Aktivni metali. Aktivni metali Serija aktivnosti metala stola kompletna

Koje informacije se mogu dobiti iz niza napona?

Široko se koristi niz metalnih napona neorganska hemija. Konkretno, rezultati mnogih reakcija, pa čak i mogućnost njihove implementacije zavise od položaja određenog metala u NER-u. Razgovarajmo o ovom pitanju detaljnije.

Interakcija metala sa kiselinama

Metali koji se nalaze u naponskom nizu lijevo od vodonika reagiraju sa kiselinama - neoksidirajućim agensima. Metali koji se nalaze u NER-u desno od H djeluju samo s oksidirajućim kiselinama (posebno s HNO 3 i koncentriranim H 2 SO 4).

Primjer 1. Cink se nalazi u NER-u lijevo od vodika, stoga je u stanju reagirati sa gotovo svim kiselinama:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2

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

Primjer 2. Bakar se nalazi u ERN-u desno od H; ovaj metal ne reaguje sa "običnim" kiselinama (HCl, H 3 PO 4, HBr, organske kiseline), ali je u interakciji sa oksidirajućim kiselinama (dušičnom, koncentriranom sumpornom):

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

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

Skrenuo bih vašu pažnju na jednu važnu stvar: kada metali stupaju u interakciju s oksidirajućim kiselinama, ne oslobađa se vodonik, već neka druga jedinjenja. Možete pročitati više o tome!

Interakcija metala sa vodom

Metali koji se nalaze u naponskom nizu lijevo od Mg lako reagiraju s vodom već na sobnoj temperaturi sa oslobađanjem vodonika i stvaranjem alkalne otopine.

Primjer 3. Natrijum, kalij, kalcij se lako otapaju u vodi i formiraju alkalnu otopinu:

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

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

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

Metali koji se nalaze u rasponu napona od vodonika do magnezijuma (uključivo) u nekim slučajevima stupaju u interakciju s vodom, ali reakcije zahtijevaju specifične uvjete. Na primjer, aluminijum i magnezijum počinju da stupaju u interakciju sa H 2 O tek nakon uklanjanja oksidnog filma sa metalne površine. Gvožđe ne reaguje sa vodom na sobnoj temperaturi, ali reaguje sa vodenom parom. Kobalt, nikal, kalaj i olovo praktički ne stupaju u interakciju sa H 2 O, ne samo na sobnoj temperaturi, već i kada se zagriju.

Metali koji se nalaze na desnoj strani ERN-a (srebro, zlato, platina) ne reaguju sa vodom ni pod kojim uslovima.

Interakcija metala sa vodenim rastvorima soli

Govorit ćemo o reakcijama sljedećeg tipa:

metal (*) + metalna so (**) = metal (**) + metalna so (*)

Želio bih da naglasim da zvjezdice u ovom slučaju ne označavaju oksidacijsko stanje ili valentnost metala, već jednostavno omogućavaju da se napravi razlika između metala br. 1 i metala br. 2.

Da bi se izvela takva reakcija, moraju biti ispunjena tri uslova istovremeno:

1. soli uključene u proces moraju se otopiti u vodi (ovo se lako može provjeriti pomoću tablice rastvorljivosti);
2. metal (*) mora biti u seriji napona lijevo od metala (**);
3. metal (*) ne bi trebalo da reaguje sa vodom (što se takođe lako potvrđuje pomoću ESI).

Primjer 4. Pogledajmo nekoliko reakcija:

Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu

K + Ni(NO 3) 2 ≠

Prva reakcija je lako izvodljiva, svi gore navedeni uslovi su ispunjeni: bakar sulfat je rastvorljiv u vodi, cink je u NER-u levo od bakra, Zn ne reaguje sa vodom.

Druga reakcija je nemoguća jer prvi uslov nije ispunjen (bakar (II) sulfid je praktično nerastvorljiv u vodi). Treća reakcija nije izvodljiva, jer je olovo manje aktivan metal od željeza (nalazi se desno u ESR). Konačno, četvrti proces NEĆE rezultirati taloženjem nikla jer kalijum reaguje sa vodom; nastali kalijev hidroksid može reagirati s otopinom soli, ali ovo je potpuno drugačiji proces.

