Лабораторна робота

Взаємодія металів з кислотами.

Короткі теоретичні відомості

Гальванічний елемент. Електродні потенціали

Характерною властивістю металів є їх здатність лише віддавати електрони, тобто вільні метали можуть виступати тільки в ролі відновників.

Здатність металів до утворення вільних позитивно заряджених йонів яскраво виявляється в реакціях витіснення металів з їхніх солей іншими, активнішими металами або під час взаємодії з кислотами-неокисниками. Наприклад, під час взаємодії цинку з хлоридною або розбавленою сульфатною кислотою відбувається окисно-відновна реакція витіснення Гідрогену Цинком.

Здатність різних металів віддавати електрони оцінюють за реакціями витіснення цих металів з їхніх солей іншими металами. Так, якщо цинкову пластинку занурити в розчин купрум (ІІ) сульфату, то відбудеться окисно-відновна реакція

Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+.

Ця реакція відбувається, наприклад, у гальванічному елементі, в якому цинкова пластинка (один електрод) занурена у розчин цинк сульфату, а мідна (другий електрод) – у розчин купрум (ІІ) сульфату. Сполучивши цинковий та мідний електроди з гальванометром і з’єднавши розчини
U-подібною трубкою, заповненою розчином електроліту, дістають гальванічний елемент. Після встановлення у гальванічному колі контакту стрілка гальванометра відхиляється у напрямку до мідного електрода. Це свідчить про те, що під час роботи гальванічного елемента електрони рухаються від цинкового електрода до мідного. Гальванічний елемент - це прилад, що служить для перетворення хімічної енергії окисно-відновної реакції на електричну. У гальванічному елементі електрони переходять від відновника до окисника не безпосередньо, а по провіднику електричного струму – по зовнішньому колу. Цей напрямлений потік електронів і є електричним струмом.

На цинковому електроді елемента відбувається розчинення цинку з перетворенням його атомів на йони, тобто процес окиснення:

Zn - 2e = Zn2+,

а вивільнені електрони по провіднику переходять на мідний електрод, де відбувається розряджання катіонів Купруму (процес відновлення), що супроводжується виділенням металічної міді:

Cu2+ + 2е = Cu.

Сумарне рівняння реакції, внаслідок якої у колі виникає електричний струм, матиме вигляд

Zn+Cu2+ = Zn2+ + Cu.

Електрод, на якому відбувається процес окиснення, називається анодом, а електрод, на якому відбувається процес відновлення,– катодом.

Електрорушійною силою E гальванічного елемента називається максимальне значення напруги гальванічного елемента, що відповідає перебігу реакції в прямому і зворотному напрямках.

Електрорушійна сила гальванічного елемента дорівнює різниці потенціалів між його електродами.

Для обчислення E від величини потенціалу катода слід відняти величину потенціалу анода. В гальванічному елементі, як уже зазначалось, катодом є позитивно заряджений електрод, анодом – негативно заряджений (під час електролізу – навпаки).

Якщо стандартна е. р. с. гальванічного елемента E° має додатну величину (ДG° < 0), то це означає, що дана реакція йде в прямому напрямку, а якщо від’ємну – у зворотному.

Виміряти абсолютні значення електродного потенціалу ц неможливо, оскільки в будь-якому гальванічному елементі одночасно відбуваються дві електродні реакції, і його напруга дорівнює різниці електродних потенціалів. Тому на практиці користуються відносними електродними потенціалами. Електродом порівняння є стандартний водневий електрод, потенціал якого умовно прийняли таким, що дорівнює нулю.

На практиці як електроди порівняння найчастіше застосовують хлорсрібний і каломельний.

Окисно-відновним електродним потенціалом, або редокс-потенціалом, системи називають різницю потенціалів між електродом, зануреним у дану хімічну систему, і стандартним водневим електродом.

Отже, редокс-потенціал системи можна оцінити за електрорушійною силою гальванічного елемента, один з електродів якого занурений у суміш окисненої (Ox) та відновленої (Red) форм досліджуваного елемента, що містяться в розчині, а другим є стандартний водневий електрод.

Стандартний електродний потенціал – це значення потенціалу за стандартних умов і активностей окисненої та відновленої форм елемента, що бере участь у реакції, які дорівнюють одиниці.

Якщо активності речовин у розчині, що досліджується, не дорівнюють одиниці, то е. р. с. гальванічного елемента, який складається з водневого і досліджуваного електродів, наприклад електрода Fe3+/ Fe2+, обчислюють за рівнянням Нернста:

де ц° – стандартний електродний потенціал; R – універсальна газова стала; T – абсолютна температура; n – число електронів, що беруть участь у процесі; F – число Фарадея; а0х і аRed – активності відповідно окисненої і відновленої форм елементів, що беруть участь у процесі.

Ряд електрохімічних потенціалів металів

Явище витіснення одних металів іншими металами з їхніх солей вперше було вивчене видатним російським вченим M. M. Бекетовим у 1865 р. Розмістивши всі метали в порядку ослаблення хімічної активності, він встановив так званий «витискувальний ряд», який тепер називається рядом електрохімічних потенціалів. Положення кожного металу в ряду електрохімічних потенціалів точно визначається за величиною стандартного електродного потенціалу процесів, що описуються загальним рівнянням

Men+ + nе = Me0.

Усі електродні процеси, які відповідають цьому загальному рівнянню, утворюють ряд електрохімічних потенціалів металів.

Положення того чи іншого металу в ряду електрохімічних потенціалів є характеристикою його здатності до окисно-відновних реакцій за стандартних умов. Йони металів є окисниками, атоми металів – відновниками. Чим далі від початку розмішується метал у ряду електрохімічних потенціалів, тим сильнішим окисником у водному розчині є його йони. Чим ближче знаходиться метал до початку ряду, тим сильніші відновні властивості виявляють його атоми.

Зіставивши значення стандартних потенціалів двох металів, можна визначити, який з них буде витісняти інший метал з розчинів його солей. За стандартними потенціалами двох металів легко визначити е. р. с. утвореного ними гальванічного елемента.

Електроліз

Окисно-відновні процеси, які відбуваються на електродах внаслідок пропускання постійного електричного струму від зовнішнього джерела, називають електролізом.

Процес відновлення катіонів, який відбувається на катоді, що має негативний потенціал, називають катодним процесом, а процес окиснення аніонів, який відбувається на аноді, що має позитивний потенціал,– анодним. Перебіг цих процесів