Ряд активности металлов: задачи и решения

Ряд активности металлов - это упорядоченный список элементов по убыванию их способности отдавать электроны и вступать в реакции замещения. На ЕГЭ и в вузовских задачах он нужен постоянно: чтобы определить, вытеснит ли один металл другой из раствора соли, среагирует ли металл с кислотой, и как посчитать ЭДС гальванической пары. Разберём алгоритм решения каждого типа задач и самые частые ошибки - а начнём с интерактивного калькулятора, который позволяет сразу проверить любую пару металлов.

Что такое ряд активности и как его читать

Ряд активности металлов (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) располагает металлы в порядке возрастания стандартного электродного потенциала $\varphi^\circ$, измеренного относительно стандартного водородного электрода (СВЭ, $\varphi^\circ = 0$ В). Полный список от лития до золота:

$$\text{Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb} \underbrace{|}_{\varphi^\circ=0} \text{H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au}$$

Металлы левее водорода имеют отрицательный электродный потенциал - они активнее, легче окисляются (отдают электроны). Металлы правее водорода имеют положительный потенциал - они менее активны и в обычных условиях не реагируют с разбавленными кислотами.

Главное правило: более активный металл вытесняет менее активный из раствора соли. Или: металл, стоящий левее, вытесняет металл, стоящий правее. Формально: реакция идёт, если $\varphi^\circ$(A) < $\varphi^\circ$(B), то есть металл A стоит левее металла B в ряду.

Рассчитать для своей задачи

Реакции вытеснения: алгоритм решения

Для задач типа «определи, произойдёт ли реакция металла A с солью металла B» используй трёхшаговый алгоритм.

Шаг 1. Найди оба металла в ряду активности и сравни их положение.

Шаг 2. Если металл A стоит левее металла B - реакция идёт, A вытесняет B из соли.

Шаг 3. Запиши уравнение реакции: $A + B^{n+} \rightarrow A^{n+} + B$.

Пример: железный гвоздь в растворе $\text{CuSO}_4$.

Железо (Fe) стоит левее меди (Cu): $\varphi^\circ(\text{Fe}) = -0{,}440$ В, $\varphi^\circ(\text{Cu}) = +0{,}340$ В. Реакция идёт:

$$\text{Fe} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{Cu}$$

В ионном виде: $\text{Fe}^0 + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{Cu}^0$.

Обрати внимание: железо в этой реакции переходит в $\text{Fe}^{2+}$ (не $\text{Fe}^{3+}$), потому что реакция идёт в разбавленном растворе соли меди без участия сильных окислителей.

Рассчитать для своей задачи

Реакции металлов с кислотами

Ещё один распространённый тип задач - определить, реагирует ли металл с разбавленной кислотой (HCl или $\text{H}_2\text{SO}_4$ разб.).

Правило: металл вытесняет водород из разбавленной кислоты, если стоит левее водорода в ряду активности (то есть имеет отрицательный стандартный потенциал).

Пример для задач ЕГЭ: какие из металлов Cu, Zn, Ag, Al реагируют с разбавленной $\text{HCl}$?

• Цинк ($\varphi^\circ = -0{,}762$ В) - левее H, реагирует: $\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$
• Алюминий ($\varphi^\circ = -1{,}662$ В) - левее H, реагирует: $2\text{Al} + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\uparrow$
• Медь ($\varphi^\circ = +0{,}340$ В) - правее H, не реагирует с разбавленной HCl
• Серебро ($\varphi^\circ = +0{,}799$ В) - правее H, не реагирует с разбавленной HCl

Исключение: концентрированная $\text{H}_2\text{SO}_4$ и концентрированная $\text{HNO}_3$ реагируют с металлами правее водорода (Cu, Ag) по иному механизму - через сильный окислитель, не через вытеснение водорода. В задачах про ряд активности речь идёт только о разбавленных кислотах.

Гальванический элемент: расчёт ЭДС

Гальванический элемент - это устройство, в котором самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция превращается в электрический ток. Разность стандартных потенциалов электродов даёт ЭДС элемента:

$$\varepsilon^\circ = \varphi^\circ_{\text{катод}} - \varphi^\circ_{\text{анод}}$$

На аноде идёт окисление (более активный металл, меньший потенциал), на катоде - восстановление (менее активный металл, больший потенциал).

Классический пример - элемент Якоби (медно-цинковый):

• Анод: Zn ($\varphi^\circ = -0{,}762$ В) - цинк растворяется: $\text{Zn}^0 - 2e^- \rightarrow \text{Zn}^{2+}$
• Катод: Cu ($\varphi^\circ = +0{,}340$ В) - медь осаждается: $\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}^0$
• ЭДС: $\varepsilon^\circ = 0{,}340 - (-0{,}762) = 1{,}102$ В

Суммарное уравнение: $\text{Zn} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{Cu}$.

