Электрохимический ряд напряжений металлов как пользоваться

Обновлено: 15.05.2024

Электрохимический ряд напряжений металлов (ЭРН)

Какую информацию можно получить из ряда напряжений?

Ряд напряжений металлов широко используется в неорганической химии. В частности, результаты многих реакций и даже возможность их осуществления зависят от положения некоторого металла в ЭРН. Обсудим этот вопрос подробнее.

Взаимодействие металлов с кислотами

Металлы, находящиеся в ряду напряжений левее водорода, реагируют с кислотами - неокислителями. Металлы, расположенные в ЭРН правее Н, взаимодействуют только с кислотами - окислителями (в частности, с HNO 3 и концентрированной H 2 SO 4 ).

Пример 1 . Цинк расположен в ЭРН левее водорода, следовательно, способен реагировать практически со всеми кислотами:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2

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

Пример 2 . Медь находится в ЭРН правее Н; данный металл не реагирует с "обычными" кислотами (HCl, H 3 PO 4 , HBr, органические кислоты), однако вступает во взаимодействие с кислотами-окислителями (азотная, концентрированная серная):

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

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

Обращаю внимание на важный момент: при взаимодействии металлов с кислотами-окислителями выделяется не водород, а некоторые другие соединения. Подробнее об этом можно почитать здесь!

Взаимодействие металлов с водой

Металлы, расположенные в ряду напряжений левее Mg, легко реагируют с водой уже при комнатной температуре с выделением водорода и образованием раствора щелочи.

Пример 3 . Натрий, калий, кальций легко растворяются в воде с образованием раствора щелочи:

2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2

2K + 2H 2 O = 2KOH + H 2

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

Металлы, расположенные в ряду напряжений от водорода до магния (включительно), в ряде случаев взаимодействуют с водой, но реакции требуют специфических условий. Например, алюминий и магний начинают взаимодействие с Н 2 О только после удаления оксидной пленки с поверхности металла. Железо не реагирует с водой при комнатной температуре, но взаимодействует с парами воды. Кобальт, никель, олово, свинец практически не взаимодействуют с H 2 O не только при комнатной температуре, но и при нагревании.

Металлы, расположенные в правой части ЭРН (серебро, золото, платина) не реагируют с водой ни при каких условиях.

Взаимодействие металлов с водными растворами солей

Речь пойдет о реакциях следующего типа:

металл (*) + соль металла (**) = металл (**) + соль металла (*)

Для осуществления подобной реакции необходимо одновременное выполнение трех условий:

соли, участвующие в процессе, должны растворяться в воде (это легко проверить, пользуясь таблицей растворимости);
металл (*) должен находиться в ряду напряжений левее металла (**);
металл (*) не должен реагировать с водой (что тоже легко проверяется по ЭРН).

Пример 4 . Рассмотрим несколько реакций:

Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu

Первая реакция легко осуществима, все перечисленные выше условия выполнены: сульфат меди растворим в воде, цинк находится в ЭРН левее меди, Zn не реагирует с водой.

Вторая реакция невозможна, т. к. не выполнено первое условие (сульфид меди (II) практически не растворяется в воде). Третья реакция неосуществима, поскольку свинец - менее активный металл, нежели железо (находится правее в ЭРН). Наконец, четвертый процесс НЕ приведет к осаждению никеля, поскольку калий реагирует с водой; образовавшийся гидроксид калия может вступить в реакцию с раствором соли, но это уже совершенно другой процесс.

Процесс термического распада нитратов

Напомню, что нитраты - это соли азотной кислоты. Все нитраты разлагаются при нагревании, но вот состав продуктов разложения может быть разным. Состав определяется положением металла в ряду напряжений.

Нитраты металлов, расположенных в ЭРН левее магния, при нагревании образуют соответствующий нитрит и кислород:

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2

В ходе термического разложения нитратов металлов, расположенных в ряду напряжений от Mg до Cu включительно, образуются оксид металла, NO 2 и кислород:

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

Наконец, при разложении нитратов наименее активных металлов (расположенных в ЭРН правее меди) образуются металл, диоксид азота и кислород:

Электрохимический ряд напряжений металлов (ряд Бекетова)

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 напряжений (пример)

Что такое электрохимический ряд напряжений металлов

Электрохимический ряд напряжений это последовательность, где металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов, отвечающих полу-реакции восстановления катиона металла.

На основании взаимодействия металлов (например, магния, цинка, железа, олова, свинца, меди, серебра) с растворами соответствующих солей, а также с кислотой (например, хлороводородной) располагают металлы в ряд: Mg, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu, Ag.

