Опыты над металлами

Стандартные электродные потенциалы большинства электродов лежат в четко очерченных пределах. Металлы ведут себя как восстановители, а ионы этих металлов – как окислители. Сейчас мы уже можем предвидеть направление окислительно-восстановительного процесса, в котором участвуют металлы или их ионы. Металл из электрода, который отличается меньшим потенциалом, будет являться восстановителем по отношению к ионам всех металлов, расположенных после него в таблице потенциалов. Например, литий – восстановитель и будет выделять металлы из растворов, содержащих ионы цинка, железа, меди и т. д., а ион серебра – сильный окислитель, и в растворах нитрата серебра будет происходить окисление металлов в ионы и восстановление ионов серебра до металла. Ионы цинка являются окислителями по отношению к щелочным металлам, но цинк – восстановитель по отношению к катионам меди. Если погрузить гранулу цинка в раствор сульфата меди, поверхность цинка быстро покроется медью. Произойдет окислительно-восстановительный процесс:

Цинк отдает два электрона ионам меди. Это единственно возможный путь. Обратный переход невозможен – сравните электродные потенциалы.

Здесь вы можете мне возразить: во-первых, скажете вы, еще в начале книги мы вели разговор о мере легкости, с которой атомы металлов отдают свои электроны, и вывели ее количественную характеристику – энергию ионизации; по ней можно судить об окислительно-восстановительных свойствах химических элементов. Мы говорили также о том, что энергия, необходимая для отрыва электрона с поверхности металла, называется работой выхода электрона. Сейчас мы ввели еще одно понятие – электродный потенциал. Тут вы спросите, конечно, когда каким из этих понятий следует пользоваться. Оказывается, это зависит от того, в какой среде происходит окислительно-восстановительный процесс. Если в водных растворах – руководствуемся таблицей электродных потенциалов. Обратите внимание: последовательность элементов в ней может чуть-чуть отличаться от той, какую имеем при расположении элементов по значениям энергии ионизации. Это легко объяснить.

При определении потенциального скачка на границе металл – раствор играет не только электронная структура металла, но и склонность его ионов к гидратации, т. е. к взаимодействию с молекулами воды. Это означает, что ряд электродных потенциалов относится только к водным растворам. Для неводных растворителей надо учитывать склонность ионов металлов к сольватации, определять такие же ряды потенциалов для других растворов (например, для ацетоновых, бензольных и т. д.).

Второе ваше возражение, думаю, будет состоять в том, что подобное упорядочивание уже известно вам под названием ряд относительной активности металлов. Правильно. Это тот же ряд. Только в нем отсутствует значение электродного потенциала, на основе которого построен окислительно-восстановительный ряд. В остальном свойства ряда относительной активности те же самые: каждый металл этого ряда в состоянии вытеснить стоящие за ним металлы из их соединения. А что же это такое, как не признание, что данный металл является восстановителем по отношению к ионам следующих за ним элементов? Только никогда нельзя забывать, что утверждение это справедливо, когда концентрация ионов металлов в растворе равна единице. А этим ограничением пренебрегать не следует. Каждый, кто изучал ряд относительной активности, знает, что металлы, стоящие в этом ряду до водорода, должны вытеснять его из водородсодержащих соединений, И действительно, металлы, чьи электроды обладают более отрицательным стандартным потенциалом, чем потенциал водорода, вступают в реакцию и с азотной и с серной, и с соляной и даже уксусной кислотой.

– А могут они вступать в реакцию с водой? Ведь и вода содержит водород, значит и она отдает ионы водорода? Почему все эти металлы не вступают с ней в реакцию?

– Дело в том, что концентрация ионов водорода в чистой воде очень мала. Это означает, что потенциал водородного электрода (это уже не будет стандартный водородный электрод), погруженного в воду, будет более отрицательным, чем стандартный водородный потенциал.


Полезное чтиво:
Как определить потенциал
Как энергия выделяемая при химических реакциях, может превратиться в электрическую!
Опыты с растворами
Условия окисления углерода
Способ концентрации ионов
Сухой гальванический элемент