ЭДС всегда положительна для самопроизвольной реакции. Если ЭДС < 0 - вы перепутали анод и катод. Используй калькулятор выше, чтобы сразу проверить любую пару - диаграмма покажет потенциалы и ЭДС в одном месте.

Коррозия металлов через ряд активности

Электрохимическая коррозия - это не что иное, как самопроизвольная работа гальванического элемента, только нежелательная. Если два разных металла контактируют во влажной среде, образуется гальваническая пара: более активный металл (анод) окисляется и разрушается, менее активный (катод) защищается.

Примеры из задач:

• Железо и медь во влажной среде: Fe ($\varphi^\circ = -0{,}440$ В) - анод, разрушается; Cu ($\varphi^\circ = +0{,}340$ В) - катод, не трогается. Именно поэтому медные заклёпки на стальном корпусе - плохая идея.
• Цинковое покрытие на железе (оцинковка): Zn ($\varphi^\circ = -0{,}762$ В) более активен, чем Fe ($\varphi^\circ = -0{,}440$ В). При нарушении покрытия цинк жертвует собой - окисляется вместо железа. Это протекторная защита.
• Оловянное покрытие (консервная банка): Sn ($\varphi^\circ = -0{,}138$ В) правее Fe в ряду. При нарушении покрытия железо становится анодом и ускоренно корродирует - поэтому вскрытые консервы нельзя хранить в жестяной таре.

Частые ошибки

• Путают «левее» и «правее». Запомни: более активный металл стоит левее (потенциал ниже, более отрицательный). Вытеснение идёт «слева направо»: менее отрицательный потенциал у того, кого вытесняют.
• Не переходят к ионным уравнениям. В задачах ЕГЭ требуется краткое ионное уравнение, а не только молекулярное. При вытеснении металла из соли соль диссоциирует, а осаждённый металл записывается атомами.
• Забывают про условие «разбавленная кислота». Cu и Ag не реагируют с разбавленной HCl, но реагируют с концентрированной $\text{HNO}_3$ или горячей концентрированной $\text{H}_2\text{SO}_4$. Эти реакции не описываются рядом активности.
• Неверный знак при расчёте ЭДС. Всегда: $\varepsilon = \varphi_{\text{катод}} - \varphi_{\text{анод}}$. Анод - более активный (потенциал меньше), катод - менее активный (потенциал больше). Если вышло отрицательное число - проверь, не перепутал ли анод и катод.
• Игнорируют пассивацию. Алюминий, хром и некоторые другие металлы на практике покрыты оксидной плёнкой - это ограничивает их реакционность. В теоретических задачах на ряд активности пассивацию обычно не учитывают, но в лабораторном контексте её стоит помнить.

FAQ

Почему медь не вытесняет водород из разбавленной кислоты, хотя в концентрированной кислоте реагирует? В разбавленной HCl или $\text{H}_2\text{SO}_4$ окислителем выступает ион $\text{H}^+$ со стандартным потенциалом 0 В. Медь ($\varphi^\circ = +0{,}340$ В) стоит правее водорода, значит, самопроизвольного окисления меди ионами $\text{H}^+$ не происходит. В концентрированной $\text{HNO}_3$ окислителем является ион $\text{NO}_3^-$ (потенциал гораздо выше), и реакция идёт уже по другому механизму.

Можно ли применять ряд активности к расплавам и неводным средам? Ряд активности (ряд напряжений) построен для водных растворов при стандартных условиях (25 °C, активность 1 моль/л). В расплавах и неводных средах соотношение активности металлов может отличаться, поэтому прямое применение ряда там не всегда правомерно. Для задач ЕГЭ и первых курсов вуза используется водный стандарт.

Как ряд активности связан с электролизом? При электролизе реакция вынуждается внешним током - она может идти и против термодинамически выгодного направления. На катоде при электролизе смеси солей сначала восстанавливается металл с наибольшим электродным потенциалом (наименее активный). На аноде первым окисляется металл с наименьшим потенциалом. Ряд активности помогает предсказать порядок разряда ионов при электролизе.

Коротко

Ряд активности металлов - инструмент для прогноза трёх типов реакций: вытеснения одного металла другим из раствора соли, вытеснения водорода из разбавленных кислот и расчёта ЭДС гальванических элементов. Правило одно: реакция идёт, если металл-восстановитель стоит левее (потенциал ниже) металла-окислителя. ЭДС гальванической пары равна разности потенциалов катода и анода. Знание этих принципов закрывает большой блок задач по электрохимии как в ЕГЭ, так и в университетском курсе.