Ряд напряжений металлов

По величине стандартного электродного потенциала металлы принято располагать в ряд напряжений металлов:

Li⁺/Li, Rb⁺/Rb, K⁺/K, Cs⁺/Cs, Ba²⁺/Ba, Sr²⁺/Sr, Ca²⁺/Ca, Na⁺/Na, Mg²⁺/Mg, Al³⁺/Al, Mn²⁺/Mn, Zn²⁺/Zn, Cr³⁺/Cr, Fe²⁺/Fe, Cd²⁺/Cd, Co²⁺/Co, Ni²⁺/Ni, Sn²⁺/Sn, Pb²⁺/Pb, Fe³⁺/Fe, 2H⁺/H₂, Sb³⁺/Sb, Bi³⁺/Bi, Cu²⁺/Cu, Hg²⁺/Hg, Ag⁺/Ag, Pt²⁺/Pt, Au⁺/Au

1. Ряд напряжений характеризует окислительно-восстановительную способность системы «металл – ион металла». Чем меньшее значение имеет стандартный электродный потенциал металла, тем более сильным восстановителем он является. Чем больше потенциал металлического электрода, тем более высокой окислительной способностью обладают его ионы.

2. Электродный потенциал восстановления ионов водорода из воды по реакции

2H₂O + 2ē = H₂ + 2OH‾ равен φ = -0,41В. Активные металлы начала ряда, имеющие потенциалы значительно отрицательнее, чем -0,41В, вытесняют водород из воды. Магний вытесняет водород только из горячей воды. Металлы, расположенные между Mg и Cd, обычно не вытесняют H₂ из воды, так как их поверхность покрыта защитными оксидными пленками.

3. Каждый металл способен вытеснять из растворов солей металлы, которые стоят в ряду напряжений правее его.

4. Металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот (HCl, разб. H₂SO₄).

5. Все металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, распространены в природе исключительно в виде соединений, а за водородом – и в самородном виде.

Гальванические элементы

Если два электрода, например Zn и Cu погрузить в растворы их солей (соответственно ZnSO₄ и CuSO₄) и соединить металлическим проводником, образуется гальванический элемент. Гальваническими элементами называют устройства, в которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов преобразуется в электрическую энергию.

При работе гальванического элемента цинк, как более активный металл, окисляется, его ионы переходят в раствор, а высвобождающиеся электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. На медном электроде протекает реакция восстановления ионов меди из раствора.

Zn → Zn²⁺ + 2ē

Cu²⁺ + 2ē = Cu

Суммируя оба процесса, получаем уравнение, выражающее происходящую в гальваническом элементе реакцию в ионной форме:

Zn + Cu²⁺ → Cu + Zn²⁺.

Молекулярное уравнение этой реакции будет иметь вид:

Zn + CuSO₄ → Cu + Zn SO₄.

Суммарная окислительно-восстановительная реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей.

В гальваническом элементе процессы окисления и восстановления протекают раздельно, на разных электродах. Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. В гальваническом элементе анод имеет знак минус. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом. В гальваническом элементе катод имеет знак плюс. В паре металлов всегда более активный металл является анодом, менее активный – катодом.

Гальванический элемент обозначают схемой. Слева записывается анод Zn|Zn²⁺, на котором возникает избыток электронов и происходит процесс окисления. Справа – катод Cu²⁺|Cu – электрод с недостатком электронов. Одна вертикальная черта изображает фазовый раздел между металлом и раствором электролита. Двойная вертикальная линия отделяет анодное пространство от катодного. Электроны по внешнему участку цепи, металлическому проводнику, переходят от отрицательного полюса к положительному. Внешнюю цепь на схеме не изображают. В круглых скобках знаками «плюс» и «минус» обозначают полюсы электродов. В рассмотренном примере эта схема будет иметь следующий вид:

(–)Zn|Zn²⁺|| Cu²⁺|Cu (+) или (–)Zn|ZnSO₄|| CuSO₄|Cu(+) .

Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС). Обозначается E, измеряется в вольтах. ЭДС элемента равна разности потенциалов катода и анода: E = j_к – j_а.

Стандартная ЭДС равна разности стандартных электродных потенциалов катода и анода: E⁰ = j⁰_к – j⁰_а. Так, для элемента Даниэля – Якоби стандартная ЭДС равна: E^o = j^o_Сu²⁺/_Cu – j⁰_Zn²⁺/_Zn = +0,337 – (–0,763) = +1,100 В.

Окислительно-восстановительная реакция, характеризующая работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС имеет положительное значение. В этом случае ΔG⁰_х.р. < 0, т.к. энергия Гиббса химической реакции и ЭДС связаны соотношением

ΔG⁰ = ─ nE⁰F

где - число электронов, участвующих в электродной реакции; F - постоянная Фарадея, равная 96500 Кл; Е⁰ – стандартная ЭДС.