1.3 Ряд стандартных электродных потенциалов

Значения некоторых стандартных окислительно-восстановительных потенциалов гальванических элементов, расположенных в порядке возрастания их алгебраической величины, представлены в ряду стандартных электродных потенциалов – СЭП (ряду напряжения). В этот ряд всегда помещают, кроме металлов, также водород, что позволяет видеть, какие металлы способны вытеснять водород из водных растворов кислот.

Ионы металлов являются окислителями, а металлы в виде простых веществ – восстановителями.

Как говорилось ранее, на поверхности металла устанавливается равновесие:

Me⁰ Me ⁿ⁺ ∙ + nē,

а на поверхности губчатой платины стандартного водородного электрода:

Н₂⁰ 2Н⁺ ∙ + 2ē.

Если металл проявляет более сильные восстановительные свойства, по сравнению с молекулярным водородом (равновесие на металле смещено вправо), то на поверхности металлической пластины при этом протекает процесс окисления, а на поверхности платины – процесс восстановления ионов водорода (равновесие водородного электрода смещено влево). Тогда стандартный электродный потенциал металла имеет отрицательное значение.

Если металл проявляет менее сильные восстановительные свойства (но зато его ионы проявляют более сильные окислительные свойства), по сравнению с молекулярным водородом (равновесие на металле смещено влево), то на поверхности металлической пластины при этом протекает процесс восстановления, а на поверхности платины – процесс окисления молекулярного водорода (равновесие водородного электрода смещено вправо). Тогда стандартный электродный потенциал металла имеет положительное значение.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы.

1 Чем дальше расположен металл в ряду напряжений, т. е. чем больше его стандартный потенциал, тем более сильным окислителем в водном растворе являются его ионы (и тем легче они принимают электроны), и наоборот, чем ближе металл к началу ряда, т. е. чем меньше значение Е⁰, тем более сильные восстановительные свойства проявляет простое вещество – металл (и тем легче он электроны отдает).

2 Потенциал электродного процесса:

Н₂ = 2Н⁺ + 2ē

в нейтральной среде (рН = 7) равен Е = –0,059∙7 = –0,41 В .

Активные металлы начала ряда, имеющие потенциал, значительно более отрицательный, чем –0,41 В, вытесняют водород из воды (а). Магний вытесняет водород только из горячей воды (б). Металлы, расположенные между магнием и кадмием, обычно не вытесняют водород из воды. На поверхности этих металлов образуются оксидные пленки, обладающие защитным действием. В некоторых случаях возможно протекание процесса в случае нагревания (в) или разрушения защитной оксидной пленки (г). Например:

а) 2Na + 2H₂O → 2NaOH + Н₂↑;

t

б) Mg + 2H₂O → 2Mg(OH)₂ + Н₂↑;

в) 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4Н₂↑;

г) Zn + 2H₂O + 2KOH → K₂[Zn(OH)₄] + Н₂↑.

Металлы, расположенные в ряду СЭП после водорода, с водой в отсутствии окислителей не взаимодействуют.

2 Водород из кислот неокислителей способны вытеснять только те металлы, которые имеют отрицательную величину стандартного водородного электрода и расположены в ряду СЭП до (выше) водорода. Металлы, расположенные в ряду СЭП после водорода, с растворами кислот не взаимодействуют. Например:

Мg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑ или в ионной форме Мg⁰ + 2H⁺ → Mg²⁺ + H₂⁰↑

Ag + HCl →

При этом на поверхности некоторых металлов образуются защитные пленки, тормозящие реакцию. Так, оксидная пленка на алюминии делает этот металл стойким не только в воде, но и в растворах некоторых кислот. Явление глубокого торможения окисления металла, обусловленное наличием на его поверхности защитных оксидных или солевых пленок, называется пассивностью, а состояние металла при этом – пассивным состоянием.

3 Металлы способны вытеснять друг друга из растворов солей. Рассматривая конкретные случаи таких реакций, следует помнить, что активные металлы вытесняют водород не только из воды, но и из любого водного раствора. Поэтому взаимное вытеснение металлов из растворов их солей практически происходит лишь в случае металлов, расположенных в ряду после магния. То есть, металл с более отрицательным значением стандартного электродного потенциала является восстановителем по отношению к электроду с более положительным значением E⁰.

Таким образом, металлы средней химической активности, стоящие в ряду СЭП выше, вытесняют нижестоящие из их солей. Например:

Мg + Ni(NO₃)₂ → Mg(NO₃)₂ + Ni

или в ионной форме: Мg⁰ + Ni²⁺ → Mg²⁺ + Ni⁰.