Каждый последующий металл вытесняется из раствора его соли предыдущим металлом. В этом ряду помещают и водород между свинцом и медью. В свете электронной теории де лается вывод, что тенденция отдавать электроны и переходить в водный раствор в виде положительно заряженных ионов у металлов как простых веществ ослабевает при переходе в указанном ряду слева направо.

Почему назвали электрохимическим рядом напряжений

Этот ряд называют также электрохимическим рядом напряжений металлов, желая этим подчеркнуть, что он установлен в растворах электролитов и принципиально отличается от рядов, устанавливаемых термохимическим путем, например по вытеснению одних металлов другими из их оксидов (хлоридов, фторидов и т. д.).

Название «электрохимический ряд напряжений металлов» неточное! Речь должна идти об определении стандартных электродных потенциалов металлов, т. е. потенциалов, возникающих на границе между металлом и раствором с одномолярной концентрацией ионов этого металла. Потенциалы эти определяют по нормальному водородному электроду, условно принятому за ноль. В качестве потенциала сравнения берут потенциал одного из металлов, погруженного в раствор его соли (например, медь или серебро).

Рис. 2 . Установка для определения электрохимического ряда напряжений металлов:

1—вертикальная рама, 2 — ванночка для электролита, 3 — стеклянные трубки, 4 — пружинящие хомутики, 5 — пористые диафрагмы, 6 — полихлорвиниловые трубки, 7 — штекерные гнезда, 8 — проводники, 9 — зажимы, 10 — символы металлов, 11 — пластины металлов, 12 — резиновые кружки-держатели пластин, 13 — проводники для подключения прибора к гальванометру.

Как определяют ряд напряжений

В настоящее время установка для определения электрохимического ряда напряжений металлов осваивается промышленностью. До появления промышленного образца ограничимся некоторыми рекомендациями по его самодельному изготовлению (рис. 2). Для прибора нужна вертикальная рама 1 из металла, пластмассы, фанеры или другого материала размером 350X300X Х15 мм, на которой крепят ванночку для электролита 2 (310Х X30X60 мм) и стеклянные трубки (l=150 мм и 25 мм, 3— 6 шт.).

Ванночку изготавливают из оргстекла, а стеклянные трубки— из демонстрационных пробирок или подбирают готовые трубки соответствующих длину и диаметра. Ванночку и стеклянные трубки закрепляют на раме с помощью пружинящих хомутиков 4, расположенных на поперечной планке рамы. Нижние отверстия стеклянных трубок герметично закрывают пористыми диафрагмами 5, которые представляют собой плоские диски из необожженной керамики, имеющие диаметр, соответствующий диаметру стеклянной трубки.

Для закрепления диафрагмы на стеклянной трубке изготовляют специальное приспособление: диафрагму зажимают между двумя уплотнительными резиновыми шайбами и стягивают накидной гайкой из оргстекла. Устройство для закрепления диафрагмы герметично соединяют со стеклянной трубкой при помощи отрезка хлорвиниловой или резиновой трубки 6 (длина отрезка 40 мм).

Для изготовления диафрагмы можно воспользоваться рекомендациями, данными в статье Л. В. Буглая [4]. На верхней панели рамы размещены штекерные гнезда 7 (0 4 мм) с проводниками 8, заканчивающимися зажимами 9. На передней стенке рамы нанесены химические знаки металлов 10 в той же последо вательности, в какой они размещаются в электрохимическом ряду напряжений металлов: цинк, железо, никель, олово, медь, серебро. В комплект с прибором должны входить пластинки перечисленных выше металлов 11 (размер пластинок 100X8X15 мм). В связи с тем, что серебро — дефицитный и дорогостоящий металл, можно использовать посеребренную пластинку или ограничиться пятью металлами (серебро исключить).

Чтобы пластинки металлов не проваливались в трубки, их следует вставить в резиновые кружочки 12, диаметр которых чуть больше диаметра трубок. Для соединения пар металлических пластинок с гальванометром используют два проводника 13, один конец которых имеет штекер (диаметр его соответствует диаметру штекерного гнезда рамы), а второй конец — лепесток для подсоединения к клеммам гальванометра.

Предлагаемый в данном пособии прибор имеет преимущества перед вышеупомянутым; он более надежен и удобен в работе и дает более точные результаты. В приборе, показанном в школьном учебнике, происходит подсыхание полосок фильтровальной бумаги, нередко неравномерное, что отрицательно сказывается на результатах опыта. Прибор позволяет демонстрировать опыты в нескольких параллельных классах без перезарядки.

