Михаил Бармин - Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач

Растворение металлов.

Образование двойного электрического слоя.

Растворимость одного вещества в другом – свойство, присущее всем веществах. Растворимость может быть неограниченной и крайне малой, что зависит от термодинамических свойств растворяемого вещества и растворителя. Даже при чрезвычайно малой растворимости одного вещества в другом всегда имеет место переход веществ через поверхность их контакта. Любой металл растворяется в воде, однако, растворимость в ряду металлов изменяется в очень широких пределах. Например, щелочные металлы бурно взаимодействуют с водой, при этом из воды образуется водород, а в растворе – гидроксиды металлов:

2M + 2H2O → 2MOH + H2 + Q

Серебро практически не реагирует с водой, тем не менее, процесс перехода частиц серебра в воду происходит, и получается так называемая “серебряная вода”. Таким образом, одни металлы активно растворяются в воде, другие – крайне мало.

Ответ на вопрос, чем обусловлена различная растворимость металлов в воде, дает отрасль химической науки – электрохимия.

Рассмотрим особую группу гетерогенных процессов – электрохимические реакции, протекающие на границе раздела фаз, в частности металл – вода (или раствор соли металла). Эти реакции характеризуются переносом заряда и вещества через границу раздела фаз твердое вещество – жидкость.

Из медной пластинки -Cu2+ ионы переходят в воду. При этом

кристаллической решетке металла окажется избыток электронов и пластина приобретает отрицательный заряд. Между отрицательно заряженной пластиной и перешедшими в раствор положительными ионами возникает электростатическое притяжение, что препятствует дальнейшему переходу ионов меди в раствор, т.е. процесс растворения металла прекращается.

Одновременно развивается противоположный процесс: ионы меди из раствора, подойдя к поверхности пластины, принимают от нее электроны и переходят в нейтральное состояние.

Через некоторое время устанавливается состояние динамического равновесия, при котором скорость перехода ионов из металла в раствор равна скорости разряжения ионов из раствора на металле.

При контакте металла с раствором его соли , эти две со-прикасающиеся фазы приобретают противоположные заряды,

результате на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой и между металлом и раствором возникает разность электрических потенциалов. Система, состоящая из электрического проводника и раствора (или расплава) электролита, в который погружен проводник, называется электродом.

Так, медная пластина, опущенная в водный раствор СuSО4 – типичный электрод.

Состояние равновесия электродного процесса определяется электродным потенциалом E представляющим собой разность потенциалов на границе металл – электролит. Непосредственно измерить абсолютное значение электродного потенциала нельзя, но его можно определить сравнением с известным потенциалом другого электрода при стандартных условиях –

электрода сравнения. В качестве электрода сравнения применяют водородный электрод.

Водородный электрод. Схема гальванического элемента (Сu/H2). Стандартный электродный потенциал.

Водородный электрод представляет собой платиновую плас-тину, опущенную в раствор кислоты (обычно HCl или Н2SО4, через который пропускается газообразный водород

Рис. 1 – Принципиальная схема водородного электрода

Действие этого электрода соcтоит в следующем:

Рис. 2 – Схема гальванического элемента, состоящего из медного и водородного электродов

Газообразный водород не проводит электрического тока, но, адсорбируясь в водном растворе на поверхности платины, ведет себя как электрод, аналогичный металлическому. Для увеличения адсорбирующей способности платину покрывают слоем губчатой платины (платиновой чернью). Платиновую пласти-ну опускают в раствор кислоты (обычно HCl или Н2SО4) с концентрацией (активностью) ионов водорода, равной единице, и через раствор пропускают водород так, чтобы происходило непрерывное соприкосновение поверхности пластины с раствором и водородом. В результате платина насыщается водородом. Молекула водорода в адсорбированном состоянии распадается на атомы, которые ионизируются (Н – ē → Н+), и ионы Н+ переходят в раствор подобно ионам металла. Одновременно ионы водорода из раствора, находящиеся вблизи поверхности платины, принимают электроны (Н+ + ē → H). Между этими процессами устанавливается равновесие, которое в упрощенной форме можно передать уравнением: Н+ + ē = 1/2H2.