آماده سازی شیمی برای تب و نسخه جامع dpa. دنیای مواد مدرن - سری الکتروشیمیایی ولتاژ فلزات فعالیت الکتروشیمیایی فلزات

سری فعالیت های الکتروشیمیایی فلزات (محدوده ولتاژ, محدوده پتانسیل الکترود استاندارد) - دنباله ای که در آن فلزات به ترتیب افزایش پتانسیل الکتروشیمیایی استاندارد آنها φ 0، مطابق با نیمه واکنش کاهش کاتیون فلز Me n+ قرار می گیرند: Me n+ + nē → Me

تعدادی از ولتاژها فعالیت مقایسه ای فلزات را در واکنش های ردوکس در محلول های آبی مشخص می کنند.

داستان

توالی فلزات به ترتیب تغییرات در فعالیت شیمیایی آنها در طرح کلیقبلاً برای کیمیاگران شناخته شده بود. فرآیندهای جابجایی متقابل فلزات از محلول ها و رسوب سطحی آنها (به عنوان مثال، جابجایی نقره و مس از محلول های نمک آنها توسط آهن) به عنوان جلوه ای از تغییر شکل عناصر در نظر گرفته شد.

کیمیاگران بعدی به درک جنبه شیمیایی رسوب متقابل فلزات از محلول هایشان نزدیک شدند. بنابراین، آنجلوس سالا در اثر خود "Anatomia Vitrioli" (1613) به این نتیجه رسید که محصولات واکنش های شیمیاییاز همان "اجزای" تشکیل شده است که در مواد اولیه موجود بود. متعاقبا، رابرت بویل فرضیه ای را در مورد دلایلی که یک فلز دیگر را از محلول بر اساس مفاهیم جسمی جابجا می کند، ارائه کرد.

در عصر ظهور شیمی کلاسیک، توانایی عناصر برای جابجایی یکدیگر از ترکیبات به جنبه مهم درک واکنش پذیری تبدیل شد. J. Berzelius، بر اساس نظریه الکتروشیمیایی میل ترکیبی، طبقه بندی عناصر را ایجاد کرد، آنها را به "فلزات" (که اکنون اصطلاح "غیر فلزات" استفاده می شود) و "فلزات" تقسیم کرد و هیدروژن را بین آنها قرار داد.

توالی فلزات با توجه به توانایی آنها در جابجایی یکدیگر، که مدتها برای شیمیدانان شناخته شده بود، به ویژه توسط N. N. Beketov در دهه 1860 و سالهای بعدی به طور کامل و جامع مورد مطالعه و تکمیل قرار گرفت. او قبلاً در سال 1859 گزارشی در پاریس با موضوع "بررسی پدیده جابجایی برخی عناصر توسط برخی دیگر" تهیه کرد. در این کار، بکتوف تعدادی تعمیم در مورد رابطه بین جابجایی متقابل عناصر و وزن اتمی آنها گنجانده است و این فرآیندها را با خواص شیمیایی اصلی عناصر - چیزی که میل شیمیایی نامیده می شود". کشف بکتوف در مورد جابجایی فلزات از محلول های نمک آنها توسط هیدروژن تحت فشار و مطالعه فعالیت کاهنده آلومینیوم، منیزیم و روی در دماهای بالا (متالوترمی) به او اجازه داد تا فرضیه ای را در مورد ارتباط بین توانایی برخی از فلزات مطرح کند. عناصری برای جابجایی عناصر دیگر از ترکیبات با چگالی آنها: مواد ساده سبکتر می توانند سنگین تر را جابجا کنند (بنابراین این سریالاغلب نیز نامیده می شود سری جابجایی بکتوف، یا فقط سریال Beketov).

بدون انکار شایستگی های قابل توجه بکتوف در توسعه ایده های مدرن در مورد مجموعه فعالیت های فلزات، تصور او به عنوان تنها خالق این مجموعه که در ادبیات عامه پسند و آموزشی داخلی وجود دارد، باید اشتباه تلقی شود. داده های تجربی متعدد به دست آمده در اواخر نوزدهمقرن ها، فرضیه بکتوف را رد کرد. بنابراین، ویلیام اودلینگ موارد بسیاری از "عکاس فعالیت" را توصیف کرد. به عنوان مثال، مس قلع را از محلول اسیدی غلیظ SnCl 2 و سرب را از محلول اسیدی PbCl 2 جابجا می کند. همچنین قادر است در اسید هیدروکلریک غلیظ با آزاد شدن هیدروژن حل شود. مس، قلع و سرب در ردیف سمت راست کادمیوم قرار دارند، اما می‌توانند آن را از محلول اسیدی شده در حال جوش CdCl2 جابجا کنند.

توسعه سریع شیمی فیزیک نظری و تجربی به دلیل دیگری برای تفاوت در فعالیت شیمیایی فلزات اشاره کرد. با توسعه مفاهیم مدرن الکتروشیمی (عمدتاً در آثار والتر نرنست)، مشخص شد که این دنباله مطابق با "سری ولتاژها" است - آرایش فلزات بر اساس مقدار پتانسیل های الکترود استاندارد. بنابراین به جای ویژگی های کیفی- "تمایل" یک فلز و یون آن به واکنش های خاص - نرس یک مقدار کمی دقیق را معرفی کرد که مشخص کننده توانایی هر فلز برای تبدیل شدن به محلول به شکل یون و همچنین کاهش از یون به فلز روی فلز است. الکترود، و سری مربوطه نامیده شد محدوده پتانسیل الکترود استاندارد.

مبانی نظری

مقادیر پتانسیل های الکتروشیمیایی تابعی از بسیاری از متغیرها هستند و بنابراین وابستگی پیچیده ای به موقعیت فلزات در جدول تناوبی نشان می دهند. بنابراین، پتانسیل اکسیداسیون کاتیون ها با افزایش انرژی اتمیزاسیون فلز، با افزایش پتانسیل یونیزاسیون کل اتم های آن و با کاهش انرژی هیدراتاسیون کاتیون های آن افزایش می یابد.

در بسیار نمای کلیواضح است که فلزات واقع در ابتدای دوره ها با مقادیر کم پتانسیل های الکتروشیمیایی مشخص می شوند و مکان هایی را در سمت چپ سری ولتاژ اشغال می کنند. در این حالت، تناوب فلزات قلیایی و قلیایی خاکی پدیده شباهت مورب را منعکس می کند. فلزات نزدیک به وسط دوره ها با مقادیر بالقوه بزرگ مشخص می شوند و مکان هایی را در نیمه سمت راست ردیف اشغال می کنند. افزایش مداوم در پتانسیل الکتروشیمیایی (از 3.395- ولت برای Eu 2+ /Eu [ ] تا +1.691 V برای جفت Au + /Au) نشان دهنده کاهش فعالیت کاهشی فلزات (توانایی اهدای الکترون) و افزایش توانایی اکسیداسیون کاتیون های آنها (توانایی به دست آوردن الکترون) است. بنابراین، قوی ترین عامل احیا کننده، یوروپیوم فلزی و قوی ترین عامل اکسید کننده، کاتیون های طلا +Au است.

هیدروژن به طور سنتی در سری ولتاژ گنجانده می شود، زیرا اندازه گیری عملی پتانسیل های الکتروشیمیایی فلزات با استفاده از یک الکترود هیدروژن استاندارد انجام می شود.

استفاده عملی از طیف وسیعی از ولتاژها

تعدادی از ولتاژها در عمل برای ارزیابی مقایسه ای [نسبی] فعالیت شیمیایی فلزات در واکنش با محلول های آبی نمک ها و اسیدها و برای ارزیابی فرآیندهای کاتدی و آندی در طول الکترولیز استفاده می شود:

• فلزات سمت چپ هیدروژن عوامل احیا کننده قوی تری نسبت به فلزات سمت راست هستند: آنها دومی را از محلول های نمکی جابجا می کنند. به عنوان مثال، تعامل Zn + Cu 2 + → Zn 2 + + Cu فقط در جهت رو به جلو امکان پذیر است.
• فلزات در ردیف سمت چپ هیدروژن در تعامل با محلول های آبی اسیدهای غیر اکسید کننده، هیدروژن را جایگزین می کنند. بیشتر فلزات فعال(تا شامل آلومینیوم) - و هنگام تعامل با آب.
• فلزات در سری سمت راست هیدروژن با محلول های آبی اسیدهای غیر اکسید کننده در شرایط عادی برهمکنش ندارند.
• در طول الکترولیز، فلزات سمت راست هیدروژن در کاتد آزاد می شوند. کاهش فلزات نسبتاً فعال با آزاد شدن هیدروژن همراه است. فعال ترین فلزات (تا آلومینیوم) را نمی توان در شرایط عادی از محلول های نمک آبی جدا کرد.

جدول پتانسیل های الکتروشیمیایی فلزات

فلز	کاتیون	φ 0، V	واکنش پذیری	الکترولیز (در کاتد):
	Li+	-3,0401	با آب واکنش می دهد	هیدروژن آزاد می شود
	Cs+	-3,026
	Rb+	-2,98
	K+	-2,931
	Fr+	-2,92
	Ra 2+	-2,912
	Ba 2+	-2,905
	Sr 2+	-2,899
	Ca2+	-2,868
	اتحادیه اروپا 2+	-2,812
	Na+	-2,71
	Sm 2+	-2,68
	Md 2+	-2,40	با محلول های آبی اسیدها واکنش می دهد
	La 3+	-2,379
	Y 3+	-2,372
	Mg 2+	-2,372
	Ce 3+	-2,336
	Pr 3+	-2,353
	Nd 3+	-2,323
	Er 3+	-2,331
	هو 3+	-2,33
	Tm 3+	-2,319
	Sm 3+	-2,304
	بعد از ظهر 3+	-2,30
	Fm 2+	-2,30
	Dy 3+	-2,295
	Lu 3+	-2,28
	Tb 3+	-2,28
	Gd 3+	-2,279
	Es 2+	-2,23
	Ac 3+	-2,20
	Dy 2+	-2,2
	PM 2+	-2,2
	Cf 2+	-2,12
	Sc 3+	-2,077
	من 3+ هستم	-2,048
	سانتی متر 3+	-2,04
	Pu 3+	-2,031
	Er 2+	-2,0
	Pr 2+	-2,0
	اتحادیه اروپا 3+	-1,991
	Lr 3+	-1,96
	Cf 3+	-1,94
	Es 3+	-1,91
	Th 4+	-1,899
	Fm 3+	-1,89
	Np 3+	-1,856
	2+ باشید	-1,847
	U 3+	-1,798
	Al 3+	-1,700
	MD 3+	-1,65
	Ti 2+	-1,63		واکنش های رقابتی: هم آزاد شدن هیدروژن و هم آزاد شدن فلز خالص
	Hf 4+	-1,55
	Zr 4+	-1,53
	Pa 3+	-1,34
	Ti 3+	-1,208
	Yb 3+	-1,205
	شماره 3+	-1,20
	Ti 4+	-1,19
	Mn 2+	-1,185
	V 2+	-1,175
	Nb 3+	-1,1
	Nb 5+	-0,96
	V 3+	-0,87
	Cr 2+	-0,852
	Zn 2+	-0,763
	Cr 3+	-0,74
	Ga 3+	-0,560

محدوده تنش فلزیمجموعه ای از فلزات است که به ترتیب افزایش پتانسیل الکترود استاندارد آنها چیده شده اند (). موقعیت یک فلز در سری ولتاژ نشان‌دهنده توانایی ردوکس آن در رابطه با فلزات دیگر و کاتیون‌های آنها برای واکنش‌هایی است که در محلول‌های الکترولیت، یعنی در واکنش‌ها با نمک‌ها و بازها رخ می‌دهند. و همچنین در مورد غیر فلزات، اگر این واکنش ها به طور خاص در محلول های آبی رخ دهد، چنین فرآیندهایی شامل فرآیندهای خوردگی فلزات می شود.

در سری ولتاژها:

1) توانایی کاهش فلزات کاهش می یابد.

2) ظرفیت اکسید کننده افزایش می یابد. در نتیجه، فلزاتی که در سری ولتاژ قبل از هیدروژن قرار دارند، آن را از محلول اسیدها (و نه عوامل اکسید کننده) جابجا می کنند.

3) فلزات ایستاده در سمت چپ در سری (دارای پتانسیل کمتر) فلزات ایستاده به سمت راست (دارای پتانسیل بالاتر) را از محلول های نمک خود جابجا می کنند.

4) فلزات در محدوده ولتاژ تا Mg (دارای ) هیدروژن را از آب جابجا می کنند.

بنابراین، مقدار پتانسیل الکترود توانایی های اکسیداسیون و کاهش فلزات را نسبت به یکدیگر و در رابطه با H و کاتیون های حاوی آن در الکترولیت ها تعیین می کند.

اندازه گیری پتانسیل الکترود طیف وسیعی از پتانسیل های الکترود استاندارد، الکترود هیدروژن.

اندازه گیری مقدار مطلق پتانسیل الکترود تقریباً غیرممکن است. در این راستا پتانسیل الکترود با اندازه گیری EMF یک سلول گالوانیکی متشکل از الکترود مورد مطالعه و پتانسیل الکترود که پتانسیل آن مشخص است اندازه گیری می شود. پتانسیل الکترود استاندارد با مقدار emf یک سلول گالوانیکی متشکل از الکترود مورد مطالعه و یک الکترود هیدروژن استاندارد که پتانسیل آن به طور معمول صفر در نظر گرفته می شود تعیین می شود.

الکترود هیدروژن استاندارد- این سیستمی است که در شرایط عادی، متشکل از یک صفحه اسفنجی که به داخل منافذ آن هیدروژن پمپ می شود، در محلول یک مولال اسید سولفوریک H 2 SO 4 با C(H +) = 1 mol/kg قرار می گیرد.

استانداردسازی شرایط و بازتولید پتانسیل چنین الکترودی کار دشواری است، بنابراین از این الکترود برای اهداف هواشناسی استفاده می شود. در عمل آزمایشگاهی از الکترودهای کمکی برای اندازه گیری پتانسیل الکترود استفاده می شود.

مثال: الکترود کالومل - Hg,HgCl/Cl - ;

کلر نقره - Ag، AgCl/Cl - و غیره

پتانسیل این الکترودها به طور پایدار بازتولید می شود، یعنی ارزش خود را در طول ذخیره سازی و بهره برداری حفظ می کند.

چه اطلاعاتی را می توان از یک سری ولتاژ به دست آورد؟

طیف وسیعی از ولتاژهای فلزی به طور گسترده ای استفاده می شود شیمی معدنی. به طور خاص، نتایج بسیاری از واکنش ها و حتی امکان اجرای آنها به موقعیت یک فلز خاص در NER بستگی دارد. بیایید این موضوع را با جزئیات بیشتری مورد بحث قرار دهیم.

برهمکنش فلزات با اسیدها

فلزات واقع در سری ولتاژ سمت چپ هیدروژن با اسیدها - عوامل غیر اکسید کننده واکنش می دهند. فلزات واقع در NER در سمت راست H فقط با اسیدهای اکسید کننده (به ویژه با HNO 3 و H 2 SO 4 غلیظ) تعامل دارند.

مثال 1. روی در NER در سمت چپ هیدروژن قرار دارد، بنابراین، تقریباً با تمام اسیدها قادر به واکنش است:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2

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

مثال 2. مس در ERN در سمت راست H قرار دارد. این فلز با اسیدهای «معمولی» (HCl، H3PO4، HBr، اسیدهای آلیبا این حال، با اسیدهای اکسید کننده (نیتریک، سولفوریک غلیظ) تعامل دارد:

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

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

توجه شما را به یک نکته مهم جلب می کنم: وقتی فلزات با اسیدهای اکسید کننده برهمکنش می کنند، هیدروژن نیست که آزاد می شود، بلکه برخی ترکیبات دیگر است. می توانید در این مورد بیشتر بخوانید!

برهمکنش فلزات با آب

فلزات واقع در سری ولتاژ سمت چپ Mg به راحتی با آب از قبل واکنش نشان می دهند دمای اتاقبا آزاد شدن هیدروژن و تشکیل محلول قلیایی.

مثال 3. سدیم، پتاسیم، کلسیم به راحتی در آب حل می شوند و یک محلول قلیایی تشکیل می دهند:

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

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

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

فلزات واقع در محدوده ولتاژ از هیدروژن تا منیزیم (شامل) در برخی موارد با آب برهمکنش دارند، اما واکنش ها به شرایط خاصی نیاز دارند. به عنوان مثال، آلومینیوم و منیزیم تنها پس از برداشتن لایه اکسید از سطح فلز شروع به تعامل با H 2 O می کنند. آهن با آب در دمای اتاق واکنش نمی دهد، اما با بخار آب واکنش نشان می دهد. کبالت، نیکل، قلع و سرب عملاً با H2O تعاملی ندارند، نه تنها در دمای اتاق، بلکه همچنین هنگام گرم شدن.

فلزات واقع در سمت راست ERN (نقره، طلا، پلاتین) تحت هیچ شرایطی با آب واکنش نمی دهند.

برهمکنش فلزات با محلول های آبی نمک ها

ما در مورد واکنش هایی از نوع زیر صحبت خواهیم کرد:

فلز (*) + نمک فلز (**) = فلز (**) + نمک فلز (*)

من می خواهم تأکید کنم که ستاره ها در این مورد حالت اکسیداسیون یا ظرفیت فلز را نشان نمی دهند، بلکه به سادگی اجازه می دهند بین فلز شماره 1 و فلز شماره 2 تمایز قائل شوند.

برای انجام چنین واکنشی، سه شرط باید به طور همزمان برآورده شود:

1. نمک های درگیر در فرآیند باید در آب حل شوند (این را می توان به راحتی با استفاده از جدول حلالیت بررسی کرد).
2. فلز (*) باید در سری تنش سمت چپ فلز (**) باشد.
3. فلز (*) نباید با آب واکنش دهد (که به راحتی توسط ESI تأیید می شود).

مثال 4. بیایید به چند واکنش نگاه کنیم:

Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu

K + Ni(NO 3) 2 ≠

اولین واکنش به راحتی امکان پذیر است، تمام شرایط فوق برآورده می شود: سولفات مس در آب محلول است، روی در NER سمت چپ مس است، روی با آب واکنش نمی دهد.

واکنش دوم غیرممکن است زیرا شرط اول برآورده نمی شود (سولفید مس (II) عملاً در آب نامحلول است). واکنش سوم امکان پذیر نیست، زیرا سرب فلزی کمتر فعال نسبت به آهن است (در سمت راست در ESR قرار دارد). در نهایت، فرآیند چهارم منجر به بارش نیکل نمی شود زیرا پتاسیم با آب واکنش می دهد. هیدروکسید پتاسیم حاصل می تواند با محلول نمک واکنش دهد، اما این یک فرآیند کاملا متفاوت است.

فرآیند تجزیه حرارتی نیترات ها

بگذارید یادآوری کنم که نیترات ها نمک هستند اسید نیتریک. تمام نیترات ها با حرارت دادن تجزیه می شوند، اما ترکیب محصولات تجزیه ممکن است متفاوت باشد. ترکیب با موقعیت فلز در سری تنش تعیین می شود.

نیترات های فلزات واقع در NER در سمت چپ منیزیم، هنگامی که گرم می شوند، نیتریت و اکسیژن مربوطه را تشکیل می دهند:

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2

در طی تجزیه حرارتی نیترات های فلزی واقع در محدوده ولتاژ از منیزیم تا مس، اکسید فلز، NO 2 و اکسیژن تشکیل می شود:

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

در نهایت، در طی تجزیه نیترات های فلزات کم فعال (واقع در ERN در سمت راست مس)، فلز، دی اکسید نیتروژن و اکسیژن تشکیل می شود.

اگر از کل سری پتانسیل های الکترود استاندارد فقط آن دسته از فرآیندهای الکترودی را انتخاب کنیم که با معادله کلی مطابقت دارند

سپس یک سری تنش فلزی دریافت می کنیم. علاوه بر فلزات، این سری همیشه شامل هیدروژن می شود که به شما امکان می دهد ببینید کدام فلزات قادر به جابجایی هیدروژن از محلول های آبی اسیدها هستند.

جدول 19. سری تنش های فلزی

تعدادی تنش برای مهمترین فلزات در جدول آورده شده است. 19. موقعیت یک فلز خاص در سری تنش مشخص کننده توانایی آن برای انجام برهمکنش های ردوکس در محلول های آبی در شرایط استاندارد است. یون های فلزی عوامل اکسید کننده و فلزات به شکل مواد ساده عامل کاهنده هستند. علاوه بر این، هرچه یک فلز در سری ولتاژ بیشتر قرار گیرد، یون های عامل اکسید کننده در محلول آبی قوی تر است و بالعکس، هر چه فلز به ابتدای سری نزدیک تر باشد، خواص کاهندگی یک ماده ساده قوی تر است. ماده - فلز.

پتانسیل فرآیند الکترود

در یک محیط خنثی برابر با B است (صفحه 273 را ببینید). فلزات فعال در ابتدای سری، با داشتن پتانسیل به طور قابل توجهی منفی تر از -0.41 V، هیدروژن را از آب جابجا می کنند. منیزیم فقط هیدروژن را از آب گرم جابجا می کند. فلزات واقع بین منیزیم و کادمیوم معمولاً هیدروژن را از آب جابجا نمی کنند. روی سطح این فلزات لایه های اکسیدی تشکیل می شود که اثر محافظتی دارند.

فلزاتی که بین منیزیم و هیدروژن قرار دارند، هیدروژن را از محلول های اسیدی جابجا می کنند. در همان زمان، فیلم های محافظ نیز بر روی سطح برخی از فلزات تشکیل می شود و واکنش را مهار می کند. بنابراین، لایه اکسید روی آلومینیوم باعث می شود این فلز نه تنها در آب، بلکه در محلول های اسیدهای خاص نیز پایدار باشد. سرب با غلظت کمتر در اسید سولفوریک حل نمی شود، زیرا نمکی که در اثر واکنش سرب با اسید سولفوریک ایجاد می شود نامحلول است و یک لایه محافظ روی سطح فلز ایجاد می کند. پدیده بازدارندگی عمیق اکسیداسیون فلز به دلیل وجود اکسید محافظ یا لایه های نمکی بر روی سطح آن را غیرفعال و به حالت فلز در این حالت حالت غیرفعال می گویند.

فلزات قادرند یکدیگر را از محلول های نمکی جابجا کنند. جهت واکنش با موقعیت نسبی آنها در سری تنش ها تعیین می شود. هنگام در نظر گرفتن موارد خاص چنین واکنش هایی، باید به خاطر داشت که فلزات فعال هیدروژن را نه تنها از آب، بلکه از هر محلول آبی نیز جابجا می کنند. بنابراین، جابجایی متقابل فلزات از محلول های نمک آنها عملاً فقط در مورد فلزات واقع در سری بعد از منیزیم رخ می دهد.

بکتوف اولین کسی بود که جابجایی فلزات از ترکیبات آنها توسط فلزات دیگر را به تفصیل مطالعه کرد. در نتیجه کار خود، او فلزات را بر اساس فعالیت شیمیایی آنها در یک سری جابجایی مرتب کرد که نمونه اولیه یک سری از تنش های فلزی است.

موقعیت نسبی برخی از فلزات در سری تنش و در جدول تناوبی در نگاه اول با یکدیگر مطابقت ندارد. به عنوان مثال، با توجه به موقعیت در جدول تناوبی، فعالیت شیمیایی پتاسیم باید بیشتر از سدیم، و سدیم - بیشتر از لیتیوم باشد. در سری ولتاژها، لیتیوم فعال ترین است و پتاسیم جایگاه متوسطی را بین لیتیوم و سدیم اشغال می کند. روی و مس با توجه به موقعیتی که در جدول تناوبی دارند باید تقریباً فعالیت شیمیایی برابری داشته باشند اما در سری ولتاژ روی خیلی زودتر از مس قرار می گیرد. دلیل این نوع ناهماهنگی به شرح زیر است.

هنگام مقایسه فلزاتی که یک موقعیت را در جدول تناوبی اشغال می کنند، انرژی یونیزاسیون اتم های آزاد به عنوان معیاری از فعالیت شیمیایی آنها - توانایی کاهشی آنها در نظر گرفته می شود. در واقع، هنگام حرکت، به عنوان مثال، از بالا به پایین در طول زیر گروه اصلیگروه I جدول تناوبیانرژی یونیزاسیون اتم ها کاهش می یابد که با افزایش شعاع آنها (یعنی با فاصله بیشتر الکترون های بیرونی از هسته) و با افزایش غربالگری بار مثبت هسته توسط لایه های الکترونیکی میانی همراه است (به بند 31 مراجعه کنید). . بنابراین، اتم‌های پتاسیم فعالیت شیمیایی بیشتری از خود نشان می‌دهند - خواص احیایی قوی‌تری دارند - نسبت به اتم‌های سدیم، و اتم‌های سدیم فعالیت بیشتری نسبت به اتم‌های لیتیوم از خود نشان می‌دهند.

هنگام مقایسه فلزات در یک سری ولتاژ، کار تبدیل یک فلز در حالت جامد به یون های هیدراته در یک محلول آبی به عنوان معیاری از فعالیت شیمیایی در نظر گرفته می شود. این کار را می توان به صورت مجموع سه عبارت نشان داد: انرژی اتمیزاسیون - تبدیل یک کریستال فلز به اتم های جدا شده، انرژی یونیزاسیون اتم های فلز آزاد و انرژی هیدراتاسیون یون های حاصل. انرژی اتمیزه کردن استحکام شبکه کریستالی یک فلز معین را مشخص می کند. انرژی یونیزاسیون اتم ها - حذف الکترون های ظرفیت از آنها - به طور مستقیم با موقعیت فلز در جدول تناوبی تعیین می شود. انرژی آزاد شده در طول هیدراتاسیون به ساختار الکترونیکی یون، بار و شعاع آن بستگی دارد.

یون های لیتیوم و پتاسیم با داشتن بار یکسان اما شعاع متفاوت، نابرابر ایجاد می کنند میدان های الکتریکی. میدان تولید شده در نزدیکی یون های کوچک لیتیوم قوی تر از میدان نزدیک یون های پتاسیم بزرگ خواهد بود. از این رو مشخص است که یون های لیتیوم با آزاد شدن انرژی بیشتری نسبت به یون های پتاسیم هیدراته می شوند.

بنابراین، در طول تبدیل مورد بررسی، انرژی صرف اتمیزه شدن و یونیزاسیون می شود و در حین هیدراتاسیون انرژی آزاد می شود. هرچه مصرف کل انرژی کمتر باشد، کل فرآیند آسان تر خواهد بود و فلز داده شده به ابتدای سری تنش نزدیک تر می شود. اما از سه عبارت تراز کلی انرژی، تنها یکی - انرژی یونیزاسیون - به طور مستقیم توسط موقعیت فلز در جدول تناوبی تعیین می شود. در نتیجه، هیچ دلیلی وجود ندارد که انتظار داشته باشیم موقعیت نسبی فلزات خاص در سری تنش همیشه با موقعیت آنها در جدول تناوبی مطابقت داشته باشد. بنابراین، برای لیتیوم، کل انرژی مصرفی کمتر از پتاسیم است، که طبق آن، لیتیوم در سری ولتاژ قبل از پتاسیم قرار می گیرد.

برای مس و روی، انرژی مصرفی برای یونیزاسیون اتم های آزاد و افزایش انرژی در طول هیدراتاسیون یونی نزدیک است. اما مس فلزی قوی تر را تشکیل می دهد شبکه کریستالی، از روی، همانطور که از مقایسه دمای ذوب این فلزات می توان دید: روی در , و مس فقط در . بنابراین، انرژی صرف شده برای اتمیزه کردن این فلزات به طور قابل توجهی متفاوت است، در نتیجه هزینه کل انرژی برای کل فرآیند در مورد مس بسیار بیشتر از روی است، که موقعیت نسبی این فلزات را توضیح می دهد. فلزات در سری تنش

هنگام عبور از آب به حلال های غیرآبی، موقعیت نسبی فلزات در سری ولتاژ ممکن است تغییر کند. دلیل این امر این است که انرژی حلالیت یون های فلزی مختلف هنگام حرکت از یک حلال به حلال دیگر به طور متفاوتی تغییر می کند.

به طور خاص، یون مس به شدت در برخی از حلال های آلی حل می شود. این منجر به این واقعیت می شود که در چنین حلال هایی مس در سری ولتاژ قبل از هیدروژن قرار می گیرد و آن را از محلول های اسیدی جابجا می کند.

بنابراین، بر خلاف جدول تناوبی عناصر، سری تنش فلزات یک بازتاب نیست الگوهای عمومی، که بر اساس آن می توان ویژگی های همه کاره داد خواص شیمیاییفلزات مجموعه ای از ولتاژها تنها توانایی ردوکس سیستم الکتروشیمیایی "یون فلز - فلز" را در شرایط کاملاً تعریف شده مشخص می کند: مقادیر داده شده در آن به محلول آبی، دما و غلظت واحد (فعالیت) یون های فلزی.

در یک سلول الکتروشیمیایی (سلول گالوانیکی)، الکترون های باقی مانده پس از تشکیل یون ها از طریق یک سیم فلزی حذف شده و با یون های نوع دیگر ترکیب می شوند. یعنی بار در مدار خارجی توسط الکترون ها و در داخل سلول از طریق الکترولیت که الکترودهای فلزی در آن غوطه ور شده اند توسط یون ها منتقل می شود. این یک مدار الکتریکی بسته ایجاد می کند.

اختلاف پتانسیل اندازه گیری شده در یک سلول الکتروشیمیایی است o با تفاوت در توانایی هر فلز برای اهدای الکترون توضیح داده می شود. هر الکترود پتانسیل خاص خود را دارد، هر سیستم الکترود-الکترولیت یک نیم سلول است و هر دو نیم سلول یک سلول الکتروشیمیایی را تشکیل می دهند. پتانسیل یک الکترود را پتانسیل نیمه سلولی می نامند و توانایی الکترود برای اهدای الکترون را تعیین می کند. بدیهی است که پتانسیل هر نیم عنصر به وجود نیم عنصر دیگر و پتانسیل آن بستگی ندارد. پتانسیل نیمه سلولی با غلظت یون ها در الکترولیت و دما تعیین می شود.

هیدروژن به عنوان نیمه عنصر "صفر" انتخاب شد، یعنی. اعتقاد بر این است که وقتی یک الکترون برای تشکیل یون اضافه یا حذف می شود، هیچ کاری برای آن انجام نمی شود. مقدار پتانسیل "صفر" برای درک توانایی نسبی هر یک از دو نیمه سلول سلول برای دادن و پذیرش الکترون ضروری است.

پتانسیل های نیم سلولی که نسبت به الکترود هیدروژن اندازه گیری می شوند، مقیاس هیدروژن نامیده می شوند. اگر تمایل ترمودینامیکی برای اهدای الکترون در یک نیمه از سلول الکتروشیمیایی بیشتر از نیمه دیگر باشد، پس پتانسیل نیم سلول اول بیشتر از پتانسیل دوم است. تحت تأثیر اختلاف پتانسیل، جریان الکترون رخ خواهد داد. هنگامی که دو فلز با هم ترکیب می شوند، می توان تفاوت پتانسیل ایجاد شده بین آنها و جهت جریان الکترون را تعیین کرد.

یک فلز الکتروپوزیتیو توانایی بالاتری در پذیرش الکترون دارد، بنابراین کاتدی یا نجیب خواهد بود. از سوی دیگر، فلزات الکترونگاتیو وجود دارند که قادر به اهدای خود به خود الکترون هستند. این فلزات واکنش پذیر و در نتیجه آندی هستند:

- → 0 → +

Al Mn Zn Fe Sn Pb H 2 Cu Ag Au

به عنوان مثال مس الکترون ها را راحت تر از دست می دهد Ag، اما بدتر از Fe . در حضور یک الکترود مسی، نونیون‌های نقره شروع به ترکیب شدن با الکترون‌ها می‌کنند که منجر به تشکیل یون‌های مس و رسوب نقره فلزی می‌شود:

2 Ag + + مس → Cu 2+ + 2 Ag

با این حال، همان مس کمتر از آهن واکنش نشان می دهد. هنگامی که آهن فلزی با نونات های مس تماس پیدا می کند، رسوب می کند و آهن به محلول تبدیل می شود:

Fe + Cu 2+ → Fe 2+ + Cu.

می توان گفت که مس یک فلز کاتدی نسبت به آهن و یک فلز آندی نسبت به نقره است.

پتانسیل الکترود استاندارد به عنوان پتانسیل یک نیم سلول از فلز خالص کاملا آنیل شده به عنوان یک الکترود در تماس با یون ها در دمای 25 درجه سانتیگراد در نظر گرفته می شود. در این اندازه گیری ها، الکترود هیدروژن به عنوان یک الکترود مرجع عمل می کند. در مورد فلز دو ظرفیتی، می‌توانیم واکنشی را که در سلول الکتروشیمیایی مربوطه رخ می‌دهد، یادداشت کنیم:

M + 2H +→ M 2 + + H 2.

اگر فلزات را به ترتیب نزولی پتانسیل الکترودی استاندارد آنها مرتب کنیم، سری الکتروشیمیایی ولتاژ فلزات را به دست می آوریم (جدول 1).

جدول 1. سری الکتروشیمیایی ولتاژهای فلزی

	تعادل فلز-یون (فعالیت واحد)	پتانسیل الکترود نسبت به الکترود هیدروژن در 25 درجه سانتیگراد، V (پتانسیل کاهش)
نجیب یا کاتد	Au-Au 3+	1,498
	PT-Pt 2+
	Pd-Pd 2+	0,987
	Ag-Ag+	0,799
	Hg-Hg 2+	0,788
	Cu-Cu 2+	0,337
	H 2 -H +
	Pb-Pb 2+	0,126
	Sn-Sn 2+	0,140
	Ni-Ni 2+	0,236
	Co-Co 2+	0,250
	CD-Cd 2+	0,403
	Fe-Fe 2+	0,444
	Cr-Cr 2+	0,744
	Zn-Zn 2+	0,763
فعال یا آند	ال ال 2+	1,662
	Mg-Mg2+	2,363
	Na-Na+	2,714
	K-K+	2,925

به عنوان مثال، در یک سلول گالوانیکی مس-روی، جریان الکترون از روی به مس وجود دارد. الکترود مس در این مدار قطب مثبت و الکترود روی قطب منفی است. روی واکنش پذیرتر الکترون های خود را از دست می دهد:

روی → Zn 2+ + 2е - ; E °=+0.763 V.

مس واکنش کمتری دارد و الکترون های روی را می پذیرد:

Cu 2+ + 2e - → مس E °=+0.337 V.

ولتاژ سیم فلزی اتصال الکترودها به صورت زیر خواهد بود:

0.763 V + 0.337 V = 1.1 V.

جدول 2. پتانسیل ثابت برخی از فلزات و آلیاژها در آب دریا در رابطه با یک الکترود هیدروژن معمولی (GOST 9.005-72).

فلز	پتانسیل ثابت، در	فلز	پتانسیل ثابت، در
منیزیم	1,45	نیکل (فعالهم ایستاده)	0,12
آلیاژ منیزیم (6٪ Aل 3 % روی، 0,5 % Mn)	1,20	آلیاژهای مس LMtsZh-55 3-1	0,12
روی	0,80	برنج (30 % روی)	0,11
آلیاژ آلومینیوم (10% Mn)	0,74	برنز (5-10 % ال)	0,10
آلیاژ آلومینیوم (10%روی)	0,70	برنج قرمز (5-10 % روی)	0,08
آلیاژ آلومینیوم K48-1	0,660	مس	0,08
آلیاژ آلومینیوم B48-4	0,650	کوپرونیکل (30%نی)	0,02
آلیاژ آلومینیوم AMg5	0,550	برنز "نوا"	0,01
آلیاژ آلومینیوم AMg61	0,540	برنز برنز AZHN 9-4-4	0,02
آلومینیوم	0,53	فولاد ضد زنگ X13 (حالت غیرفعال)	0,03
کادمیوم	0,52	نیکل (حالت غیرفعال)	0,05
Duralumin و آلیاژ آلومینیوم AMg6	0,50	فولاد ضد زنگ X17 (حالت غیرفعال)	0,10
آهن	0,50	فنی تیتان	0,10
استیل 45G17Yu3	0,47	نقره ای	0,12
استیل St4S	0,46	فولاد ضد زنگ 1X14ND	0,12
فولاد SHL4	0,45	یدید تیتانیوم	0,15
فولاد نوع AK و فولاد کربن	0,40	فولاد ضد زنگ Х18Н9 (حالت غیرفعال) و ОХ17Н7У	0,17
چدن خاکستری	0,36	فلز مونل	0,17
فولادهای ضد زنگ X13 و X17 (حالت فعال)	0,32	فولاد ضد زنگ Х18Н12М3 (حالت غیرفعال)	0,20
چدن نیکل مس (12-15%نی، 5-7٪ Si)	0,30	فولاد ضد زنگ Х18Н10Т	0,25
سرب	0,30	پلاتین	0,40
قلع	0,25

توجه داشته باشید . مشخص شده است مقادیر عددیپتانسیل ها و ترتیب فلزات در یک سری بسته به خلوص فلزات، ترکیب آب دریا، درجه هوادهی و وضعیت سطح فلزات می تواند به درجات مختلفی تغییر کند.