Для иллюстрации электрохимического ряда напряжений металлов с помощью данного прибора стеклянные трубки 3 заполняют растворами солей соответствующих металлов одинаковой молярной концентрации и погружают в них металлические пластинки. Ванночку 2 заполняют раствором соли любого электролита, например хлорида калия. С помощью проводников со штекерами 13 соединяют попарно металлические пластинки 11 с гальванометром. Отклонение стрелки гальванометра будет тем большим, чем дальше отстоят друг от друга металлы.

Аналогичные опыты могут быть спроецированы на экран с помощью графопроектора, а также используют чашки Петри для раствора солей и соответствующие металлы в виде стерженьков.

Статья на тему Электрохимический ряд напряжений

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

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

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

Урок №48. Химические свойства металлов. Ряд активности (электрохимический ряд) металлов

Химические свойства металлов определяются их активностью. Простые вещества – металлы в химических реакциях всегда являются восстановителями . Положение металла в ряду активности характеризует то, насколько активно данный металл способен вступать в химические реакции (т. е. то, насколько сильно у него проявляются восстановительные свойства).

Среди металлов традиционно выделяют несколько групп.

благородные металлы (серебро, золото, платина, иридий);

щелочные металлы – I(A) группа ;

щелочноземельные металлы – II(A) группа , кроме Be, Mg.

Металлы встпают в реакции с простыми веществами – неметаллами (кислород, галогены, сера, азот, фосфор и др.) и сложными веществами (вода, кислоты, растворы солей)

Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами

1. Металлы взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды:

4Li + O ₂ = обыч. усл . = 2Li ₂ O

2Mg + O ₂ = t, °C = 2MgO

Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют

2. Металлы взаимодействуют с галогенами (фтором, хлором, бромом и йодом), образуя галогениды – Ме +n Г -1 _n

2Na + Cl ₂ = 2NaCl

3. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.

4. Активные металлы при нагревании реагируют с азотом, фосфором и некоторыми другими неметаллами.

3Na + P = t, °C = Na ₃ P

Взаимодействие со сложными веществами

I. Взаимодействие воды с металлами

1). Взаимодействие с самыми активными металлами, находящимися в периодической системе в I(А) и II(А) группах (щелочные и щелочноземельные металлы) и алюминий . В результате образуются основание и газ водород .

Me + H ₂ O = Me(OH) _n + H ₂ (р. замещения)

Внимание! Алюминий и магний ведут себя также:

Магний (в горячей воде):

2) Взаимодействие воды с менее активными металлами, которые расположены в ряду активности от алюминия до водорода.

Металлы средней активности, стоящие в ряду активности до (Н ₂ ) – Be, Fe, Pb, Cr, Ni, Mn, Zn – реагируют с образованием оксида металла и водорода

Me + Н ₂ О = Ме _х О _у + Н ₂ (р. замещения)

Бериллий с водой образует амфотерный оксид:

Be + H ₂ O = t°C = BeO + H ₂

Раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe ₃ O ₄ и водород:

3) Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не реагируют с водой.

Cu + H ₂ O ≠ нет реакции

II. Взаимодействие растворов кислот с металлами

Металлы, стоящие в ряду активности металлов левее водорода, взаимодействуют с растворами кислот ( раствор азотной кислоты – исключение ), образуя соль и водород.

Кислота _{(раствор)} + Me _{до (Н2)} = Соль + H ₂ ↑

III. Взаимодействие кислот-окислителей с металлами

Металлы особо реагируют с серной концентрированной и азотной кислотами:

H ₂ SO ₄ (конц.) + Me = Сульфат + H ₂ O + Х

HNO ₃ + Me = Нитрат + H ₂ O + Х

4Zn + 10HNO _{3 (раствор горячий)} = t˚C = 4Zn(NO ₃ ) ₂ + N ₂ O + 5H ₂ O

4Zn + 10HNO _{3 (оч. разб. горячий)} = t˚C = 4Zn(NO ₃ ) ₂ + NH ₄ NO ₃ + 3H ₂ O

IV. С растворами солей менее активных металлов

Ме + Соль = Новый металл + Новая соль

Активность металла в реакциях с кислотами, водными растворами солей и др. можно определить, используя электрохимический ряд, предложенный в 1865 г русским учёным Н. Н. Бекетовым: от калия к золоту восстановительная способность (способность отдавать электроны) уменьшается, все металлы, стоящие в ряду левее водорода, могут вытеснять его из растворов кислот; медь, серебро, ртуть, платина, золото, расположенные правее, не вытесняют водород.

Читайте также: