что активнее медь или железо

Электрохимический ряд активности металлов

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

Содержание

История

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 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.

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 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:

Источник

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

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Среди металлов традиционно выделяют несколько групп.

Входящие в их состав представители характеризуются отличной от других металлов химической активностью. Такими группами являются:

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

щелочные металлы – I(A) группа ;

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:

2Mg + O 2 = t, °C = 2MgO

Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3

3. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.

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

3Ca + N 2 = t, °C = Ca 3 N 2

3Na + P = t, °C = Na 3 P

Взаимодействие со сложными веществами

I. Взаимодействие воды с металлами

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

Внимание! Алюминий и магний ведут себя также:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2

Магний (в горячей воде):

Mg + 2H 2 O = t°C = Mg(OH) 2 +H 2

2) Взаимодействие 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:

3Fe + 4H 2 O = t°C = FeO‧Fe 2 O 3 + 4H 2

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 ↑

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + 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

2H 2 SO 4 (конц.) + Cu = t°C = CuSO 4 + 2H 2 O + SO 2 ↑

HNO 3 + Me = Нитрат + H 2 O + Х

4HNO 3 (k) + Cu = Cu(NO 3 ) 2 + 4H 2 O + 2NO 2 ↑

8HNO 3 (p) + 3Cu = 3Cu(NO 3 ) 2 + 4H 2 O + 2NO↑

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

Zn + 4HNO 3 (конц. горячий) = t˚C = Zn(NO 3 ) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

IV. С растворами солей менее активных металлов

Ме + Соль = Новый металл + Новая соль

Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu

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.

Источник

Ряд активности металлов

Что же из себя представляет ряд активности металлов давайте разбираться. Металлы — группа химических элементов, обладающих сходными свойствами. Среди них — электропроводность, пластичность, температурная зависимость сопротивления. По виду металлы можно отличить по характерному блеску, который так и назвали — металлический. Но химические свойства элементов отличаются в зависимости от строения их молекул и кристаллической решетки. Особенно ярко отличия проявляются по отношению взаимодействия с кислотами и щелочами. Всего на данный момент насчитывается 96 металлов. Общие свойства металлов показаны в таблице:

Все металлы в той или иной степени являются восстановителями, то есть, отдают электроны при течении окислительно-восстановительных реакций. Таблица электроотрицательности металлов показывает, какой металл является наиболее активным восстановителем. Если цифра напротив элемента больше 2, то это окислитель с характерными свойствами и выходит из ряда металлов, проявляя типичные свойства неметалла.

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.

Восстановительная способность — свойство отдавать электроны в химических реакциях с водными растворами солей и щелочей.

Окислительная способность — свойство присоединять электроны в реакциях с теми же веществами.

Металлы в правой стороне более слабые восстановители, они вытесняются при реакциях с солевыми растворами металлами, расположенными левее. Пример реакции — Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu, которая протекает только в одном направлении. Цинк вытесняет медь, реагируя с водным раствором любой соли меди. Цинковая пластинка, при этом, растворяется, а медная восстанавливается.

Такую последовательность элементов еще называют ряд напряженности металлов, или ряд Бекетова. На всех вариантах записи ряда можно заметить, что последовательность металлов разделена знаком водорода (гидрогена), который металлом никак не является. Это своеобразный маркер, показывающий, что стоящие левее металлы вытесняют водород из водных растворов кислот, не обладающих окислительными свойствами. Некоторые металлы, например, литий, кальций, барий и остальные, стоящи до алюминия, вытесняют водород и при реакции с водой.

2Al +3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑

Стоящие правее знака водорода металлы с кислотами-неокислителями не взаимодействуют при нормальных условиях.

Шкала активности металлов широко используется для практических целей, например, в гальванике. Если электроды сделаны из разных металлов, то разрушаться будет тот, который стоит левее. Чем больше промежуток между металлами в ряду, тем активнее проходит процесс коррозии.

Например, метод оцинковки позволяет защитить железо именно потому, что цинк находится левее железа в ряду активности. Пока он не разрушится, то ржавчина на железе не появится. При электролизе, расположенные за водородом металлы осаживаются на катоде, а самые активные, занимающее места до алюминия, выделить из солевых растворов в не получится при нормальных температуре и давлении.

Малоактивные металлы, так называемые переходные элементы с электроотрицательностью в пределах 1,5 – 2. Это:

К металлам средней активности относятся элементы с числом электроотрицательности от 1 до 1,5. В эту группу входят такие известные элементы, как магний, плутоний, неодим, кальций. Остальные элементы обладают высокой химической активностью. Лидирует в этом списке Франций, который практически не встречается в чистом виде. Из более известных можно назвать калий и натрий, которые приходится хранить в керосине, чтобы они не взаимодействовали с водой и воздухом. Если извлечь их из керосина, то металлы практически мгновенно сгорают.

Реакции кальция и натрия с водой при комнатной температуре выглядят так:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑

Сa + 2H₂O = Сa(OH)₂ + H₂↑Стоящие в ряду электронапряжения металлов правее элементы тоже взаимодействуют с водой, но реакция протекает при более высокой температуре с образованием оксида и водорода.

3Fe + 4H₂O = Fe3O₄ + 4H₂↑

Если вступает в реакцию металл и неметалл, то электрический ряд напряжений металлов тоже дает возможность заранее узнать, в каком направлении будет протекать реакция. Скорость реакции зависит как от восстановительной активности металла, так и от окислительных свойств неметалла. Стоящие до водорода металлы реагируют с кислородом уже при комнатной температуре, некоторые — достаточно бурно, например, литий и кальций.

4Li + O₂ = 2Li₂O

2Ca + O₂ = 2CaO.

При таком взаимодействии образуются оксиды. Менее активные металлы, например железо, реагируют с кислородом спокойнее, а некоторые, например, золото и серебро, платина не окисляются вовсе, благодаря чему получили определение благородных.

С хлором реагируют практически все активные металлы с выделением теплоты.

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

Также выделяется теплота при реакции активных металлов с серой, но начинается она при нагревании. После начала реакции нагрев не нужен — образовавшегося тепла достаточно для поддержания реакции.

2Al + 3S = Al₂S₃

Внимательно изучив ряд металлов, несложно определить тип реакции при контакте с другими элементами в зависимости от места в последовательности. Также легко назвать основные характеристики металла, как химического элемента, и возможность его использования на практике.

Источник

Кто активнее железо или медь

Кто активнее железо или медь

Вернемся к нашим металлам и электрохимическому ряду напряжений.

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

В предыдущих опытах для фруктовых батареек мы использовали алюминий, магний, цинк, железо и медь.

Магний расположен левее алюминия, а другие перечисленные металлы — правее. Другими словами, алюминий должен быть менее активным, чем магний и более активным, чем цинк, железо, медь. Если поместить в фрукт два электрода, один из которых — алюминий, другой — цинк, железо или медь, то электроны должны потечь от алюминия (отрицательный электрод) к цинку, железу или меди (положительный электрод). Только в паре алюминий — магний алюминий должен быть положительным электродом, а магний — отрицательным (т.к. магний стоит левее в ряду активностей).

Однако результаты предыдущих экспериментов (см. ч.4 [ссылка]) заставляют усомниться в этих выводах, поскольку между электродами из меди и цинка или меди и железа разница потенциалов была больше, чем между электродами из меди и алюминия. А должно быть наоборот (повторюсь: и цинк, и железо стоят в ряду напряжений правее алюминия — поскольку ряд напряжений выстроен по возрастанию электродных потенциалов).

Возьмем железо и медь, воткнем в яблоко. Потенциал 0.5 В, направление движения электронов — от железа к меди (знак «-» на фото).

Железо — более активный металл, медь — менее активный.

Яблоко. Электроды — медь и железо

Теперь поменяем медь на алюминий (подключим алюминий к той же клемме тестера, где была медь). Напряжение упало до 0.1 В, но направление движения электронов между клеммами тестера сохранилось (знак «-» не исчез). Теперь электроны движутся от железа к алюминию, т.е. роль менее активного металла играет алюминий!

Пара цинк — железо. Напряжение чуть ниже 0.4 В, электроны переходят от более активного цинка (отрицательный электрод) к менее активному железу (положительный электрод).

Теперь заменим железо на алюминий. Напряжение — выше 0.4 В, направление движения электронов — то же (знак «-» перед показаниями тестера не исчез). Алюминий ведет себя, как менее активный металл, чем цинк (цинк — отрицательный электрод, алюминий — положительный).

Заменим железо на алюминий (получится пара цинк — алюминий)

Чтобы изменить направление движения электронов на обратное, поменяем алюминий на магний. Знак «-» перед показаниями тестера исчез — значит, электроны теперь переходят от магния к цинку. Напряжение 0.6 В, но теперь цинк — положительный электрод (менее активный металл), а магний — отрицательный электрод (более активный металл).

Цинк — алюминий. Поменяем алюминий на магний (получится пара цинк — магний)

Причины такого необычного поведения алюминия названы в предыдущей части статьи. Алюминий на воздухе покрыт прочной пленкой оксида, которая занижает его электродный потенциал.

Дополнительно подчеркну, что приведенный в начале электрохимический ряд напряжений металлов относится к водным растворам (причем в стандартных условиях). В других растворителях ряд напряжения металлов может быть совершенно иным. Например, медь в водных растворах менее активна, чем водород — в ряду напряжений она стоит правее. В результате этого медь не вытесняет водород из водных растворов кислот. Но в ацетонитриле CH₃CN все наоборот: медь стоит левее водорода, поэтому она реагирует с раствором хлороводорода в ацетонитриле с выделением водорода:

Аналогичная реакция идет и при нагревании меди с газообразным хлороводородом. И даже при нагревании серебра с газообразным хлороводородом:

Более того, и в водных растворах не все так просто: если анион кислоты связывает катион меди в прочный комплекс, такая кислота может растворять медь с выделением водорода — даже в водной среде. Например, медь вытесняет водород из водных растворов бромоводорода и иодоводорода:

При высоких температурах способность металлов к взаимному вытеснению из соединений очень сильно отличается от таковой в растворах. Например, алюминий, магний, кальций, цирконий и даже железо или углерод способны вытеснять щелочные металлы из их соединений, поскольку щелочные металлы при высокой температуре переходят в газообразную фазу и улетучиваются из зоны реакции.

10 6 Ом). При величине ЭДС элемента около 1 В в измерительной цепи течет ток порядка 1 μA (

В «овощном» или «фруктовом» элементе на аноде из алюминия (а фактически — из пленки оксида алюминия на алюминиевом субстрате) может иметь место окисление органических веществ электролита типа углеводов, аскорбиновой кислоты и др. Фактически потенциал такого «углеводного» элемента мы и измеряем.

Металлы

У всех металлов есть общие физические свойства, например блеск и электропроводность, однако в зависимости от химических свойств они делятся на несколько групп. Такие металлы, как калий и натрий, очень активны и мгновенно вступают в реакции с водой и воздухом, в то время как золото вообще не вступает в реакции. На рисунке изображена золотая маска царя Микен (см. статью «Загадочные жители Греции»)

Свойства металлов

При комнатной температуре (20 °С) все металлы, кроме ртути, пребывают в твердом состоянии и хорошо проводят тепло и электричество. На срезе металлы блестят и не­которые, как железо и никель, обладают магнитными свойствами. Многие металлы пластичны — из них можно делать проволоку — и ковки — им несложно при­дать другую форму.

Благородные металлы

Благородные металлы в земной коре встречаются в чистом виде, а не в составе соединений. К ним относятся медь, се­ребро, золото и платина. Они химически пассивны и с трудом вступают в химические реакции с другими элементами. Медь — благородный металл. Золото — один из самых инертных элементов. Из-за своей инертности благородные металлы не подвержены коррозии, поэтому из них делают украшения и монеты. Золото настолько инертно, что древние золотые изделия до сих пор ярко сияют.

Щелочные металлы

Группу 1 в периодической таблице состав­ляют 6 очень активных металлов, в т.ч. натрий и калий. Они плавятся при сравнительно низкой температуре (темпера­тура плавления калия 64 °С) и настолько мягкие, что их можно резать ножом. Вступая в реакцию с водой, эти металлы образуют щелочной раствор и поэтому называются щелочными. Калий бурно реагирует с водой. При этом выделяется водород, который сгорает сиреневым пламенем.

Щелочноземельные металлы

Шесть металлов, составляющих 2-ю группу периодической таблицы (в т.ч. магний и кальций), называются щелочноземельными. Эти металлы входят в состав множества минералов. Так, кальций имеется в кальците, прожилки которого можно обнаружить в известняке и меле. Щелочноземельные металлы менее активны, чем щелочные, они тверже и плавятся при более высокой температуре. Кальций содержится в ракушках, костях и губках. Магний входит в состав хлорофилла, зеленого пигмента, необходимого для фотосинтеза.

Металлы 3-й и 4-й групп

Семь металлов этих групп расположены в периодической таблице справа от переходных металлов. Алюминий — один из наименее плотных металлов, поэтому он легкий. А вот свинец очень плотный; из него делают экраны, защищающие от рентгеновских лу­чей. Все эти металлы довольно мягкие и плавятся при относительно низкой тем­пературе. Многие из них используются в сплавах — создаваемых с определенными целями смесях металлов. Велосипеды и самолеты делают из алюминиевых сплавов.