Proces termičke razgradnje nitrata

Da vas podsjetim da su nitrati soli dušične kiseline. Svi nitrati se raspadaju kada se zagrijavaju, ali sastav proizvoda raspadanja može varirati. Sastav je određen položajem metala u seriji napona.

Nitrati metala koji se nalaze u NER-u lijevo od magnezija, kada se zagriju, formiraju odgovarajući nitrit i kisik:

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2

Tokom termičke razgradnje metalnih nitrata koji se nalaze u rasponu napona od Mg do uključujući Cu nastaju metalni oksid, NO 2 i kiseonik:

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

Konačno, tokom razgradnje nitrata najmanje aktivnih metala (koji se nalaze u ERN-u desno od bakra), nastaju metal, dušikov dioksid i kisik.

Metali koji lako reaguju nazivaju se aktivnim metalima. To uključuje alkalne, zemnoalkalne metale i aluminijum.

Pozicija u periodnom sistemu

Metalna svojstva elemenata se smanjuju s lijeva na desno u periodnom sistemu. Stoga se elementi grupa I i II smatraju najaktivnijim.

Rice. 1. Aktivni metali u periodnom sistemu.

Svi metali su redukcioni agensi i lako se odvajaju od elektrona na vanjskom energetskom nivou. Aktivni metali imaju samo jedan ili dva valentna elektrona. Gde metalna svojstva intenziviraju od vrha do dna sa povećanjem broja nivoa energije, jer Što je elektron dalje od jezgra atoma, to mu je lakše da se odvoji.

Alkalni metali se smatraju najaktivnijim:

• litijum;
• natrijum;
• kalijum;
• rubidijum;
• cezijum;
• francuski

Zemnoalkalni metali uključuju:

• berilij;
• magnezijum;
• kalcijum;
• stroncij;
• barijum;
• radijum.

Stepen aktivnosti metala može se odrediti elektrohemijskim nizom napona metala. Što se element nalazi dalje lijevo od vodonika, to je aktivniji. Metali desno od vodonika su neaktivni i mogu reagirati samo s koncentriranim kiselinama.

Rice. 2. Elektrohemijska serija metalna naprezanja.

Na listi aktivnih metala u hemiji nalazi se i aluminijum, koji se nalazi u grupi III i levo od vodonika. Međutim, aluminijum je na granici aktivnih i srednje aktivnih metala i ne reaguje sa nekim supstancama u normalnim uslovima.

Svojstva

Aktivni metali su mekani (mogu se rezati nožem), lagani i imaju nisku tačku topljenja.

Basic Hemijska svojstva metali su prikazani u tabeli.

Aktivni metali lako reagiraju, pa se u prirodi nalaze samo u mješavinama - mineralima, stijenama.

Rice. 3. Minerali i čisti metali.

Šta smo naučili?

Aktivni metali uključuju elemente grupe I i II - alkalne i zemnoalkalne metale, kao i aluminijum. Njihova aktivnost određena je strukturom atoma - nekoliko elektrona se lako odvaja od vanjskog nivo energije. To su meki laki metali koji brzo reaguju sa jednostavnim i složene supstance tvoreći okside, hidrokside, soli. Aluminij je bliži vodoniku i potrebna je njegova reakcija sa supstancama dodatni uslovi- visoke temperature, uništavanje oksidnog filma.

Testirajte na temu

Evaluacija izvještaja

Prosječna ocjena: 4.4. Ukupno primljenih ocjena: 388.

Ako iz čitavog niza standardnih elektrodnih potencijala odaberemo samo one elektrodne procese koji odgovaraju općoj jednadžbi

tada dobijamo niz metalnih napona. Pored metala, ova serija će uvijek uključivati ​​vodonik, što vam omogućava da vidite koji su metali sposobni istisnuti vodonik iz vodenih otopina kiselina.

