит металл, тем он активнее, тем больше его восстановительная способность в отношении ионов других металлов, тем легче он сам превращается в ионы, тем труднее восстанавливаются его ионы.

Вы читаете, статья на тему Химические свойства металлов

Вытеснительный ряд металлов Бекетова Рассматривая способы получения водорода, мы уже отмечали, что одни металлы легко вытесняют из воды водород, другие —.

Химические свойства воды Из химических свойств воды прежде всего следует отметить большую устойчивость ее молекул по отношению к нагреванию. Однако.

Содержание статьи1 Химические уравнения и расчеты по ним1.1 Что такое химические уравнения1.2 Для чего нужны химические уравнения1.3 Пример решения химического.

Ряд активности металлов

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

Примером может служить расширенный ряд активности металлов:

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.

Ряд Бекетова

Но 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).

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:

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.

Статья на тему Ряд активности металлов

Легкие металлы это Легкими металлами принято называть цветные металлы, имеющие небольшую плотность. К ним относят алюминий, магний, бериллий, кальций, стронций.

Читайте также: