결석
금속의 전기 화학 테이블입니다. 현대 재료의 세계 - 금속의 전기화학 계열 전압

금속의 전기 화학 테이블입니다. 현대 재료의 세계 - 금속의 전기화학 계열 전압

섹션: 화학, 경쟁 "수업 발표"

수업: 11

수업을 위한 프레젠테이션

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목표 및 목표:

지도 시간:주기율표의 위치에 따른 금속의 화학적 활성 고려 D.I. Mendeleev와 금속의 전기화학적 전압 계열에서.
개발 중:청각 기억의 발달, 정보를 비교하는 능력, 논리적으로 생각하고 진행 중인 화학 반응을 설명하는 능력에 기여합니다.
교육적인:스킬 형성 독립적 인 일, 합리적으로 자신의 의견을 표현하고 반 친구들의 말을 잘 들을 수 있는 능력으로 아이들에게 애국심과 동포에 대한 자긍심을 심어줍니다.

장비:미디어 프로젝터가 있는 PC, 화학 시약 세트가 있는 개별 실험실, 금속 결정 격자 모델.

수업 유형: 비판적 사고의 발달을 위한 기술 사용.

수업 중

나. 챌린지 스테이지.

주제에 대한 지식의 실현,인지 활동의 각성.

허세 게임: "당신은 그것을 믿습니까 ...". (슬라이드 3)

금속은 PSCE의 왼쪽 상단 모서리를 차지합니다.
결정에서 금속 원자는 금속 결합으로 묶여 있습니다.
금속의 원자가 전자는 핵에 단단히 결합되어 있습니다.
주요 하위 그룹(A)의 금속은 일반적으로 외부 수준에 2개의 전자를 가지고 있습니다.
위에서 아래로 그룹에서 금속의 환원 특성이 증가합니다.
산과 염 용액에서 금속의 반응성을 평가하려면 금속 전압의 전기화학적 계열을 보는 것으로 충분합니다.
산과 염 용액에서 금속의 반응성을 평가하려면 D.I. 주기율표를 보는 것으로 충분합니다. 멘델레예프

수업에 질문?항목은 무엇을 의미합니까? 나 0 - ne -\u003e 나 + n(슬라이드 4)

대답: Me0 - 환원제이므로 산화제와 상호 작용합니다. 다음은 산화제로 작용할 수 있습니다.

단순 물질(+ O 2, Cl 2, S ...)
복합 물질(H 2 O, 산, 염 용액 ...)

Ⅱ. 새로운 정보 이해하기.

방법론적 기법으로 참조 체계를 작성하는 것이 제안된다.

수업에 질문?금속의 환원 특성에 영향을 미치는 요인은 무엇입니까? (슬라이드 5)

대답: D.I. Mendeleev의 주기율표의 위치에서 또는 금속 전압의 전기 화학적 계열의 위치에서.

교사는 개념을 다음과 같이 소개합니다. 화학적 활성 및 전기 화학적 활성.

설명을 시작하기 전에 아이들은 원자의 활동을 비교하도록 초대됩니다. 에게그리고 리주기율표에서의 위치 D.I. Mendeleev와 금속 전압의 전기 화학적 시리즈에서의 위치에 따라 이러한 요소에 의해 형성된 단순 물질의 활동. (슬라이드 6)

모순이 있습니다:PSCE에서 알칼리 금속의 위치와 하위 그룹의 원소 특성 변화 패턴에 따라 칼륨의 활성은 리튬의 활성보다 큽니다. 전압 계열의 위치 측면에서 리튬이 가장 활동적입니다.

새로운 재료.교사는 화학적 활성과 전기화학적 활성의 차이를 설명하고 일련의 전기화학적 전압은 금속이 수화된 이온으로 변환하는 능력을 반영한다고 설명합니다. 여기서 금속 활성의 척도는 에너지이며 이는 세 가지 용어(무화 에너지, 이온화)로 구성됩니다. 에너지 및 수화 에너지). 우리는 노트에 자료를 씁니다. (슬라이드 7-10)

노트북에 함께 쓰기 결론:이온 반경이 작을수록 주위에 더 큰 전기장이 생성되고 수화 중에 더 많은 에너지가 방출되므로 반응에서 이 금속의 환원 특성이 더 강해집니다.

기록 참조:금속 변위 시리즈의 Beketov 생성에 대한 학생의 프레젠테이션. (슬라이드 11)

금속의 전기화학적 전압 계열의 작용은 금속과 전해질 용액(산, 염)의 반응에 의해서만 제한됩니다.

알림:

금속의 환원 특성은 표준 조건(250°C, 1 atm.)에서 수용액에서 반응하는 동안 감소합니다.
왼쪽에 있는 금속은 용액에서 염의 오른쪽에 있는 금속을 대체합니다.
수소에 맞서는 금속은 용액의 산에서 수소를 대체합니다(제외: HNO3).
나 (알에게) + H 2 O -> 알칼리 + H 2
다른나(최대 H2) + H 2 O -> 산화물 + H 2 (가혹한 조건)
나(H2 이후) + H 2 O -> 반응하지 않음

(슬라이드 12)

아이들에게 메모가 주어집니다.

실무:"금속과 염 용액의 상호 작용"(슬라이드 13)

전환:

CuSO4 —> FeSO4
CuSO4 —> ZnSO4

구리와 수은(II) 질산염 용액 사이의 상호작용 경험 시연.

III. 반성, 묵상.

반복합니다. 어떤 경우에는 주기율표를 사용하고 어떤 경우에는 일련의 금속 전압이 필요합니다. (슬라이드 14-15).

우리는 수업의 초기 질문으로 돌아갑니다. 화면에서 6번과 7번 문제를 강조 표시하고 어떤 문장이 옳지 않은지 분석합니다. 화면에서 - 키(작업 1 확인). (슬라이드 16).

수업 요약:

무엇을 배웠습니까?
어떤 경우에 전기화학적 전압 계열의 금속을 사용할 수 있습니까?

숙제: (슬라이드 17)

물리학 과정에서 "POTENTIAL"의 개념을 반복합니다.
반응 방정식을 끝내고 전자 저울 방정식을 작성하십시오. Cu + Hg (NO 3) 2 →
주어진 금속( 철, 마그네슘, 납, 구리)- 전기화학 계열의 전압에서 이러한 금속의 위치를 확인하는 실험을 제공합니다.

우리는 허세 게임, 보드에서 작업, 구두 답변, 의사 소통, 실제 작업에 대한 결과를 평가합니다.

중고 도서:

OS 가브리엘리안, G.G. 리소바, A.G. Vvedenskaya "선생님을 위한 핸드북. 화학 11학년, 2부 "Drofa 출판사.
N.L. Glinka 일반 화학.

모든 금속은 산화환원 활성에 따라 금속의 전기화학적 전압 계열(금속이 표준 전기화학적 전위가 증가하는 순서로 배열되기 때문에) 또는 금속의 활성 계열이라고 하는 계열로 결합됩니다.

Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H 2 , Cu, Hg, Ag, Рt, Au

반응성이 가장 높은 금속은 수소까지 활성도가 높은 순으로 금속이 왼쪽에 위치할수록 활성도가 높아집니다. 활동 시리즈에서 수소 옆에 있는 금속은 비활성으로 간주됩니다.

알류미늄

알루미늄은 은백색입니다. 알루미늄의 주요 물리적 특성은 가벼움, 높은 열 및 전기 전도성입니다. 자유 상태에서 공기에 노출되면 알루미늄은 강한 산화막 Al 2 O 3 로 덮여 있어 농축된 산에 강합니다.

알루미늄은 p 계열 금속에 속합니다. 외부 에너지 준위의 전자 구성은 3s 2 3p 1 입니다. 화합물에서 알루미늄은 "+3"과 같은 산화 상태를 나타냅니다.

알루미늄은 이 원소의 용융 산화물을 전기분해하여 얻습니다.

2Al 2 O 3 \u003d 4Al + 3O 2

그러나 제품의 낮은 수율로 인해 Na 3 와 Al 2 O 3 혼합물을 전기분해하여 알루미늄을 얻는 방법이 더 많이 사용됩니다. 반응은 960C로 가열되고 촉매(불화물(AlF 3 , CaF 2 등))의 존재하에 진행되는 반면 알루미늄은 음극에서 방출되고 산소는 양극에서 방출됩니다.

알루미늄은 표면(1)에서 산화막을 제거한 후 물과 상호 작용하고 단순한 물질(산소, 할로겐, 질소, 황, 탄소)(2-6), 산(7) 및 염기(8)와 상호 작용할 수 있습니다.

2Al + 6H 2 O \u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2 (1)

2Al + 3 / 2O 2 \u003d Al 2 O 3 (2)

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 (3)

2Al + N 2 = 2AlN (4)

2Al + 3S \u003d Al 2 S 3 (5)

4Al + 3C \u003d Al 4 C 3 (6)

2Al + 3H 2 SO 4 \u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 (7)

2Al + 2NaOH + 3H 2 O \u003d 2Na + 3H 2 (8)

칼슘

자유 형태의 Ca는 은백색 금속입니다. 공기에 노출되면 즉시 황색 필름으로 덮이는데, 이는 공기 구성 요소와의 상호 작용의 산물입니다. 칼슘은 상당히 단단한 금속이며 입방 면심 결정 격자를 가지고 있습니다.

외부 에너지 준위의 전자 구성은 4s 2 입니다. 그 화합물에서 칼슘은 "+2"와 같은 산화 상태를 나타냅니다.

칼슘은 용융염, 대부분 염화물을 전기분해하여 얻습니다.

CaCl 2 \u003d Ca + Cl 2

칼슘은 물에 용해되어 강한 염기성 특성을 나타내는 수산화물(1), 산소와 반응(2), 산화물 형성, 비금속과 상호작용(3-8), 산(9)에 용해될 수 있습니다.

Ca + H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + H 2 (1)

2Ca + O 2 \u003d 2CaO (2)

Ca + Br 2 \u003d CaBr 2 (3)

3Ca + N 2 \u003d Ca 3 N 2 (4)

2Ca + 2C = Ca 2 C 2 (5)

2Ca + 2P = Ca 3 P 2 (7)

Ca + H 2 \u003d CaH 2 (8)

Ca + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 (9)

철 및 그 화합물

철은 회색 금속입니다. 순수한 형태로 매우 부드럽고 가단성이 있으며 연성입니다. 외부 에너지 준위의 전자 구성은 3d 6 4s 2 입니다. 그 화합물에서 철은 산화 상태 "+2" 및 "+3"을 나타냅니다.

금속 철은 수증기와 반응하여 혼합 산화물 (II, III) Fe 3 O 4를 형성합니다.

3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2

공기 중에서 철은 특히 습기가 있을 때 쉽게 산화됩니다(녹슬음).

3Fe + 3O 2 + 6H 2 O \u003d 4Fe (OH) 3

다른 금속과 마찬가지로 철은 할로겐(1)과 같은 단순한 물질과 반응하고 산(2)에 용해됩니다.

Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2 (2)

철은 수산화철(II), 수산화철(III), 염, 산화물 등 여러 산화 상태를 나타내기 때문에 전체 범위의 화합물을 형성합니다. 따라서 철(II) 수산화물은 공기 접근 없이 철(II) 염에 대한 알칼리 용액의 작용으로 얻을 수 있습니다.

FeSO 4 + 2NaOH \u003d Fe (OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4

수산화철(II)은 산에 용해되고 산소가 있는 경우 수산화철(III)로 산화됩니다.

철(II) 염은 환원제의 특성을 나타내며 철(III) 화합물로 전환됩니다.

산화철(III)은 산소에서 철을 연소시켜 얻을 수 없으며, 이를 얻기 위해서는 황화철을 태우거나 다른 철염을 소성해야 합니다.

4FeS 2 + 11O 2 \u003d 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

2FeSO 4 \u003d Fe 2 O 3 + SO 2 + 3H 2 O

철(III) 화합물은 약한 산화 특성을 나타내며 강력한 환원제로 OVR에 들어갈 수 있습니다.

2FeCl 3 + H 2 S \u003d Fe (OH) 3 ↓ + 3NaCl

철강 생산

강철 및 주철은 철과 탄소의 합금이며 강철의 탄소 함량은 최대 2%이고 주철의 탄소 함량은 2-4%입니다. 철강 및 주철에는 철강 - Cr, V, Ni 및 주철 - Si와 같은 합금 첨가제가 포함되어 있습니다.

강에는 다양한 종류가 있으므로 용도에 따라 구조용, 스테인리스강, 공구강, 내열강, 극저온강으로 구분됩니다. 화학 조성에 따라 탄소(저, 중 및 고 탄소)와 합금(저, 중 및 고 합금)이 구별됩니다. 구조에 따라 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트, 펄라이트 및 베이나이트 강이 구별됩니다.

철강은 건설, 화학, 석유화학, 환경 보호, 운송 에너지 및 기타 산업과 같은 국가 경제의 많은 부문에서 응용되고 있습니다.

주철의 탄소 함량 형태-시멘타이트 또는 흑연 및 그 양에 따라 여러 유형의 주철이 구별됩니다. 흰색(시멘타이트 형태의 탄소 존재로 인한 파단의 밝은 색), 회색 (흑연 형태의 탄소 존재로 인한 회색 균열), 가단성 및 내열성. 주철은 매우 부서지기 쉬운 합금입니다.

주철의 적용 분야는 광범위합니다. 예술적 장식(울타리, 문), 차체 부품, 배관 장비, 가정 용품(팬)은 주철로 만들어지며 자동차 산업에 사용됩니다.

문제 해결의 예

실시예 1

운동

26.31g의 마그네슘과 알루미늄 합금을 염산에 용해시켰다. 이 경우 31.024리터의 무색 가스가 방출되었습니다. 합금에서 금속의 질량 분율을 결정하십시오.

해결책

두 금속 모두 염산과 반응할 수 있으며 그 결과 수소가 방출됩니다.

Mg + 2HCl \u003d MgCl 2 + H 2

2Al + 6HCl \u003d 2AlCl 3 + 3H 2

방출된 수소의 총 몰수를 구하십시오.

v(H 2) \u003d V(H 2) / V m

v (H 2) \u003d 31.024 / 22.4 \u003d 1.385 mol

물질 Mg의 양을 x mol, Al을 y mol이라고 하자. 그런 다음 반응 방정식을 기반으로 총 수소 몰 수에 대한 식을 작성할 수 있습니다.

x + 1.5y = 1.385

우리는 혼합물의 금속 질량을 표현합니다.

그러면 혼합물의 질량은 다음 방정식으로 표현됩니다.

24x + 27y = 26.31

우리는 방정식 시스템을 얻었습니다.

x + 1.5y = 1.385

24x + 27y = 26.31

그것을 해결하자:

33.24 -36년 + 27년 \u003d 26.31

v(Al) = 0.77몰

v(Mg) = 0.23mol

그런 다음 혼합물의 금속 질량:

m (Mg) \u003d 24 × 0.23 \u003d 5.52g

m(Al) \u003d 27 × 0.77 \u003d 20.79g

혼합물에서 금속의 질량 분율을 찾으십시오.

ώ = m(Me)/m 합 ×100%

ώ(Mg) = 5.52 / 26.31 × 100% = 20.98%

ώ(Al) = 100 - 20.98 = 79.02%

대답

합금의 금속 질량 분율: 20.98%, 79.02%

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금속 전기화학의 소규모 과정

우리는 이미 알칼리 금속 염화물 용액의 전기 분해 및 용융물을 사용한 금속 생산에 대해 알게되었습니다. 이제 수용액, 갈바니 전지의 전기화학 법칙 중 일부를 연구하고 보호 갈바니 코팅의 생산에 대해 알기 위해 몇 가지 간단한 실험을 시도해 보겠습니다.
전기화학적 방법은 현대 분석 화학에서 사용되며 이론 화학에서 가장 중요한 양을 결정하는 역할을 합니다.
마지막으로 금속 물체의 부식으로 인해 큰 손상 국가 경제, 대부분의 경우 전기화학 공정입니다.

금속의 전압 범위

전기화학적 공정을 이해하기 위한 기본 링크는 금속의 전압 계열입니다. 금속은 반응성으로 시작하여 반응성이 가장 적은 귀금속으로 끝나는 행으로 배열될 수 있습니다.
Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Mg, Al, Be, Mn, Zn, Cr, Ga, Fe, Cd, Tl, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, As, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
이것은 최신 아이디어에 따르면 가장 중요한 금속과 수소에 대한 일련의 전압입니다. 갈바니 전지의 전극이 한 행의 두 금속으로 만들어진 경우 행 앞에 있는 재료에 음의 전압이 나타납니다.
전압 값( 전기화학적 전위)는 전압 계열에서 요소의 위치와 전해질의 특성에 따라 달라집니다.
우리는 전류 소스와 전기 측정 장비가 필요한 몇 가지 간단한 실험을 통해 전압 시리즈의 본질을 설정할 것입니다.

전류가 없는 금속 코팅, "나무" 및 "얼음 패턴"

결정성 황산동 약 10g을 물 100ml에 녹이고 쇠바늘이나 철판 조각을 용액에 담그자. (먼저 얇은 에머리 천으로 다리미를 닦아서 광택이 나도록 하는 것이 좋습니다.) 잠시 후 다리미는 석출된 구리의 붉은색 층으로 덮입니다. 더 활동적인 철은 용액에서 구리를 대체하며 철은 이온으로 용해되고 구리는 금속으로 유리됩니다. 이 과정은 용액이 철과 접촉하는 한 계속됩니다. 구리가 철의 전체 표면을 덮자 마자 거의 멈출 것입니다. 이 경우 다소 다공성인 구리 층이 형성되어 전류를 사용하지 않고는 보호 코팅을 얻을 수 없습니다.
다음 실험에서 우리는 작은 조각의 아연과 납 주석을 황산구리 용액으로 낮출 것입니다. 15분 후 꺼내어 헹구고 현미경으로 검사합니다. 우리는 반사광에서 붉은색을 띠고 유리된 구리로 구성된 아름다운 얼음 같은 패턴을 볼 수 있습니다. 여기에서도 더 많은 활성 금속이 구리를 이온 상태에서 금속 상태로 옮겼습니다.
차례로, 구리는 일련의 전압에서 더 낮은, 즉 덜 활성인 금속을 대체할 수 있습니다. 얇은 구리 판 또는 평평한 스트립에 구리 와이어(이전에 표면을 청소하여 광택을 낸 후) 질산은 용액 몇 방울을 바르십시오. 육안으로 반사된 빛의 현미경 아래에서 얇은 바늘과 식물 패턴(소위 수상 돌기)처럼 보이는 형성된 검은색 코팅을 확인할 수 있습니다.
전류없이 아연을 분리하려면보다 활성 금속을 사용해야합니다. 물과 격렬하게 상호 작용하는 금속을 제외하고 아연 위의 일련의 응력에서 마그네슘을 찾습니다. 우리는 마그네슘 테이프 조각이나 전자의 얇은 칩에 황산아연 용액 몇 방울을 놓습니다. 황산아연 용액우리는 묽은 황산에 아연 조각을 녹여서 얻습니다. 황산아연과 동시에 변성알코올 몇 방울을 첨가한다. 마그네슘에서 짧은 시간 후에 우리는 특히 현미경 아래에서 얇은 결정의 형태로 분리된 아연을 발견합니다.
일반적으로 전압 계열의 모든 구성원은 이온 형태인 용액에서 강제로 빠져 나와 금속 상태로 전환될 수 있습니다. 그러나 모든 종류의 조합을 시도하다 보면 실망할 수 있습니다. 알루미늄 스트립을 구리, 철, 납 및 아연의 염 용액에 담그면 이러한 금속이 눈에 띄어야합니다. 그러나 이것은 발생하지 않습니다. 고장의 원인은 일련의 전압 오류에 있는 것이 아니라 반응의 특별한 억제를 기반으로 하며, 이 경우 알루미늄 표면의 얇은 산화막으로 인한 것입니다. 이러한 솔루션에서 알루미늄은 패시브라고 합니다.

현장을 살펴보자

진행 중인 프로세스의 패턴을 공식화하기 위해 양이온을 고려하는 것으로 제한하고 음이온 자체는 반응에 참여하지 않기 때문에 제외할 수 있습니다. (그러나 음이온의 유형은 증착 속도에 영향을 미칩니다.) 간단하게 하기 위해 유리된 금속과 용해된 금속이 모두 이중으로 하전된 양이온을 제공한다고 가정하면 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

나 1 + 나 2 2+ = 나 1 2+ + 나 2

또한 첫 번째 실험의 경우 Me 1 = Fe, Me 2 = Сu입니다.
따라서 이 과정은 두 금속의 원자와 이온 사이의 전하(전자) 교환으로 구성됩니다. 철의 용해 또는 구리의 침전을 (중간 반응으로) 별도로 고려하면 다음을 얻습니다.

철 = 철 2+ + 2 이자형 --

쿠 2+ + 2 이자형--=쿠

이제 금속이 일련의 전압에서의 위치로 인해 교환이 불가능한 양이온과 함께 물이나 염 용액에 잠긴 경우를 고려하십시오. 그럼에도 불구하고 금속은 이온 형태로 용액에 들어가는 경향이 있습니다. 이 경우 금속 원자는 2개의 전자를 포기하고(금속이 2가인 경우) 용액에 잠긴 금속의 표면은 용액에 대해 음전하를 띠고 계면에 이중 전기층이 형성됩니다. 이 전위차는 금속의 추가 용해를 방지하여 프로세스가 곧 중단됩니다.
두 개의 다른 금속이 용액에 잠기면 둘 다 전하를 띠게 되지만 덜 활성인 금속은 원자가 전자를 분리하는 경향이 적기 때문에 다소 약합니다.
두 금속을 도체로 연결하십시오. 전위차로 인해 전자의 흐름은 활성이 더 높은 금속에서 덜 활성인 금속으로 흘러 요소의 양극을 형성합니다. 더 많은 활성 금속이 용액에 들어가고 용액의 양이온이 더 귀금속에 방출되는 과정이 발생합니다.

갈바니 전지의 에센스

이제 위의 다소 추상적인 추론을 몇 가지 실험으로 설명하겠습니다.
먼저 250ml 용량의 비이커에 10% 황산용액을 가운데까지 채우고 아연과 구리를 너무 작지 않게 담그십시오. 우리는 두 전극에 구리선을 납땜하거나 리벳으로 고정합니다. 그 끝은 용액에 닿지 않아야합니다.
와이어의 끝이 서로 연결되어 있지 않은 한 수소 방출과 함께 아연의 용해를 관찰합니다. 전압 계열에서 다음과 같이 아연은 수소보다 활성이 높기 때문에 금속은 이온 상태에서 수소를 대체할 수 있습니다. 두 금속 모두 전기 이중층을 형성합니다. 전극 사이의 전위차는 전압계로 가장 쉽게 감지할 수 있습니다. 회로에서 장치를 켠 직후 화살표는 약 1V를 나타내지 만 전압은 빠르게 떨어집니다. 작은 전구를 1V의 전압을 소비하는 요소에 연결하면 처음에는 매우 강하게 켜지고 빛이 약해집니다.
장치 단자의 극성에 따라 구리 전극이 양극이라는 결론을 내릴 수 있습니다. 이것은 공정의 전기화학을 고려하여 장치 없이도 증명할 수 있다. 작은 비이커나 시험관에 식염포화용액을 준비하고 페놀프탈레인 지시약의 알코올 용액 약 0.5ml를 넣고 와이어로 막은 두 전극을 용액에 담근다. 음극 근처에서 약간의 붉은 색이 관찰되는데, 이는 음극에서 수산화나트륨의 형성으로 인해 발생합니다.
다른 실험에서는 셀에 다양한 금속 쌍을 배치하고 결과 전압을 결정할 수 있습니다. 예를 들어, 마그네슘과 은은 일련의 전압에서 그들 사이의 상당한 거리로 인해 특히 큰 전위차를 제공하는 반면 아연과 철은 반대로 10분의 1볼트 미만의 매우 작은 전위차를 제공합니다. 알루미늄을 사용하면 패시베이션으로 인해 전류가 거의 발생하지 않습니다.
이러한 모든 요소, 또는 전기화학자들이 말하는 것처럼 회로는 전류가 흐르면 전압이 매우 빠르게 떨어지는 단점이 있습니다. 따라서 전기 화학자는 전압 보상 방법, 즉 다른 전류 소스의 전압과 비교하여 전원이 차단된 상태에서 전압의 실제 값을 항상 측정합니다.
구리 - 아연 요소의 프로세스를 더 자세히 살펴 보겠습니다. 음극에서 아연은 다음 방정식에 따라 용액으로 들어갑니다.

Zn = Zn2+ + 2 이자형 --

황산 수소 이온은 구리 양극에서 방출됩니다. 그들은 아연 음극에서 와이어를 통해 오는 전자를 부착하고 결과적으로 수소 기포가 형성됩니다.

2시간 + + 2 이자형-- \u003d H 2

짧은 시간 후에 구리는 얇은 수소 기포층으로 덮일 것입니다. 이 경우 구리 전극이 수소 전극으로 바뀌고 전위차가 감소합니다. 이 과정을 전극 분극이라고 합니다. 전압 강하 후 전지에 약간의 중크롬산칼륨 용액을 추가하여 구리 전극의 분극을 제거할 수 있습니다. 그 후, 중크롬산 칼륨이 수소를 물로 산화시키기 때문에 전압이 다시 증가합니다. 이 경우 중크롬산칼륨은 탈분극제로 작용합니다.
실제로, 전극이 분극되지 않은 갈바니 회로 또는 감극기를 추가하여 분극을 제거할 수 있는 회로가 사용됩니다.
비극성 소자의 예로 과거에 전류원으로 자주 사용되었던 다니엘 소자를 생각해 보자. 이것은 또한 구리 - 아연 요소이지만 두 금속 모두 다른 용액에 잠겨 있습니다. 아연 전극을 묽은(약 20%) 황산으로 채워진 다공성 점토 셀에 넣습니다. 점토 전지는 황산구리 농축 용액이 담긴 큰 비이커에 매달려 있으며 바닥에는 황산구리 결정층이 있습니다. 이 용기의 두 번째 전극은 구리 시트의 실린더입니다.
이 요소는 유리병, 상업적으로 이용 가능한 점토 전지(극단적인 경우 화분을 사용하고 바닥에 있는 구멍을 막음) 및 적절한 크기의 두 전극으로 만들 수 있습니다.
소자가 작동하는 동안 아연은 황산 아연이 형성되면서 용해되고 구리 전극에서 구리 이온이 방출됩니다. 그러나 동시에 구리 전극은 분극되지 않고 소자는 약 1V의 전압을 제공합니다. 실제로 이론적으로 단자의 전압은 1.10V이지만 전류를 취하면 약간 더 낮은 값으로 측정됩니다. 세포의 전기 저항.
전지에서 전류를 제거하지 않으면 황산 용액에서 아연 전극을 제거해야 합니다. 그렇지 않으면 용해되어 수소를 형성하기 때문입니다.
다공성 파티션이 필요하지 않은 간단한 셀의 다이어그램이 그림에 나와 있습니다. 아연 전극은 상단의 유리 용기에 있고 구리 전극은 하단 근처에 있습니다. 전체 셀은 포화 염화나트륨 용액으로 채워져 있습니다. 항아리 바닥에 소수의 황산동 결정을 붓습니다. 생성된 황산구리 농축 용액은 일반 염 용액과 매우 천천히 혼합됩니다. 따라서 셀 작동 중에 구리 전극에서 구리가 방출되고 황산염 또는 염화물 형태의 아연이 셀 상부에서 용해됩니다.
배터리는 이제 거의 독점적으로 건전지를 사용하므로 사용하기 더 편리합니다. 그들의 조상은 Leclanchet 요소입니다. 전극은 아연 실린더와 탄소 막대입니다. 전해질은 주로 염화암모늄으로 구성된 페이스트입니다. 아연은 페이스트에 용해되고 수소는 석탄에서 방출됩니다. 분극을 피하기 위해 탄소 막대는 석탄 가루와 pyrolusite의 혼합물과 함께 린넨 백으로 내려갑니다. 탄소분말은 전극의 표면을 증가시키고, pyrolusite는 depolarizer로 작용하여 수소를 천천히 산화시킨다.
사실, 파이롤루사이트의 탈분극 능력은 앞서 언급한 중크롬산칼륨보다 약합니다. 따라서 건전지에 전류를 인가하면 전압이 급격히 떨어지며 " 피곤하다"분극으로 인한 것입니다. 시간이 지나야 수소의 산화가 pyrolusite와 함께 일어납니다. 따라서 원소" 쉬다", 일정 시간 동안 전류가 흐르지 않으면 전구를 연결하는 손전등 배터리에서 이것을 확인합시다. 램프에 병렬로, 즉 단자에 직접 전압계를 연결합니다.
처음에 전압은 약 4.5V가 됩니다. (대부분 이러한 배터리에는 3개의 셀이 직렬로 연결되며 각각 이론적인 전압은 1.48V입니다.) 잠시 후 전압이 떨어지고 전구가 약해집니다. 전압계를 읽으면 배터리가 얼마나 오래 쉬어야 하는지 판단할 수 있습니다.
특별한 장소는 다음으로 알려진 재생 요소로 채워져 있습니다. 축전지. 가역적인 반응이 일어나며, 외부 DC 소스에 연결하여 셀이 방전된 후 재충전할 수 있습니다.
현재 납산 배터리가 가장 일반적입니다. 그들에서 전해질은 묽은 황산이며 두 개의 리드 플레이트가 잠겨 있습니다. 양극은 이산화납 PbO 2 로 코팅되고 음극은 금속 납입니다. 단자의 전압은 약 2.1V입니다. 방전 중에 황산 납이 양쪽 판에 형성되어 충전 중에 다시 금속 납으로 변하고 과산화 납으로 변합니다.

도금 코팅

전류의 도움으로 수용액에서 금속을 침전시키는 것은 갈바니 전지를 고려할 때 만난 전해 용해의 역 과정입니다. 먼저 구리전량계에서 전기량을 측정하는 데 사용되는 구리의 침전을 살펴보자.

금속은 전류에 의해 증착됩니다.

얇은 구리 판 두 장의 끝을 구부린 후 비커의 반대쪽 벽이나 작은 유리 수족관에 걸어 놓습니다. 우리는 단자가있는 판에 전선을 연결합니다.
전해질다음 제조법에 따라 준비하십시오 : 결정질 황산동 125g, 진한 황산 50g 및 알코올 (변성 알코올) 50g, 나머지는 최대 1 리터의 물입니다. 이렇게하려면 먼저 황산구리를 물 500ml에 녹인 다음 조심스럽게 소량의 황산을 첨가하십시오 ( 난방! 액체가 튈 수 있습니다!) 그런 다음 알코올을 붓고 물을 1 리터로 가져옵니다.
우리는 전기량계를 준비된 용액으로 채우고 회로에 가변 저항, 전류계 및 납 배터리를 포함합니다. 저항의 도움으로 밀도가 전극 표면의 0.02-0.01A/cm2가 되도록 전류를 조정합니다. 동판의 면적이 50cm 2이면 전류 강도는 0.5-1A 범위에 있어야 합니다.
일정 시간이 지나면 밝은 빨간색 금속 구리가 음극(음극)에서 침전되기 시작하고 구리는 양극(양극)에서 용액이 됩니다. 구리판을 청소하기 위해 약 30분 동안 전기량계에 전류를 흘립니다. 그런 다음 음극을 꺼내 여과지로 조심스럽게 말린 다음 정확하게 무게를 잰다. 우리는 셀에 전극을 설치하고 가변 저항기로 회로를 닫고 1A와 같은 일정한 전류를 유지합니다. 1시간 후에 회로를 열고 건조된 음극의 무게를 다시 측정합니다. 시간당 1A의 전류에서 질량은 1.18g 증가합니다.
따라서 1암페어-시간에 해당하는 전기량은 용액을 통과할 때 1.18g의 구리를 방출할 수 있습니다. 또는 일반적으로 방출되는 물질의 양은 용액을 통과하는 전기의 양에 정비례합니다.
1당량의 이온을 분리하려면 전극 전하 e와 아보가드로 수의 곱과 같은 양의 전기가 용액을 통과해야 합니다. Nㅏ:
e*N A \u003d 1.6021 * 10 -19 * 6.0225 * 10 23 \u003d 9.65 * 10 4 A * s * mol -1 이 값은 기호로 표시됩니다 에프전기분해의 양적 법칙을 발견한 사람의 이름을 따서 명명되었습니다. 패러데이 수(정확한 값 에프- 96 498 A * s * mol -1). 따라서 솔루션에서 주어진 수의 등가물을 분리하려면 N e 솔루션을 통해 다음과 같은 전기량 F*n e A * s * mol -1. 다시 말해,
그것 =F*n여기 나- 현재의, 티전류가 솔루션을 통과하는 데 걸리는 시간입니다. "장에서 적정의 기초"물질의 당량의 수는 이미 밝혀졌습니다. N e는 몰 수를 등가 수로 곱한 것과 같습니다.
N전자 = N*지따라서:

나*티 = F*n*Z

이 경우 지- 이온 전하(Ag + 지= 1, Cu 2+의 경우 지= 2, Al 3+의 경우 지= 3 등). 몰수를 질량 대 몰 질량의 비율로 표현하면( N = mm) 전기 분해 중에 발생하는 모든 프로세스를 계산할 수 있는 공식을 얻습니다.

그것 =F*m*Z / M

이 공식을 사용하여 전류를 계산할 수 있습니다.

나 = F*m*Z/(t*M)\u003d 9.65 * 10 4 * 1.18 * 2 / (3600 * 63.54) A * s * g * mol / (s * mol * g) \u003d 0.996 A

전기공사비를 도입하면 여이메일

여이메일 = U*I*t그리고 여이메일 / 유 = 그것

그런 다음 긴장을 알고 유, 다음을 계산할 수 있습니다.

여이메일 = F*m*Z*U/M

또한 특정 양의 물질이 전해 방출되는 데 걸리는 시간 또는 특정 시간에 방출되는 물질의 양을 계산할 수도 있습니다. 실험하는 동안 전류 밀도는 지정된 한계 내에서 유지되어야 합니다. 0.01A/cm 2 미만이면 구리(I) 이온이 부분적으로 형성되기 때문에 너무 적은 양의 금속이 방출됩니다. 전류 밀도가 너무 높으면 전극에 대한 코팅의 접착력이 약해지고 전극을 용액에서 제거할 때 전극이 부서질 수 있습니다.
실제로 금속의 갈바니 코팅은 부식을 방지하고 경면 마감을 얻기 위해 주로 사용됩니다.
또한 금속, 특히 구리 및 납은 양극 용해 및 음극에서의 후속 분리(전해 정제)에 의해 정제됩니다.
철을 구리나 니켈로 도금하려면 먼저 물체의 표면을 철저히 청소해야 합니다. 이렇게하려면 묽은 분필로 연마하고 가성 소다, 물 및 알코올의 희석 용액으로 차례로 탈지하십시오. 물체가 녹으로 덮인 경우 10-15 % 황산 용액에 미리 담그는 것이 필요합니다.
세척된 제품을 음극으로 사용되는 전해조(작은 수족관 또는 비이커)에 걸 것입니다.
구리 도금을 적용하기 위한 용액은 1리터의 물에 250g의 황산구리와 80-100g의 진한 황산을 함유합니다(주의!). 이 경우 구리판이 양극으로 사용됩니다. 양극의 표면은 코팅된 물체의 표면과 거의 같아야 합니다. 따라서 항상 구리 양극이 음극과 같은 깊이로 수조에 걸려 있는지 확인해야 합니다.
이 공정은 3-4V(2개의 배터리)의 전압과 0.02-0.4A/cm2의 전류 밀도에서 수행될 것이다. 수조의 용액 온도는 18-25 °C여야 합니다.
양극의 평면과 코팅할 표면이 서로 평행하다는 사실에 주의하십시오. 복잡한 모양의 물체는 사용하지 않는 것이 좋습니다. 전기분해의 지속시간을 변화시킴으로써 다른 두께의 구리 코팅을 얻는 것이 가능하다.
예비 구리 도금은 종종 이 층에 다른 금속의 내구성 코팅을 적용하기 위해 사용됩니다. 이것은 특히 철 크롬 도금, 아연 주조 니켈 도금 및 기타 경우에 자주 사용됩니다. 사실, 매우 유독한 시안화물 전해질이 이러한 목적으로 사용됩니다.
니켈도금용 전해질을 제조하기 위해 결정질 황산니켈 25g, 붕산 10g 또는 구연산나트륨 10g을 물 450ml에 녹인다. 구연산나트륨은 10g의 용액을 중화하여 제조할 수 있습니다. 구연산희석된 수산화나트륨 용액 또는 소다 용액. 양극을 가능한 가장 큰 면적의 니켈판으로 하고 배터리를 전압원으로 합니다.
가변 저항의 도움으로 전류 밀도 값은 0.005A/cm 2 와 동일하게 유지됩니다. 예를 들어, 물체 표면이 20cm 2 인 경우 0.1A의 전류 강도에서 작업해야 합니다. 30분 작업 후에 물체는 이미 니켈 도금됩니다. 욕조에서 꺼내 천으로 닦으십시오. 그러나 니켈 도금 공정을 중단하지 않는 것이 좋습니다. 그러면 니켈 층이 부동태화되고 후속 니켈 코팅이 잘 접착되지 않을 수 있기 때문입니다.
기계적 연마 없이 경면 광택을 얻기 위해 도금욕에 소위 광택제를 도입합니다. 이러한 첨가제는 예를 들어 접착제, 젤라틴, 설탕입니다. 예를 들어 몇 그램의 설탕과 같은 니켈 욕조에 들어가 그 효과를 연구할 수 있습니다.
철 크롬 도금을 위한 전해질(예비 구리 도금 후)을 준비하기 위해 40g의 CrO 3 chromic anhydride(주의! 독!)와 정확히 0.5g의 황산(어떤 경우에도 더 이상!)을 100ml의 물에 녹입니다. 이 공정은 약 0.1 A/cm 2 의 전류 밀도에서 진행되며 양극으로 리드 플레이트가 사용되며 그 면적은 크롬 도금 표면의 면적보다 약간 작아야 합니다.
니켈 및 크롬 수조는 약간 가열하는 것이 가장 좋습니다(최대 약 35°C). 특히 공정이 길고 전류 강도가 높은 크롬 도금용 전해질은 건강에 매우 해로운 크롬산을 함유한 증기를 방출한다는 점에 유의하십시오. 따라서 크롬 도금은 통풍이 잘되는 곳이나 야외(예: 발코니)에서 수행해야 합니다.
크롬 도금(및 니켈 도금)에서 모든 전류가 금속 증착에 사용되는 것은 아닙니다. 동시에 수소가 방출됩니다. 일련의 전압을 기준으로 수소 앞에 있는 금속은 수용액에서 전혀 방출되지 않고 오히려 활성이 적은 수소가 방출될 것으로 예상된다. 그러나 여기에서는 금속의 양극 용해의 경우와 같이 수소의 음극 방출이 종종 억제되고 고전압에서만 관찰됩니다. 이 현상을 수소 과전압이라고 하며, 예를 들어 납에서 특히 큽니다. 이러한 상황으로 인해 납 배터리가 작동할 수 있습니다. 배터리가 충전되면 PbO 2 대신 수소가 음극에 나타나야 하지만 과전압으로 인해 배터리가 거의 완전히 충전될 때 수소 발생이 시작됩니다.

화학 교과서에서 "산"이라는 주제를 어떤 형태로든 제시 할 때 소위 변위 시리즈 금속이 언급되며, 그 편집은 종종 Beketov에 기인합니다.

예를 들어, G. E. Rudzitis와 F. G. Feldman은 한때 가장 널리 퍼진 8학년 교과서(1989년부터 1995년까지 총 830만 부 발행)에서 다음과 같이 말합니다. 마그네슘은 산과 빠르게 반응하고(예: 염산 사용), 아연은 약간 더 느리게, 철은 훨씬 더 느리게 반응하고, 구리는 염산과 반응하지 않는다는 경험을 통해 쉽게 확인할 수 있습니다. 교과서의 저자는 "러시아 과학자 N. N. Beketov가 유사한 실험을 수행했습니다."라고 덧붙였습니다. – 실험을 기반으로 그는 K, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb(H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au와 같은 일련의 금속 변위를 수집했습니다. 이 시리즈에서 수소 앞에 있는 모든 금속은 수소를 산에서 대체할 수 있습니다. 또한 Beketov는 "창시자 물리 화학. 1863년 그는 과학자의 이름을 따서 명명된 일련의 금속 변위를 편집했습니다. 다음으로, 학생들은 Beketov 시리즈에서 왼쪽에 있는 금속이 염 용액에서 오른쪽으로 금속을 대체한다고 말합니다. 가장 활동적인 금속은 예외입니다. 유사한 정보는 다른 학교 교과서 및 매뉴얼에서 찾을 수 있습니다. 예: "러시아 화학자 N. N. Beketov는 모든 금속을 조사하고 변위 시리즈(활동 시리즈)에서 화학적 활성에 따라 정렬했습니다."

여기서 몇 가지 질문이 제기될 수 있습니다.

질문 1. 화학자들은 베케토프의 실험 이전(즉, 1863년 이전)에 마그네슘, 아연, 철 및 기타 여러 금속이 산과 반응하여 수소를 방출하는 반면 구리, 수은, 은, 백금 및 금은 이를 가지고 있지 않다는 것을 몰랐습니다. 재산?

질문 2. Beketov 이전의 화학자들은 일부 금속이 염 용액에서 다른 금속을 대체할 수 있다는 사실을 알아차리지 못했습니까?

질문 3. V. A. Volkov, E. V. Vonsky, G. I. Kuznetsov의 책에서 "세계의 뛰어난 화학자. Biographical Reference Book(모스크바: Vysshaya Shkola, 1991)에 따르면 Nikolai Nikolaevich Beketov(1827–1911)는 “러시아의 물리 화학자, 학자… 물리 화학의 창시자 중 한 명… 고온. 합성(1852) 벤즈레이드 및 아세튜리드. 시약의 상태 및 외부 조건에 대한 반응 방향의 의존성에 대한 많은 이론적 조항을 제시 (1865) ... 처음으로받은 알칼리 금속의 산화물 및 염화물 형성 열을 결정했습니다 (1870) ) 알칼리 금속의 무수 산화물. 산화물에서 금속을 복원하는 알루미늄의 능력을 사용하여 그는 aluminothermy의 기초를 마련했습니다 ... 러시아 물리 화학 학회 회장 .... ". 그리고 수백만 부로 출판 된 학교 교과서에 포함 된 변위 시리즈 편집에 대한 단어는 없습니다.

러시아 과학자의 중요한 발견을 잊어 버린 전기 안내서의 저자를 비난하는 것은 거의 필요하지 않습니다. 결국 D. I. Mendeleev는 그의 고전 교과서 "Fundamentals of Chemistry"에서 결코 언급하지 않습니다. 베케토프의 변위 연작은 비록 15회이지만 그의 다양한 작품을 언급하고 있다. 이 모든 질문에 답하기 위해 우리는 화학의 역사로 여행을 떠나 금속의 활동 시리즈를 누가 언제 제안했는지, N. N. Beketov 자신이 수행한 실험과 그의 변위 시리즈가 무엇인지 알아내야 합니다.

처음 두 질문은 다음과 같은 방식으로 답할 수 있습니다. 물론 금속에 의해 산에서 수소가 방출되고, 다양한 예소금에서 서로의 변위는 Beketov가 태어나기 오래 전에 알려졌습니다. 예를 들어, 1783년에 출판된 스웨덴 화학자이자 광물학자인 Thornburn Olaf Bergman의 매뉴얼 중 하나에서는 다금속 광석을 분석할 때 철판을 사용하여 용액에서 납과 은을 대체하는 것이 좋습니다. 광석의 철 함량에 대한 계산을 수행할 때 판에서 용액으로 전달된 부분을 고려해야 합니다. 같은 매뉴얼에서 Bergman은 다음과 같이 씁니다. “금속은 염 용액에서 다른 금속으로 대체될 수 있으며 어느 정도 일관성이 관찰됩니다. 아연, 철, 납, 주석, 구리, 은, 수은 계열에서 아연은 철 등을 대체합니다." 물론 이러한 반응을 처음 발견한 사람은 Bergman이 아니었습니다. 이러한 관찰은 연금술 시대로 거슬러 올라갑니다. 그러한 반응의 가장 유명한 예는 중세 시대에 철 못을 황산구리 용액에 담그면 철 못이 붉은 "금"으로 "변형"하는 것을 공개적으로 시연한 사기꾼에 의해 사용되었습니다. 이제 이 반응은 학교의 화학 수업에서 시연됩니다. 베케토프의 새로운 이론의 본질은 무엇인가? 화학 열역학이 출현하기 전에 화학자들은 어떤 물체가 다른 물체에 대해 친화력이 있다는 개념으로 한 방향 또는 다른 방향으로의 반응 흐름을 설명했습니다. 잘 알려진 변위 반응을 기반으로 하는 동일한 Bergman이 1775년 선택 친화도 이론에서 개발되었습니다. 이 이론에 따르면 주어진 조건에서 두 물질 사이의 화학적 친화력은 일정하게 유지되며 반응물의 상대 질량에 의존하지 않습니다. 즉, 바디 A와 B가 바디 C와 접촉하고 있다면, 더 큰 친화력을 가진 바디가 C와 연결됩니다. 예를 들어, 철은 수은보다 산소에 대한 친화력이 더 크므로 가장 먼저 산화됩니다. 반응의 방향은 오로지 반응체의 화학적 친화력에 의해 결정되며 반응은 끝까지 진행되는 것으로 가정하였다. Bergman은 19세기 초까지 화학자들이 사용했던 화학적 친화도 표를 편집했습니다. 이 표에는 특히 다양한 산과 염기가 포함되었습니다.

Bergman과 거의 동시에 프랑스 화학자 Claude Louis Berthollet은 또 다른 이론을 개발했습니다. 화학적 친화성은 또한 신체가 서로를 끌어당기는 것과 관련이 있었지만 다른 결론이 도출되었습니다. 만유인력의 법칙과 유사하게 Berthollet은 화학에서 인력도 반응하는 물체의 질량에 의존해야 한다고 믿었습니다. 따라서 반응 과정과 그 결과는 시약의 화학적 친화도뿐만 아니라 그 양에 따라 달라집니다. 예를 들어, 물체 A와 B가 C와 반응할 수 있다면, 물체 C는 친화도와 질량에 따라 A와 B 사이에 분포될 것이며, AC, BC 및 자유 상태일 때 평형이 올 것이기 때문에 단일 반응이 끝까지 도달하지 않을 것입니다. A와 B는 동시에 공존하며, A와 B 사이의 C 분포가 A나 B의 과잉에 따라 달라질 수 있다는 점은 매우 중요하다. 그것의 "라이벌"에서. 그러나 반응 생성물(AC 또는 BC) 중 하나가 제거되면 반응이 종료되고 범위를 벗어나는 생성물만 형성됩니다.

Berthollet은 용액에서 침전되는 과정을 관찰하여 결론을 내렸습니다. 이러한 결론은 오래된 용어를 제외하고 놀랍도록 현대적으로 들립니다. 그러나 Berthollet의 이론은 정성적이었고 친화도 값을 측정하는 방법을 제공하지 않았습니다.

이론의 추가 발전은 전기 분야의 발견을 기반으로 이루어졌습니다. 18세기 말 이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타. 다른 금속이 접촉하면 전하가 발생한다는 것을 보여주었습니다. 다양한 금속 쌍으로 실험을 수행하고 다른 금속과 관련하여 일부 금속의 전하의 부호와 크기를 결정하면서 Volta는 Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au와 같은 일련의 전압을 설정했습니다. Volta는 서로 다른 금속 쌍을 사용하여 갈바니 전지를 설계했으며, 이 전지의 강도는 클수록 이 시리즈의 구성원이 더 멀리 떨어져 있었습니다. 그 이유는 당시에 알려지지 않았습니다. 사실, 1797년에 독일 과학자 Johann Wilhelm Ritter는 금속이 산소와 결합하는 능력을 감소시키기 위해 일련의 스트레스를 받아야 한다고 예측했습니다. 아연과 금의 경우 이 결론은 의심의 여지가 없습니다. 다른 금속의 경우 순도가 그리 높지 않기 때문에 Volta 시리즈가 항상 현대에 해당하는 것은 아닙니다.

이 경우에 발생하는 과정의 본질에 대한 이론적인 견해는 매우 모호하고 종종 모순적이었습니다. 19세기 초 스웨덴의 유명한 화학자 Jöns Jakob Berzelius. 전기화학적(또는 이원론적, 위도. dualis - "이중") 화합물 이론. 이 이론에 따르면 각 화합물은 양전하와 음전하의 두 부분으로 구성되어 있다고 가정했습니다. 1811년에 Berzelius는 자신이 알고 있는 원소의 화학적 성질을 기반으로 원소들을 연속적으로 배열하여 각 항이 이전 항에 대해 전기음성, 다음 항에 대해 전기양성을 갖도록 배열했습니다. 축약된 버전에서 다음은 전기 음성 요소에 할당되었습니다(내림차순).

O, S, N, Cl, Br, S, Se P, As, Cr, B, C, Sb, Te, Si.

그런 다음 전이 요소 - 수소, 그 다음 - 양전하 요소 (이 속성을 증가시키는 순서로) :

Au, Pt, Hg, Ag, Cu, Bi, Sn, Pb, Cd, Co, Ni, Fe, Zn, Mn, Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K

이 시리즈는 모든 금속을 역순으로 다시 쓰면 현대에 매우 가깝습니다. 이 시리즈에서 금속 순서의 약간의 차이는 아마도 Berzelius 시대에 물질의 불충분한 정화와 Berzelius가 인도한 금속의 다른 특성 때문일 것입니다. Berzelius에 따르면, 이 계열에서 원소들이 서로 멀리 떨어져 있을수록 더 반대 전하를 띠고 더 내구성이 있어 서로 화합물을 형성합니다.

19세기 중반 베르셀리우스의 이원론. 지배적이었다. 그것의 실패는 열화학의 창시자, 프랑스 과학자 Marcellin Berthelot 및 덴마크 연구원 Julius Thomsen에 의해 보여졌습니다. 그들은 화학 반응이 일으킬 수 있는 일로 화학적 친화성을 측정했습니다. 실제로는 반응열로 측정하였다. 이러한 연구는 화학 열역학의 창안으로 이어졌으며, 특히 전기화학 공정에서의 평형을 포함하여 반응 시스템에서 평형 위치를 계산하는 것을 가능하게 하는 과학입니다. 솔루션에서 활동 시리즈(및 일련의 전압)의 이론적 기초는 다음과 같습니다. 후기 XIX안에. 독일의 물리화학자인 발터 네른스트(Walter Nernst). 특정 반응에 대한 금속 및 그 이온의 친화성 또는 능력과 같은 정성적 특성 대신에, 각 금속이 이온 형태로 용액에 들어가고 이온에서 다음으로 환원되는 능력을 특징으로 하는 정확한 정량적 값이 나타났습니다. 전극에 금속. 이러한 값이 금속의 표준전극전위이며, 전위변화의 순서로 배열된 대응하는 계열을 표준전극전위의 계열이라 한다. (표준 상태는 용액의 이온 농도를 1mol/l, 기체 압력을 1atm으로 가정하며, 가장 흔히 표준 상태는 25°C의 온도에 대해 계산됩니다.)

가장 활성이 높은 알칼리 금속의 표준 전위는 수용액에서 실험적으로 측정하는 것이 불가능하기 때문에 이론적으로 계산되었습니다. 다양한 이온 농도(즉, 비표준 상태)에서 금속의 전위를 계산하기 위해 Nernst 방정식이 사용됩니다. 전극 전위는 금속뿐만 아니라 양이온과 음이온 모두를 포함하는 많은 산화환원 반응에 대해 결정되었습니다. 이를 통해 다양한 조건에서 발생하는 다양한 산화환원 반응의 가능성을 이론적으로 예측할 수 있습니다. 또한 비수용성 용액에서는 금속의 전위가 다르므로 계열의 금속 순서가 크게 변경될 수 있습니다. 예를 들어 수용액에서 구리 전극의 전위는 양(+0.24V)이고 구리는 수소 오른쪽에 있습니다. 아세토니트릴 CH3CN 용액에서 구리 전위는 음(-0.28V)입니다. 즉, 구리는 수소 왼쪽에 있습니다. 따라서 이 용매에서 Cu + 2HCl = CuCl2 + H2 반응이 발생합니다.

이제 세 번째 질문에 답하고 Beketov가 정확히 무엇을 연구했으며 어떤 결론에 도달했는지 알아낼 때입니다.

가장 저명한 러시아 화학자 중 한 명인 N. N. Beketov는 1848년 Kazan 대학을 졸업한 후 N. N. Vinin 연구소의 Medical and Surgical Academy에서 얼마 동안 일했습니다. 상트페테르부르크 대학교, 그리고 1855년부터 1886년까지 - Kharkov 대학에서. 1857년 대학 화학과를 받은 직후 Beketov는 "받은 급여를 초과하는 1년에 천 루블을 임명하여" 1년 동안 해외로 떠났습니다. 당시에는 큰 금액이었습니다. 파리에 머무는 동안 그는 수소에 의한 용액에서 특정 금속의 치환과 아연 증기의 감소 효과에 대한 러시아에서의 초기 연구 결과를 (프랑스어로) 발표했습니다. 파리 화학 학회(Paris Chemical Society)의 회의에서 Beketov는 수소를 사용한 SiCl4 및 BF3 환원에 대한 연구를 보고했습니다. 이것은 Beketov가 1856년에 시작하여 1865년에 완료한 일부 요소를 다른 요소로 대체하는 데 전념한 연구 체인의 첫 번째 링크였습니다.

이미 해외에서 Beketov는 자신에게 주목했습니다. Beketov가 독일에서 만난 D. I. Mendeleev의 말을 인용하는 것으로 충분합니다. 그게 다야 ... 러시아를 존경하는 사람들, 내가 함께해서 기뻐하는 사람들.

1865년 베케토프의 논문 "일부 요소가 다른 요소에 의해 변위되는 현상에 대한 연구"가 Kharkov에 게재되었습니다. 이 작업은 1904년 Kharkov("N. N. Beketov의 과학적 활동 50주년 기념" 컬렉션)와 1955년("N. N. Beketov. Selected Works in Physical Chemistry" 컬렉션)에서 재발행되었습니다.

Beketov의이 작업에 대해 더 자세히 알아 보겠습니다. 두 부분으로 구성되어 있습니다. 첫 번째 부분(6개의 섹션으로 구성됨)은 저자의 실험 결과를 매우 자세하게 보여줍니다. 처음 세 부분은 다양한 압력에서 은과 수은염 용액에 대한 수소의 작용에 대해 설명합니다. Beketov는 일련의 금속에서 수소의 위치와 압력, 온도, 시약 농도와 같은 외부 조건에 대한 반응 방향의 의존성을 찾는 것이 매우 중요한 작업으로 보였습니다. 그는 용액과 건조 물질 모두에서 실험을 수행했습니다. 수소는 고온에서 산화물에서 일부 금속을 쉽게 대체하지만 저온에서는 비활성이라는 것은 화학자들에게 잘 알려져 있습니다. Beketov는 압력이 증가함에 따라 수소의 활성이 증가한다는 것을 발견했으며, 이는 시약의 "더 큰 밀도"(이제 더 높은 압력, 즉 가스 농도)와 관련이 있습니다.

용액에서 금속을 수소로 대체할 가능성을 연구하면서 Beketov는 여러 가지 다소 위험한 실험을 시작했습니다. 화학 역사상 처음으로 Beketov는 100기압이 넘는 압력을 가했습니다. 그는 여러 개의 굴곡(팔꿈치)이 있는 밀봉된 유리관에서 어둠 속에서 실험을 수행했습니다. 한쪽 무릎에는 소금 용액을, 다른 쪽 무릎에는 산성 용액을, 튜브 끝에는 금속 아연 용액을 놓았습니다. 튜브를 기울임으로써 Beketov는 아연이 과잉 섭취된 산에 떨어지게 만들었습니다. 용해된 아연의 질량과 튜브의 부피를 알면 달성된 수소 압력을 추정할 수 있습니다. 일부 실험에서 Beketov는 튜브에 납땜된 얇은 모세관의 액체가 공기를 압축하는 정도에 따라 압력을 지정했습니다. 튜브의 열림은 항상 폭발을 동반했습니다. 압력이 110 기압에 도달한 실험 중 하나에서 튜브를 여는 동안 폭발(전복된 실린더 아래에서 물에서 수행됨)은 부피가 천 배 더 큰 두꺼운 벽으로 된 실린더를 산산조각냈습니다. 시약이 있는 튜브의 부피보다

실험에 따르면 수소의 작용은 압력뿐만 아니라 "금속 용액의 강도", 즉 농도에도 의존합니다. AgCl의 암모니아 용액에서 은의 환원은 약 10기압의 압력에서 아연이 완전히 용해되기 전에도 시작됩니다. 회색 은가루가 벽에 묻은 날. 대기압에서 반응이 관찰되지 않았습니다. 은은 또한 질산염과 황산염으로부터 환원되었고 수소는 대기압에서 은 아세테이트에 작용하였다. 고압에서 수은염에서 금속구를 방출했지만 높은 수소압에서도 구리와 질산납을 환원할 수 없었다. 구리의 환원은 100기압 이하의 압력에서 은과 백금이 존재할 때만 관찰되었습니다. Beketov는 백금을 촉매로 사용하여 공정 속도를 높였습니다. 그는 백금 표면의 수소가 "더 큰 인력을 받기 쉽고 밀도가 가장 높아야" 하기 때문에 백금이 압력보다 특정 금속의 변위에 더 도움이 된다고 썼습니다. 이제 우리는 백금에 흡착된 수소가 금속 원자와의 화학적 상호작용으로 인해 활성화된다는 것을 알고 있습니다.

첫 번째 부분의 네 번째 섹션에서 Beketov는 이산화탄소 실험을 설명합니다. 그는 다른 압력에서 칼슘 아세테이트 용액에 미치는 영향을 연구했습니다. 특정 가스 압력에서 아세트산에 대리석이 용해되는 역반응은 과량의 산으로도 멈춘다는 것을 발견했습니다.

실험 부분의 마지막 섹션에서 Beketov는 고온에서 아연 증기가 바륨, 규소 및 알루미늄 화합물에 미치는 영향을 설명했습니다(그는 그 당시 관례에 따라 후자의 원소를 점토라고 부릅니다). 사염화규소를 아연으로 환원함으로써 Beketov는 충분히 순수한 결정질 규소를 최초로 획득했습니다. 그는 또한 마그네슘이 빙정석(소듐 플루오로알루미네이트 "사내")의 알루미늄과 이산화물의 규소를 환원한다는 것을 발견했습니다. 이 실험에서 알루미늄이 산화물에서 바륨을, 수산화물에서 칼륨을 복원하는 능력도 확립되었습니다. 따라서 알루미늄을 무수 산화 바륨으로 소성 한 후 (융점을 낮추기 위해 염화 바륨을 약간 첨가하여) 합금이 형성되었으며 분석 결과에 따르면 33.3 % 바륨이고 나머지는 알루미늄입니다. 동시에 분말 염화 바륨으로 알루미늄을 여러 시간 소성해도 변화가 없었습니다.

KOH와 알루미늄의 비정상적인 반응은 KOH와 알루미늄 조각이 놓인 닫힌 끝 부분에 구부러진 총신에서 수행되었습니다. 이 끝의 강한 백열과 함께 칼륨 증기가 나타났고 배럴의 차가운 부분에 응축되어 "자주색 불꽃으로 타오르는 부드러운 금속 몇 조각을 얻은 곳"입니다. 루비듐과 세슘은 나중에 비슷한 방식으로 분리되었습니다.

Beketov의 작업의 두 번째 부분은 일부 요소가 다른 요소에 의해 변위된다는 이론에 전념합니다. 이 부분에서 Beketov는 먼저 자신의 데이터와 Breslav 교수 Fischer, Davy, Gay-Lussac, Berzelius, Wöhler를 비롯한 다른 연구원들이 수행한 수많은 실험 데이터를 분석했습니다. 특히 "여러가지 흥미로운 사실영국 화학자 William Odling이 발견한 습식 금속 증착. 동시에 Beketov는 일부 요소가 다른 요소에 의해 변위되는 경우를 고려합니다. 이는 알칼리 금속과 알칼리 토금속이 물과 활발하게 반응하기 때문에 수용액에서 실험적으로 반응을 수행하는 것이 불가능하기 때문에 논리적이었습니다.

그런 다음 Beketov는 요소의 다양한 활동을 설명하기 위해 고안된 그의 이론을 제시합니다. 모든 금속을 비중(밀도)에 따라 일렬로 배열한 Beketov는 알려진 변위 계열과 매우 잘 일치한다는 것을 발견했습니다. "결과적으로," Beketov는 결론을 내립니다. "변위 시리즈에서 ... 금속의 위치는 상당히 정확하게 결정될 수 있으며 말하자면 비중에 의해 미리 예측할 수 있습니다." 약간의 불확실성은 "비중에서 인접한 금속" 사이에서만 관찰됩니다. 따라서 칼륨은 일반적으로 "더 활기찬" 원소이며, 예를 들어 칼륨이 더 휘발성이기는 하지만 소성될 때 NaCl에서 나트륨을 대체합니다. 그러나 역 과정도 알려져 있습니다. 예를 들어, 나트륨은 수산화물과 아세트산염에서 칼륨을 대체할 수 있습니다. Beketov는 "첫 번째 알칼리 그룹과 두 번째 그룹의 금속 비율과 두 번째 그룹의 금속 간의 비율에 대해서는 아직 연구가 거의 이루어지지 않았습니다."라고 씁니다.

Beketov는 더 심각한 어려움에 직면했습니다. 예를 들어, 그는 ZnCl2 용액에서 알루미늄으로 아연을 환원하는 데 성공했고 ZnSO4 용액에서 실패했습니다. 또한 알루미늄은 "철, 니켈, 코발트, 카드뮴을 용액에서 절대 복원하지 않았습니다." Beketov는 알루미늄이 "주로 물에 작용한다"는 사실로 이것을 설명했으며 이러한 반응은 물이 없을 때 진행되어야 한다고 가정했습니다. "건조한 방식"입니다. 실제로, 나중에 Beketov는 그러한 반응을 발견하고 실제로 aluminothermy를 발견했습니다.

또 다른 어려움은 일부 금속이 비중의 규칙에서 벗어났다는 것입니다. 따라서 활동 시리즈의 구리(밀도 8.9)는 이전이 아니라 납 뒤에 위치합니다(밀도 11.4 - Beketov의 밀도 값은 현대의 밀도 값과 약간 다름). 이러한 "이상"으로 인해 Beketov는 활성이 더 높은 납을 덜 활성인 구리로 대체하려고 했습니다. 그는 염화납의 뜨거운 포화 용액 - 중성 및 산성, 산화 납의 암모니아 용액, 건조 산화물 및 염화 납으로 가열 된 구리에 구리 판을 넣었습니다. 모든 실험은 성공하지 못했고 Beketov는 "후퇴 일반 규칙". 다른 "이상"은 은(밀도 10.5)과 납, 은과 수은(밀도 13.5)과 관련이 있습니다. 납과 수은은 모두 염 용액에서 "가벼운" 은을 감소시키기 때문입니다. Beketov는 이 금속이 액체이므로 수은의 활성이 비중 법칙에 따른 것보다 높다는 사실로 수은의 이상을 설명했습니다.

Beketov는 그의 통치를 비금속으로 확장했습니다. 예를 들어, 염소(액체 염소의 밀도 1.33), 브롬(밀도 2.86), 요오드(밀도 4.54) 계열에서 가장 가벼운 원소가 동시에 가장 활동적입니다(불소는 불과 20년 후에 Moissan에서 얻었습니다). O, S, Se, Te 시리즈에서도 동일한 현상이 관찰됩니다. 산소는 가장 활동적이며 화합물에서 나머지 원소를 수소 또는 알칼리 금속으로 쉽게 대체합니다.

Beketov는 자신의 규칙을 역학에 비유하여 설명했습니다. 비중은 입자(즉, 원자)의 질량과 단순한 물질에서 입자 사이의 거리와 관련이 있습니다. 금속의 밀도와 상대 원자 질량을 알면 원자 사이의 상대 거리를 계산할 수 있습니다. 그들 사이의 거리가 멀수록 Beketov에 따르면 화학 과정에서 원자가 더 쉽게 분리됩니다. 이것은 또한 다양한 요소의 상호 "친화성" 및 화합물에서 서로를 대체하는 능력과 관련이 있습니다. 다른 금속의 원자 사이의 상대 거리를 계산하고 칼륨을 표준으로 취하여 Beketov는 K - 100, Na - 80, Ca - 65, Mg - 53, Al - 43 등 백금까지의 값을 얻었습니다.

더 나아가 요약화학 화합물의 상대적인 강도에 관한 Beketov의 이론(즉, 다른 요소를 대체하는 일부 요소의 능력이 이것과 연결됨)은 D. I. Mendeleev의 교과서 "Fundamentals of Chemistry"(현대 용어를 사용하여 1947년 판에서 인용)에서 찾을 수 있습니다. .. N. N. Beketov 교수는 "억압 현상에 대한 조사"(Kharkov, 1865)의 작업에서 저자의 말로 거의 언급 할 특별한 가설을 제안했습니다.

알루미늄 산화물의 경우 Al2O3는 할로겐화물 AlCl3 및 AlI3보다 강합니다. 산화물에서 비율 Al:O = 112:100, 염화물 Al: Cl = 25:100, 요오드화물 Al: I = 7:100. 산화은의 경우 Ag2O(비율 1350:100)는 염화물( Ag: Cl = = 100: 33), 요오드화물이 가장 내구성이 있습니다(Ag: I = 85: 100). 이들 및 유사한 예에서 가장 내구성이 있는 것은 연결 요소의 질량이 거의 동일하게 되는 화합물임을 알 수 있습니다. 따라서 큰 덩어리와 작은 덩어리를 결합하려는 욕구가 있습니다. 예를 들어 Ag2O + 2KI는 K2O + 2AgI를 제공합니다. 때와 같은 이유로 고온 Ag2O, HgO, Au2O3 및 불균일한 질량으로 구성된 유사한 산화물은 분해되지만 경금속 산화물과 물은 쉽게 분해되지 않습니다. 가장 내열성이 높은 산화물 - MgO, CaO, SiO2, Al2O3는 질량 평등 조건에 접근합니다. 같은 이유로 HI는 HCl보다 더 쉽게 분해됩니다. 염소는 MgO, Al2O3에 작용하지 않고 CaO, Ag2O 등에 작용한다.

친화성의 진정한 관계를 이해하기 위해 - Mendeleev는 결론을 내립니다. - Beketov가 제공하는 화학 현상의 기계적 이론에 대한 추가는 여전히 충분하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 많은 화합물의 상대적인 강도를 설명하는 방식에서 가장 중요한 질문에 대한 매우 흥미로운 진술을 볼 수 있습니다. 그러한 시도 없이는 경험적 지식의 복잡한 대상을 파악하는 것이 불가능합니다.

따라서 뛰어난 화학자의 장점을 과소 평가하지 않고 N. N. Beketov의 이론이 이론 화학의 발전에 중요한 역할을했지만 그에게 금속의 상대적 활성 설정을 돌려서는 안된다는 것을 인식해야합니다. 산에서 수소가 치환되는 반응과 이에 상응하는 금속의 활동: 기계적 화학 현상 이론은 화학의 여러 단계 중 하나로 화학 역사에 남아 있습니다.

그렇다면 왜 일부 책에서 베케토프는 자신이 발견하지 못한 것으로 기록되어 있습니까? 이 전통은 다른 많은 사람들과 마찬가지로 1940년대 후반과 1950년대 초반에 나타났을 것입니다. 소련에서 "서구에 대한 불평"과 싸우기 위한 캠페인이 맹위를 떨쳤고 저자들은 과학에서 눈에 띄는 모든 발견을 국내 과학자들에게만 돌리고 외국 저자를 인용하는 것조차 선동으로 간주되어야 했던 20세기 (그 당시 "러시아는 코끼리의 발상지"라는 농담이있었습니다). 예를 들어, M. V. Lomonosov는 19세기 중반에만 발견된 에너지 보존 법칙의 발견으로 인정받았습니다. 다음은 당시 과학사를 보여주는 구체적인 예입니다. Vladimir Orlov의 책 "용감한 생각"(M.: Molodaya Gvardiya, 1953)에서 전기 분야의 발명품은 다음과 같은 말로 설명됩니다. 발명품 ... 미국의 에디슨은 러시아 발명품을 탐욕스럽게 개선하기 시작했습니다 ... 외국 과학자들은 러시아 인민의 천재가 만든 전등을 불구로 만들었습니다 ... 미제국주의자들은 전기를 욕했습니다 ... 그들을 따라 유고슬라비아 파시스트들은 전기를 욕했습니다 빛 ... "- 등. 그 시절의 나쁜 기억에 대한 별도의 메아리는 분명히 일부 교과서에 남아 있었고 폐기해야합니다. 한 화학사가 말했듯이 "로모노소프는 다른 사람들의 발견을 그에게 돌리지 않을 만큼 충분히 위대합니다."

"촛불이 타오르고 있었다..."

양초를 태우는 동안 관찰되는 현상은 어떤 식으로든 영향을 받지 않는 자연법칙이 하나도 없다는 것입니다.

마이클 패러데이. 촛불의 역사

이 이야기는 "실험적 조사"에 관한 것입니다. 화학에서 가장 중요한 것은 실험입니다. 전 세계의 실험실에서 수백만 건의 다양한 실험이 수행되었으며 계속 수행되고 있지만 전문 연구원이 일부 젊은 화학자들과 같은 방식으로 수행하는 것은 극히 드뭅니다. 흥미로운 일이 발생하면 어떻게 될까요? 대부분의 경우 연구자는 명확하게 공식화된 가설을 가지고 실험적으로 확인하거나 반증하려고 합니다. 그러나 이제 경험이 끝났고 결과를 얻었습니다. 가설과 일치하지 않으면 잘못된 것입니다(물론 실험이 올바르게 설정되고 여러 번 재현되는 경우). 동의한다면? 이것은 가설이 정확하고 이론의 범주로 옮길 때라는 것을 의미합니까? 초보 연구원은 가끔 그렇게 생각하지만 경험이 많은 연구원은 결론을 서두르지 않고 얻은 결과를 다른 방식으로 설명 할 수 있는지 여부를 먼저 굳게 생각합니다.

화학의 역사는 그러한 "사고"가 얼마나 유용한지에 대한 수천 가지 예를 알고 있습니다. 다음 세 가지 이야기는 "성공적인" 실험이 가설의 정확성을 증명한다고 믿는 것이 얼마나 위험한지 설명합니다. 때때로 교실에서 그들은 그러한 경험을 보여줍니다. 작은 나무 또는 거품 원이 불타는 양초가 고정 된 물 접시에 뜨는 것이 허용됩니다. 거꾸로 된 유리 병을 촛불로 원으로 내리고 접시 바닥의이 위치에 놓습니다. 잠시 후 촛불이 꺼지고 항아리의 일부가 물로 채워집니다. 이 실험은 공기(산소)의 5분의 1만이 연소를 지원한다는 것을 보여주기로 되어 있습니다. 실제로 얼핏 보기에는 물이 약 5분의 1 정도 높아진 것처럼 보이지만 일반적으로 더 정확한 측정은 이루어지지 않습니다. 언뜻보기에 실험은 간단하고 매우 설득력이 있습니다. 결국 공기 중의 산소는 실제로 부피로 21%입니다. 그러나 화학의 관점에서 볼 때 모든 것이 옳은 것은 아닙니다. 실제로 양초는 파라핀으로 만들어지며 파라핀은 C 조성의 포화 탄화수소로 구성됩니다. N H2 N 18–35개의 탄소로 +2. 연소 반응식은 다음과 같은 일반적인 형태로 쓸 수 있습니다. N H2 N +2 + (3 N+ 1)/2 O2 → N이산화탄소 + ( N+ 1)H2O. 왜냐하면 N크면 산소 앞의 계수는 1.5에 매우 가깝습니다. N(을 위한 N= 18 차이 (3 N+ +1)/2 및 1.5 N 2% 미만일 것입니다. N= 30은 훨씬 적습니다). 따라서 1.5부피의 산소가 소비되면 1부피의 CO2가 방출됩니다. 따라서 캔의 모든 산소 (거기 부피로 0.21)가 소진 된 경우에도 연소 후 대신 0.21 : 1.5 = 0.14 부피의 이산화탄소가 방출되어야합니다. 이것은 물이 항아리의 5분의 1을 전혀 채우지 않아야 함을 의미합니다!

그러나 이 추론이 맞습니까? 결국 이산화탄소는 아시다시피 물에 잘 녹습니다. 아마도 모든 것이 "물에 들어갈" 것입니까? 그러나 이 가스를 녹이는 과정은 매우 느립니다. 이것은 특별한 실험에 의해 보여졌습니다. CO2로 채워진 거꾸로 된 항아리의 순수한 물은 한 시간 안에 거의 상승하지 않습니다. 양초를 사용한 실험은 1분 미만이므로 산소가 완전히 소진되어도 물은 용기 부피의 0.21 - 0.1 = 0.07(약 7%)만 들어갑니다.

하지만 그게 다가 아닙니다. 양초는 항아리에서 모든 산소가 아니라 일부만 "타는" 것으로 나타났습니다. 촛불이 꺼진 공기를 분석한 결과 여전히 16%의 산소가 포함되어 있는 것으로 나타났습니다(흥미롭게도 정상적인 사람이 내쉴 때의 산소 함량은 거의 같은 수준으로 감소합니다). 이것은 물이 항아리에 전혀 들어가지 않아야 함을 의미합니다! 그러나 경험은 그렇지 않다는 것을 보여줍니다. 그것을 설명하는 방법?

가장 간단한 가정: 불타는 양초가 공기를 가열하고 부피가 증가하며 공기의 일부가 항아리에서 나옵니다. 항아리의 공기를 식힌 후 (이것은 매우 빠르게 발생합니다) 압력이 감소하고 외부 대기압의 작용으로 물이 항아리에 들어갑니다. 법에 따르면 이상 기체(그리고 첫 번째 근사의 공기는 이상 기체로 간주될 수 있음) 공기의 부피가 1/5로 증가하려면 온도(절대)도 1/5, 즉 293K(20°)에서 증가해야 합니다. C) 1, 2 293 \u003d 352 K (약 80 ° C). 별로! 60°에서 촛불 불꽃으로 공기를 가열하는 것은 가능합니다. 실험 중에 항아리에서 공기가 나오는지 실험적으로 확인하는 것만 남아 있습니다.

그러나 첫 번째 실험에서는 이 가정을 확인하지 못한 것 같습니다. 따라서 부피가 0.45 l인 입이 넓은 항아리로 수행된 일련의 실험에서 항아리 가장자리 아래에서 공기가 "거덕거리는" 징후가 없었습니다. 또 다른 예상치 못한 관찰: 양초가 타는 동안 항아리의 물은 거의 들어가지 않았습니다.

그리고 촛불이 꺼진 후에야 거꾸로 된 항아리의 수위가 빠르게 올라갔습니다. 그것을 설명하는 방법?

양초가 타는 동안 항아리의 공기가 가열되지만 동시에 부피가 증가하는 것이 아니라 압력이 증가하여 물이 빨려 들어가는 것을 방지한다고 가정할 수 있습니다. 연소가 멈춘 후 항아리 안의 공기는 식고 압력은 떨어지고 물은 올라갑니다. 그러나 이 설명은 적합하지 않습니다. 첫째, 물은 중수은이 아니므로 약간의 압력 증가로 병에서 공기가 빠져나가는 것을 방지합니다. (수은 봉인은 한 때 기체를 연구한 모든 물리학자와 화학자들에 의해 사용되었습니다.) 실제로 물은 수은보다 13.6배 가벼우며 항아리 가장자리와 접시의 물 높이 사이의 물 봉인 높이가 작습니다. . 따라서 압력이 조금만 증가하더라도 필연적으로 밸브를 통해 공기가 "버블링"하게 됩니다.

두 번째 반론은 더욱 심각하다. 접시의 수위가 더 높고 물이 높은 압력으로 항아리에서 뜨거운 공기를 방출하지 않더라도 항아리의 공기가 식은 후에 온도와 압력이 모두 원래 값으로 돌아갑니다. 따라서 공기가 항아리에 들어갈 이유가 없습니다.

수수께끼는 실험 중에 작은 세부 사항을 변경함으로써 만 해결되었습니다. 일반적으로 항아리는 양초 위에 "켜져 있습니다". 아마도 이것이 은행의 공기가 이상한 행동을 하는 이유일까요? 불타는 양초는 가열 된 공기의 위쪽 흐름을 만들고 항아리가 위에서 움직일 때 항아리 가장자리가 물에 닿기 전에 뜨거운 공기가 항아리에서 더 차가운 공기를 밀어냅니다. 그 후, 양초가 타는 동안 항아리의 공기 온도는 거의 변하지 않으므로 공기가 떠나지 않고 내부로 들어 가지 않습니다. 그리고 항아리에있는 뜨거운 공기의 연소와 냉각이 중단 된 후에는 그 안의 압력이 눈에 띄게 감소하고 외부 대기압은 물의 일부를 항아리로 몰아 넣습니다.

이 가정을 테스트하기 위해 여러 실험에서 항아리를 위에서가 아니라 측면에서 양초에 "붙여 놓았"습니다. 항아리 가장자리가 불꽃에 거의 닿아 그 후 빠른 아래쪽 움직임으로 항아리가 접시 바닥에 놓았습니다. 그리고 항아리 가장자리 아래에서 즉시 기포가 빠르게 나오기 시작했습니다! 당연히 양초의 연소가 멈춘 후 물은 이전 실험과 거의 같은 수준으로 안쪽으로 빨려 들어갔습니다.

따라서 양초를 사용한 이 실험은 공기의 구성을 어떤 식으로든 설명할 수 없습니다. 그러나 그는 반복한다 명언위대한 물리학자, 서사시로 표현됨.

균형에 가까워지는 중...

가스도 가열되는 실험에 대한 잘못된 설명을 한 번 더 고려해 보겠습니다. 이 설명은 인기 있는 화학 기사와 심지어 대학 교과서에도 등장했습니다. 따라서 일반 화학에 대한 많은 외국 교과서에는 아름다운 실험이 설명되어 있으며 그 본질은 Noel Waite의 교과서 "Chemical Kinetics"의 인용문으로 설명합니다. 이완법. 1967년 저자에게 수여된 Eigen 방법 노벨상화학에서는 이완법이라고 합니다. 반응 시스템은 특정 조건에서 평형 상태에 도달합니다. 이러한 조건(온도, 압력, 전기장)은 평형이 이동하는 것보다 빠르게 위반됩니다. 시스템은 다시 균형을 이루지만 지금은 새로운 조건에 있습니다. 이것을 "새로운 평형 위치로의 이완"이라고 합니다. 이완이 일어나는 동안 시스템의 일부 속성의 변화가 모니터링됩니다 ...

이완 현상을 보여주는 실험.

어떤 경우에는 평형 상태가 새로운 조건에서 너무 느리게 확립되어 기존 실험실 장비의 도움으로 농도 변화를 따를 수 있으므로 이완 현상을 관찰할 수 있습니다. 예를 들어, 이산화질소(암갈색 기체)가 이량체(무색 기체)로의 전환을 고려하십시오.

유리 가스 주사기를 약 80cm3의 가스로 채웁니다. 주사기의 플런저를 빠르게 누르고 가스를 50-60cm3로 압축합니다. 가스의 색상이 변경되었는지 확인합니다. 먼저 NO2의 농도가 증가함에 따라 가스가 빠르게 어두워지지만, 그 다음에는 천천히 밝아질 것입니다. 고압 N2O4의 형성에 기여하고 새로운 외부 조건에서 평형에 도달합니다.

많은 교과서에서 Le Chatelier의 원리를 설명하기 위해 비슷한 설명이 제공됩니다. 기체 압력이 증가하면 평형은 분자 수의 감소 쪽으로 이동합니다. 이 경우에는 무색 N2O4 이합체 쪽으로 이동합니다. 텍스트에는 세 가지 컬러 사진이 함께 제공됩니다. 그들은 압축 직후에 초기 황갈색 혼합물이 어떻게 짙은 갈색이되는지 보여주고 몇 분 후에 찍은 세 번째 사진에서 주사기의 가스 혼합물이 눈에 띄게 밝아집니다.

때때로 저울이 이 시간 동안 움직일 시간이 없도록 피스톤을 가능한 한 빨리 눌러야 한다고 덧붙입니다.

언뜻 보기에 이 설명은 매우 설득력 있어 보입니다. 그러나 주사기의 프로세스에 대한 정량적 조사는 모든 결론을 완전히 반박합니다. 사실은 이산화질소 NO2와 이량체(사산화질소) N2O4 사이의 표시된 평형이 100만분의 1초로 매우 빠르게 설정된다는 것입니다! 따라서 이 평형이 설정되는 것보다 더 빨리 주사기의 가스를 압축하는 것은 불가능합니다. 폭발의 도움으로 강철 "주사기"의 피스톤을 움직이더라도 관성으로 인해 피스톤이 움직일 때 평형이 확립될 시간이 있을 가능성이 큽니다. 이 실험에서 관찰된 현상을 달리 어떻게 설명할 수 있습니까? 물론 부피가 감소하고 그에 따라 가스 농도가 증가하면 색상이 증가합니다. 하지만 이건 아니다 주된 이유. 핸드 펌프로 자전거 튜브를 부풀려 본 사람은 펌프(특히 알루미늄 펌프)가 매우 뜨거워진다는 것을 알고 있습니다. 펌프 튜브의 피스톤 마찰은 그것과 아무 관련이 없습니다. 이것은 펌프의 공기가 압축되지 않을 때 몇 번의 공회전 스윙을 함으로써 쉽게 확인할 수 있습니다. 가열은 소위 단열 압축의 결과로 발생합니다. 열이 주변 공간에서 발산할 시간이 없을 때입니다. 이것은 질소 산화물의 혼합물이 압축될 때 또한 가열되어야 함을 의미합니다. 그리고 가열될 때, 이 혼합물의 평형은 이산화물 쪽으로 강하게 이동합니다.

혼합물을 압축하면 얼마나 뜨거울까요? 펌프에서 공기 압축의 경우 가열은 단열 방정식을 사용하여 쉽게 계산할 수 있습니다. 이상 기체: TVγ–1 = const, 여기서 티가스 온도(켈빈 단위), V부피, γ = CP / 이력서일정 압력에서 기체의 열용량과 일정 부피에서의 열용량의 비율입니다. 단원자(귀족) 가스의 경우 γ = 1.66, 이원자(공기도 이에 속함) γ = 1.40, 삼원자(예: NO2)의 경우 γ = 1.30 등 공기에 대한 단열 방정식, 부피 1에서 압축 가능 볼륨 2는 다음과 같이 다시 쓸 수 있습니다. 티 2/ 티 1 = (V 1/ V 2)γ-1. 피스톤이 펌프의 중앙으로 급격히 밀리면 공기의 양이 반으로 줄어들 때 압축 전후의 온도 비율에 대해 방정식을 얻습니다. 티 2/ 티 1 = = 20.4 = 1.31. 그리고 만약 티 1 \u003d 293K(20°C), 그런 다음 티 2 = 294K(111°C)!

압축 직후의 질소 산화물 혼합물의 상태를 계산하기 위해 이상기체 방정식을 직접 적용하는 것은 불가능합니다. 이 과정에서 압축 과정에서 부피, 압력 및 온도 변화뿐만 아니라 몰수(NO2 N2O4 비율)도 발생하기 때문입니다. 화학 반응. 문제는 움직이는 피스톤이 각 순간에 수행한 작업이 한편으로는 혼합물을 가열하고 다른 한편으로는 이량체의 해리. N2O4의 해리 에너지, 두 가스의 열용량, γ 값 및 온도에 대한 평형 위치의 의존성이 알려져 있다고 가정합니다(이 모든 것은 표 데이터임). 계산에 따르면 대기압 및 실온에서 가스의 초기 혼합물이 부피의 절반으로 빠르게 압축되면 혼합물은 13°C만 가열됩니다. 혼합물을 부피가 3배 감소하도록 압축하면 온도가 21°C 증가합니다. 그리고 혼합물을 약간 가열해도 평형 위치가 N2O4의 해리 쪽으로 강하게 이동합니다.

그러면 속도가 느려집니다. 가스 혼합물, 이것은 실험에서 관찰되는 N2O4로의 평형의 느린 이동과 색상의 약화를 유발합니다. 냉각 속도는 주사기 벽의 재질, 두께 및 실내 통풍과 같은 주변 공기와의 기타 열교환 조건에 따라 다릅니다. 평형이 오른쪽으로 점진적으로 이동하여 N2O4를 향하여 열이 방출되면서 NO2 분자의 이량체가 발생하여 혼합물의 냉각 속도가 감소한다는 점은 중요합니다(대형 저수지의 물이 어는 것과 유사). 겨울의 시작은 기온이 급격히 떨어지는 것을 허용하지 않습니다).

실험자들 중 누구도 플런저를 밀어 넣었을 때 주사기의 가열을 느끼지 못한 이유는 무엇입니까? 대답은 매우 간단합니다. 기체 혼합물과 유리의 열용량(단위 질량당)은 크게 다르지 않습니다. 그러나 유리 피스톤의 질량은 가스의 질량보다 수십 배, 때로는 수백 배 더 큽니다. 따라서 냉각 가스 혼합물의 모든 열이 주사기의 벽으로 전달되더라도 이 벽은 몇 분의 1 정도만 가열됩니다.

두 질소 산화물 사이의 평형을 고려한 시스템도 실제적으로 중요합니다. 낮은 압력에서 NO2와 N2O4의 혼합물은 쉽게 액화됩니다. 이것은 높은 화학적 활성과 장비에 대한 부식 영향에도 불구하고 효과적인 냉각제로 사용할 수 있습니다. 물과 달리 열에너지예를 들어, 원자로에서 나오는 열은 매우 뜨겁고 심지어 증발할 수도 있습니다. 질소 산화물 혼합물로의 열 전달은 주로 가열이 아니라 화학 반응을 일으켜 N2O4 분자의 N-N 결합을 끊습니다 . 실제로, 가열하지 않고 물질 1몰(92g)에서 N-N 결합을 끊으려면 57.4kJ의 에너지가 필요합니다. 이러한 에너지가 20 ° C의 온도에서 92g의 물에 전달되면 30.8kJ는 물을 끓일 때까지 가열하고 나머지 26.6kJ는 약 11g의 물을 증발시킵니다! 질소 산화물의 경우 혼합물은 많이 가열되지 않으며, 설비의 더 추운 장소에서는 순환 혼합물이 약간 냉각되고 평형이 N2O4로 이동하고 혼합물이 다시 열을 받을 준비가 됩니다.

금속의 전기화학적 활성 계열 (전압 범위, 표준 전극 전위 범위) - 금속 양이온 환원 반쪽 반응 Me n+ 에 해당하는 표준 전기화학적 전위 φ 0 가 증가하는 순서로 금속이 배열되는 순서 : Me n+ + nē → Me

많은 응력이 수용액에서 산화환원 반응에서 금속의 비교 활성을 특징짓습니다.

이야기

화학 활성이 변화하는 순서로 금속의 순서 일반적으로이미 연금술사들에게 알려져 있습니다. 용액에서 금속을 상호 변위시키는 과정과 표면 침전 (예를 들어, 철에 의한 염 용액에서 은과 구리의 변위)은 원소 변환의 징후로 간주되었습니다.

나중에 연금술사들은 용액에서 금속이 상호 침전되는 화학적 측면을 이해하는 데 가까워졌습니다. 그래서 Angelus Sala는 Anatomia Vitrioli(1613)에서 제품이 화학 반응원래 물질에 포함된 동일한 "구성 요소"로 구성됩니다. 그 후, Robert Boyle은 미립자 표현을 기반으로 한 금속이 용액에서 다른 금속을 대체하는 이유에 대한 가설을 제안했습니다.

고전 화학 형성 시대에 화합물에서 서로를 대체하는 원소의 능력은 이해의 중요한 측면이되었습니다. 반동. J. Berzelius는 전기화학적 친화성 이론에 기초하여 원소 분류를 구축하여 "준금속"(지금은 "비금속"이라는 용어가 사용됨)과 "금속"으로 나누고 그 사이에 수소를 넣습니다.

1860년대와 그 이후 몇 년 동안 N. N. Beketov는 화학자들에게 오랫동안 알려진 서로를 대체하는 능력에 따른 금속의 순서를 특히 철저하고 종합적으로 연구하고 보완했습니다. 이미 1859년에 그는 "일부 요소가 다른 요소에 의해 변위되는 현상에 대한 연구"라는 주제로 파리에서 보고서를 작성했습니다. 이 작업에서 Beketov는 요소의 상호 변위와 원자량 간의 관계에 대한 여러 일반화를 포함하여 이러한 프로세스를 " 초기의 화학적 특성원소 - 화학적 친화성이라고 하는 것에 의해» . Beketov는 압력 하에서 수소에 의해 염 용액에서 금속이 변위된다는 것을 발견하고 고온에서 알루미늄, 마그네슘 및 아연의 환원 활성에 대한 연구(metallothermy)를 통해 일부 물질의 능력 사이의 관계에 대한 가설을 제시할 수 있었습니다. 밀도가 있는 화합물에서 다른 요소를 대체하는 요소: 더 가벼운 단순 물질은 더 무거운 물질을 대체할 수 있습니다(따라서 이 시리즈는 종종 베케토프 변위 시리즈, 또는 단순히 베케토프 시리즈).

금속 활동의 수에 대한 현대적인 아이디어의 개발에서 Beketov의 중요한 장점을 부인하지 않고 국내 대중과 교육 문학그가 이 시리즈의 유일한 창작자라는 생각. 19세기 말에 얻은 수많은 실험 데이터는 베케토프의 가설을 반증했습니다. 따라서 William Odling은 "활동 역전"의 많은 경우를 설명했습니다. 예를 들어, 구리는 SnCl 2 의 농축된 산성 용액에서 주석을, PbCl 2 의 산성 용액에서 납을 대체합니다. 또한 수소 방출과 함께 진한 염산에 용해될 수 있습니다. 구리, 주석 및 납은 카드뮴의 오른쪽에 있지만 끓는 약간 산성화된 CdCl 2 용액에서 이를 대체할 수 있습니다.

이론 및 실험 물리 화학의 급속한 발전은 금속의 화학적 활성의 차이에 대한 또 다른 이유를 지적했습니다. 현대적인 전기화학 개념의 발전(주로 Walter Nernst의 작품)과 함께 이 순서는 표준 전극 전위 값에 따른 금속 배열인 "일련의 전압"에 해당한다는 것이 분명해졌습니다. 따라서 Nerst는 질적 특성(금속 및 그 이온의 특정 반응에 대한 "경향") 대신에 각 금속이 이온 형태로 용액에 들어가고 이온을 전극의 금속으로, 해당 시리즈의 이름을 다수의 표준 전극 전위.

이론적 근거

전기화학적 전위의 값은 많은 변수의 함수이므로 주기율표에서 금속의 위치에 대한 복잡한 의존성을 나타냅니다. 따라서 양이온의 산화 포텐셜은 금속의 원자화 에너지 증가, 원자의 총 이온화 포텐셜 증가, 양이온의 수화 에너지 감소에 따라 증가합니다.

가장 일반적인 형태에서 기간의 시작 부분에 있는 금속은 낮은 전기화학적 전위 값을 특징으로 하며 전압 계열의 왼쪽에 위치합니다. 동시에 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 교대는 대각선 유사성 현상을 반영합니다. 기간의 중간에 더 가깝게 위치한 금속은 다음과 같은 특징이 있습니다. 큰 값잠재력과 행의 오른쪽 절반에 자리를 차지합니다. 전기화학적 전위의 일관된 증가(Eu 2+ /Eu 쌍의 경우 -3.395V에서 [ ] ~ +1.691V(Au + /Au 쌍)는 금속의 환원 활성(전자를 제공하는 능력)의 감소와 양이온의 산화 능력(전자를 부착하는 능력)의 증가를 반영합니다. 따라서 가장 강한 환원제는 유로퓸 금속이고 가장 강한 산화제는 금 양이온 Au+이다.

금속의 전기화학적 전위의 실제 측정은 표준 수소 전극을 사용하여 수행되기 때문에 수소는 전통적으로 전압 계열에 포함됩니다.

다양한 전압의 실제 사용

염 및 산 수용액과의 반응에서 금속의 화학적 활성에 대한 비교[상대적] 평가와 전기분해 동안 음극 및 양극 공정을 평가하기 위해 실제로 여러 전압이 사용됩니다.

수소의 왼쪽에 있는 금속은 오른쪽에 있는 금속보다 더 강한 환원제입니다. 수소는 염 용액에서 후자를 대체합니다. 예를 들어 Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu 상호작용은 순방향으로만 가능합니다.
수소 왼쪽에 있는 금속은 비산화성 산 수용액과 상호작용할 때 수소를 대체합니다. 가장 활동적인 금속(알루미늄까지 포함) - 그리고 물과 상호 작용할 때.
수소 오른쪽에 있는 금속은 정상적인 조건에서 비산화성 산 수용액과 상호 작용하지 않습니다.
전기분해 동안 수소의 오른쪽에 있는 금속이 음극에서 방출됩니다. 중간 활성 금속의 감소는 수소 방출을 동반합니다. 가장 활성이 높은 금속(알루미늄까지)은 정상적인 조건에서 염 수용액에서 분리할 수 없습니다.

금속의 전기화학적 전위 표

양이온	φ 0 , V	반동	전기분해(음극에서):
리 +	-3,0401	물과 반응	수소가 방출된다
CS +	-3,026
Rb+	-2,98
케이+	-2,931
에프+	-2,92
Ra2+	-2,912
바 2+	-2,905
Sr2+	-2,899
칼슘2+	-2,868
EU 2+	-2,812
나+	-2,71
SM 2+	-2,68
Md2+	-2,40	산 수용액과 반응
라 3+	-2,379
Y 3+	-2,372
마그네슘2+	-2,372
Ce 3+	-2,336
개인 3+	-2,353
3+	-2,323
어 3+	-2,331
호 3+	-2,33
Tm3+	-2,319
SM 3+	-2,304
오후 3시 이상	-2,30
FM 2+	-2,30
다이 3+	-2,295
루 3+	-2,28
Tb 3+	-2,28
하나님 3+	-2,279
에스 2+	-2,23
AC 3+	-2,20
다이 2+	-2,2
오후 2시 이상	-2,2
cf2+	-2,12
Sc 3+	-2,077
오전 3시 이상	-2,048
cm 3+	-2,04
Pu3+	-2,031
어 2+	-2,0
개인 2+	-2,0
EU 3+	-1,991
Lr 3+	-1,96
참조 3+	-1,94
에스 3+	-1,91
Th4+	-1,899
에프엠 3+	-1,89
Np 3+	-1,856
2+가 되십시오	-1,847
유 3+	-1,798
알 3+	-1,700
MD 3+	-1,65
티 2+	-1,63		경쟁 반응: 수소 발생과 순수 금속 발생 모두
4+	-1,55
Zr4+	-1,53
아빠 3+	-1,34
티 3+	-1,208
Yb 3+	-1,205
아니 3+	-1,20
티 4+	-1,19
망간2+	-1,185
V2+	-1,175
Nb 3+	-1,1
Nb 5+	-0,96
V 3+	-0,87
Cr2+	-0,852
Zn2+	-0,763
Cr3+	-0,74
Ga3+	-0,560