Tabela 19. Serija metalnih napona

Brojni naponi za najvažnije metale dat je u tabeli. 19. Položaj određenog metala u nizu naprezanja karakteriše njegovu sposobnost da se podvrgne redoks interakcijama u vodeni rastvori pod standardnim uslovima. Metalni joni su oksidanti, a metali u obliku jednostavne supstance- redukcioni agensi. Štaviše, što je metal dalje lociran u nizu napona, to su njegovi ioni jači oksidaciono sredstvo u vodenoj otopini, i obrnuto, što je metal bliži početku serije, to su jača redukcijska svojstva jednostavnog materija - metal.

Potencijal procesa elektrode

u neutralnom okruženju je jednako B (vidi stranu 273). Aktivni metali na početku serije, sa potencijalom znatno negativnijim od -0,41 V, istiskuju vodonik iz vode. Magnezijum istiskuje vodonik samo iz tople vode. Metali koji se nalaze između magnezijuma i kadmijuma uglavnom ne istiskuju vodonik iz vode. Na površini ovih metala formiraju se oksidni filmovi koji imaju zaštitni učinak.

Metali koji se nalaze između magnezijuma i vodonika istiskuju vodonik iz kiselih rastvora. Istovremeno se na površini nekih metala formiraju i zaštitni filmovi koji inhibiraju reakciju. Dakle, oksidni film na aluminijumu čini ovaj metal stabilnim ne samo u vodi, već iu rastvorima određenih kiselina. Olovo se ne otapa u sumpornoj kiselini pri nižoj koncentraciji, jer je so koja nastaje kada olovo reaguje sa sumpornom kiselinom nerastvorljiva i stvara zaštitni film na površini metala. Fenomen duboke inhibicije oksidacije metala, zbog prisustva zaštitnih oksidnih ili slanih filmova na njegovoj površini, naziva se pasivnost, a stanje metala u ovom slučaju naziva se pasivno stanje.

Metali su u stanju da istiskuju jedan drugog iz rastvora soli. Smjer reakcije je određen njihovim relativnim položajem u nizu napona. Kada se razmatraju specifični slučajevi takvih reakcija, treba imati na umu da aktivni metali istiskuju vodik ne samo iz vode, već i iz bilo koje vodene otopine. Stoga se međusobno istiskivanje metala iz rastvora njihovih soli praktično dešava samo u slučaju metala koji se nalaze u nizu posle magnezijuma.

Beketov je bio prvi koji je detaljno proučavao istiskivanje metala iz njihovih spojeva drugim metalima. Kao rezultat svog rada, on je rasporedio metale prema njihovoj hemijskoj aktivnosti u niz pomaka, koji je prototip serije metalnih napona.

Relativni položaj nekih metala u seriji napona i u periodnom sistemu na prvi pogled ne odgovara jedan drugom. Na primjer, prema položaju u periodnom sistemu, kemijska aktivnost kalija bi trebala biti veća od natrijuma, a natrijuma - veća od litijuma. U nizu napona, litijum je najaktivniji, a kalijum zauzima srednju poziciju između litijuma i natrijuma. Cink i bakar, prema svom položaju u periodnom sistemu, trebali bi imati približno jednaku hemijsku aktivnost, ali u nizu napona cink se nalazi mnogo ranije od bakra. Razlog za ovu vrstu nedosljednosti je sljedeći.

Kada se porede metali koji zauzimaju jednu ili drugu poziciju u periodnom sistemu, energija jonizacije slobodnih atoma uzima se kao mera njihove hemijske aktivnosti - redukcione sposobnosti. Doista, kada se krećete, na primjer, od vrha do dna duž glavne podgrupe grupe I periodni sistem energija ionizacije atoma se smanjuje, što je povezano s povećanjem njihovih radijusa (tj. s većom udaljenosti vanjskih elektrona od jezgra) i sa sve većim ekraniranjem pozitivnog naboja jezgra od strane srednjih elektronskih slojeva (vidi § 31) . Stoga, atomi kalija pokazuju veću kemijsku aktivnost - imaju jača redukcijska svojstva - od atoma natrija, a atomi natrija pokazuju veću aktivnost od atoma litija.

Kada se porede metali u nizu napona, rad pretvaranja metala u čvrstom stanju u hidratizovane jone u vodenom rastvoru uzima se kao mera hemijske aktivnosti. Ovaj rad se može predstaviti kao zbir tri pojma: energija atomizacije - transformacija kristala metala u izolirane atome, energija ionizacije slobodnih atoma metala i energija hidratacije nastalih jona. Energija atomizacije karakteriše čvrstoću kristalne rešetke datog metala. Energija jonizacije atoma - uklanjanje valentnih elektrona iz njih - direktno je određena položajem metala u periodnom sistemu. Energija koja se oslobađa tokom hidratacije zavisi od elektronska struktura jon, njegov naboj i radijus.

Litijum i kalijum joni, koji imaju isti naboj, ali različite radijuse, stvaraće nejednake električna polja. Polje stvoreno u blizini malih litijumovih jona biće jače od polja u blizini velikih jona kalijuma. Iz ovoga je jasno da će litijevi joni hidratizirati uz oslobađanje više energije nego kalijevi ioni.

Dakle, tokom transformacije koja se razmatra, energija se troši na atomizaciju i jonizaciju, a energija se oslobađa tokom hidratacije. Što je manja ukupna potrošnja energije, to će cijeli proces biti lakši i bliže početku serije napona će se dati metal nalaziti. Ali od tri člana opšte energetske ravnoteže, samo jedan - energija jonizacije - direktno je određen položajem metala u periodnom sistemu. Prema tome, nema razloga očekivati ​​da će relativni položaj određenih metala u seriji napona uvijek odgovarati njihovom položaju u periodnom sistemu. Dakle, za litijum se ispostavlja da je ukupna potrošnja energije manja nego za kalij, prema čemu litijum dolazi ispred kalijuma u naponskoj seriji.

Za bakar i cink, potrošnja energije za jonizaciju slobodnih atoma i dobitak energije tokom hidratacije jona su bliski. Ali metalni bakar formira jači kristalna rešetka, nego cink, što se vidi iz poređenja temperatura topljenja ovih metala: cink se topi na , a bakar samo na . Zbog toga je energija utrošena na atomizaciju ovih metala značajno drugačija, usled čega su ukupni troškovi energije za ceo proces u slučaju bakra mnogo veći nego u slučaju cinka, što objašnjava relativni položaj ovih metala. metali u seriji napona.

Prilikom prelaska iz vode u nevodene rastvarače, relativni položaji metala u nizu napona mogu se promijeniti. Razlog za to je što se energija solvatacije različitih metalnih jona različito mijenja pri prelasku iz jednog rastvarača u drugi.

Konkretno, ion bakra je prilično snažno rastvoren u nekim organskim rastvaračima; To dovodi do činjenice da se u takvim otapalima bakar nalazi u naponskom nizu prije vodonika i istiskuje ga iz kiselih otopina.

Dakle, za razliku od periodnog sistema elemenata, niz metalnih napona nije odraz opšteg uzorka, na osnovu kojeg je moguće dati sveobuhvatnu karakteristiku hemijskih svojstava metala. Niz napona karakteriše samo redoks sposobnost elektrohemijskog sistema „metal-jon metala“ pod strogo definisanim uslovima: vrednosti ​​date u njemu odnose se na vodeni rastvor, temperaturu i jediničnu koncentraciju (aktivnost) metalnih jona.

Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Pb, H 2 , Cu, Ag, Hg, Au

Što je metal dalje ulijevo u nizu standardnih potencijala elektrode, to je jači reduktor; najjači redukcijski agens je metal litij, zlato je najslabiji, i obrnuto, ion zlata (III) je najjači oksidant agent, litijum (I) je najslabiji.