Переходные металлы

Переходные металлы обладают типично металлическими свойствами. Они прочные, твердые, блестящие и плавятся при высоких температурах. Они менее актив­ны, чем щелочные и щелочноземельные металлы. К ним относятся железо, золото, серебро, хром, никель, медь. Они все ковкие и широко применяются в промышленности — как в чистом виде, так и в виде сплавов. Около 77% от массы автомобиля составляют металлы, в основном сталь, т.е. сплав железа и углерода (см. статью «Железо, сталь и прочие металлы«). Ступицы колес делают из хромированной стали — для блеска и предохранения от коррозии. Корпус машины сделан из листовой стали. Стальные бамперы предохраняют автомобиль в случае столкновения.

Ряд активности

Положение металла в ряду активности показывает, насколь­ко охотно металл вступает в реакции. Чем более активен металл, тем легче он отнимает кислород у менее активных металлов. Активные металлы трудно выде­лить из соединений, тогда как малоактивные металлы встречаются в чистом виде. Калий и натрий хранят в керосине, так как они моментально вступают в реакции с водой и воздухом. Медь – наименее активный металл из числа недорогих. Она используется в производстве труб, резервуаров для горячей воды и электрических проводов.

Металлы и пламя

Некоторые металлы, если поднести их к огню, придают пламени определенный оттенок. По цвету пламени можно определить присутствие в соединении того или иного металла. Для этого крупинку вещества помешают в пламя на конце проволоки из инертной платины. Соединении натрия окрашивают пламя в желтый цвет, соединения меди — в сине-зеленый, соединении кальции — в красный, и калия — в сиреневый. В состав фейерверков входят разные металлы, сообщающие пламени разные оттенки. Барий дает зеленый цвет, стронций — красный, натрий — желтый, а медь — сине-зеленый.

Коррозия

Коррозия — это химическая реакция, происходящая при контакте металла с воздухом или водой. Металл взаимодействует с кислородом воздуха, и на его поверхности образуется оксид. Металл теряет блеск и покрывается налетом. Высокоактивные металлы подвергаются коррозии быстрее, чем менее активные. Рыцари смазывали стальные доспехи маслом или воском, чтобы они не ржавели (сталь содержит много железа). Для предохранения от ржавчины стальной корпус автомобиля покрывают несколькими слоями краски. Некоторые металлы (например, алюминий) покрываются защищающей их плотной оксидной пленкой. Железо при коррозии образует неплотную пленку оксида, кото­рая при реакции с водой дает ржавчину. Слой ржавчины легко осыпается, и процесс коррозии распространяется вглубь. Для предохранения от коррозии стальные консервные банки покрывают слоем олова — менее активного металла. Крупные сооружения, например мосты, спасает от коррозии краска. Движущиеся части машин, например велосипедные цепи, смазывают маслом, чтобы спасти от коррозии.

Способ предохранения стали от коррозии путем покрытия слоем цинка называется гальванизацией. Цинк активнее стати, поэтому он «оттягивает» от нее кислород. Даже если цинковый слой поцарапается, кислород воздуха будет быстрее взаимодействовать с цинком, чем с железом. Для зашиты судов от коррозии к их корпусам прикрепляют блоки цинка или магния, которые корродируют сами, но защищают судно. Для дополнительной защиты от коррозии стальные листы корпуса автомобилей чисто гальванизируют перед покраской. С внутренней стороны их иногда покрывают пластиком.

Как открывали металлы

Вероятно, люди узнали, как получить металлы, случайно, когда металлы выделялись из минералов при нагревании их в печах с древесным углем. Чистый металл выделяется из соединения при реакции восстановления. На таких реакциях основано действие доменных печей. Около 4000 г. до н.э. Шумеры (узнайте больше в статье «Повседневная жизнь Шумеров«) делали золотые, серебряные и медные шлемы и кинжалы. Раньше всего люди научились обрабатывать медь, зо­лото и серебро, т.е. благородные металлы, поскольку они встречаются в чистом виде. Около 3500 г. до н.э. шумеры научились делать бронзу — сплав меди и олова. Бронза прочнее благородных металлов. Железо было открыто позднее, так как для извлечения его из соединений нужны весьма высокие температуры. На рисунке справа изображены бронзовый топор (500 г. до н.э.) и шумерская бронзовая чаша.

До 1735 г. люди знали всего несколько металлов: медь, серебро, золото, железо, ртуть, олово, цинк, висмут, сурьму и свинец. Алюминий был открыт в 1825 г. В наши дни ученые синтезировали ряд новых металлов, облучая в ядерном реакторе атомы урана нейтронами и другими элементарными частицами. Эти элементы нестабильны и очень быстро распадаются.

Источник