Svaki metal je sposoban da iz soli u rastvoru redukuje one metale koji su u nizu napona posle njega; na primer, gvožđe može istisnuti bakar iz rastvora svojih soli. Međutim, zapamtite da će alkalni i zemnoalkalni metali direktno reagirati s vodom.

Metali koji stoje u naponskom nizu lijevo od vodonika sposobni su da ga istisnu iz otopina razrijeđenih kiselina i rastvore se u njima.

Redukciona aktivnost metala ne odgovara uvek njegovom položaju u periodnom sistemu, jer se prilikom određivanja mesta metala u nizu uzima u obzir ne samo njegova sposobnost da donira elektrone, već i energija koja se troši na uništavanje metala. kristalnu rešetku metala, kao i energiju koja se troši na hidrataciju jona.

Interakcija sa jednostavnim supstancama

WITH kiseonik Većina metala formira okside - amfoterne i bazične:

4Li + O 2 = 2Li 2 O,

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3.

Alkalni metali, sa izuzetkom litijuma, formiraju perokside:

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

WITH halogeni metali formiraju soli halogenovodoničnih kiselina, npr.

Cu + Cl 2 = CuCl 2.

WITH vodonik najaktivniji metali formiraju ionske hidride - tvari slične solima u kojima vodik ima oksidacijsko stanje -1.

2Na + H2 = 2NaH.

WITH siva metali formiraju sulfide - soli sumporovodikove kiseline:

WITH nitrogen Neki metali formiraju nitride; reakcija se gotovo uvijek događa kada se zagrije:

3Mg + N2 = Mg3N2.

WITH ugljenik nastaju karbidi:

4Al + 3C = Al 3 C 4.

WITH fosfor – fosfidi:

3Ca + 2P = Ca 3 P 2 .

Metali mogu međusobno komunicirati, formirajući se intermetalnih jedinjenja :

2Na + Sb = Na 2 Sb,

3Cu + Au = Cu 3 Au.

Metali se mogu rastvoriti jedan u drugom na visokim temperaturama bez reakcije, formiranja legure.

Legure

Legure nazivaju se sistemi koji se sastoje od dva ili više metala, kao i metala i nemetala, koji imaju karakteristična svojstva svojstvena samo metalnom stanju.

Svojstva legura su vrlo raznolika i razlikuju se od svojstava njihovih komponenti, na primjer, da bi zlato postalo tvrđe i pogodnije za izradu nakita, dodaje mu se srebro, te legura koja sadrži 40% kadmija i 60% bizmuta. ima tačku topljenja od 144 °C, odnosno mnogo nižu od tačke topljenja njegovih komponenti (Cd 321 °C, Bi 271 °C).

Moguće su sljedeće vrste legura:

Rastopljeni metali se miješaju jedni s drugima u bilo kojem omjeru, otapajući jedan u drugome na neodređeno vrijeme, na primjer, Ag-Au, Ag-Cu, Cu-Ni i drugi. Ove legure su homogenog sastava, imaju visoku hemijsku otpornost i provode električnu struju;

Ispravljeni metali se miješaju jedan s drugim u bilo kojem omjeru, ali kada se ohlade razdvajaju, a dobije se masa koja se sastoji od pojedinačnih kristala komponenti, na primjer, Pb-Sn, Bi-Cd, Ag-Pb i drugih.

Restorativna svojstva- ovo su glavna hemijska svojstva karakteristična za sve metale. Oni se manifestiraju u interakciji sa širokim spektrom oksidacijskih agenasa, uključujući oksidirajuća sredstva iz okruženje. IN opšti pogled Interakcija metala sa oksidacionim agensima može se izraziti sledećim dijagramom:

Me + Oksidant" Ja(+X),

Gdje je (+X). pozitivan stepen oksidacija Me.

Primjeri oksidacije metala.

Fe + O 2 → Fe(+3) 4Fe + 3O 2 = 2 Fe 2 O 3

Ti + I 2 → Ti(+4) Ti + 2I 2 = TiI 4

Zn + H + → Zn(+2) Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2