§ 17. Химические источники тока. Электрохимический ряд напряжений металлов

Определения и обозначения

Химический источник тока — устройство, в котором энергия химических реакций превращается в электрическую. Оно нужно, чтобы получать электрический ток без подключения к электросети, например в батарейке или аккумуляторе.

Гальванический элемент — источник тока, в котором электрический ток возникает при окислительно-восстановительной реакции между электродами. Такой элемент позволяет использовать энергию реакции для движения электронов по внешней цепи.

Электрохимический ряд напряжений металлов — расположение металлов в порядке изменения их химической активности и способности отдавать электроны. Сравнивая места металлов в ряду, можно предсказать направление некоторых реакций замещения.

Электрод — проводник, через который электроны поступают в электрическую цепь или уходят из неё. В гальваническом элементе на поверхности электрода происходит отдача или присоединение электронов, поэтому электроды связывают химическую реакцию с током.

Как это устроено

Окислительно-восстановительная реакция включает два связанных процесса: одни частицы отдают электроны, другие их присоединяют. Если оба процесса происходят в одном месте, электроны сразу переходят от одних частиц к другим и не проходят по внешней цепи. Если же процессы разделить между электродами, электронам приходится двигаться через проводник, и это движение становится электрическим током.

В элементе из двух разных металлов более активный металл легче отдаёт электроны. Его атомы переходят в раствор в виде положительных ионов, оставляя электроны на электроде: металл окисляется. Поэтому такой электрод служит источником электронов для внешней цепи, а сам металл постепенно расходуется.

Электроны движутся по внешнему проводнику от более активного электрода к менее активному. На втором электроде частицы раствора принимают электроны, то есть восстанавливаются; в простейшем примере ионы менее активного металла превращаются в атомы и оседают на электроде. В растворе перемещаются ионы: их движение поддерживает электрическую нейтральность и позволяет реакции продолжаться, иначе разделение зарядов быстро остановило бы перенос электронов.

Ряд напряжений помогает сравнить металлы по их склонности отдавать электроны. Металл, стоящий левее, обычно активнее и может вытеснить металл, стоящий правее, из раствора его соли: атомы первого металла переходят в раствор, а ионы второго восстанавливаются. Например, цинк расположен левее меди, поэтому способен вытеснить медь из раствора её соли.

В ряду есть ориентир — водород. Металлы, расположенные до него, обычно вытесняют водород из разбавленных кислот: при реакции ионы водорода принимают электроны и образуют молекулы H₂. Металлы после водорода обычно не дают такой реакции, потому что при обычных условиях не отдают электроны ионам водорода достаточно легко. Слово «обычно» важно: вывод о реакции делают с учётом концентрации, температуры и свойств конкретных веществ.

Положение металлов в ряду напряжений и их химическая активность

Чтобы воспользоваться таблицей, найдите в ряду оба сравниваемых вещества и определите, какое расположено левее. Для реакции металла с кислотой сравните его положение с водородом, а для реакции с раствором соли — с металлом, входящим в состав соли.

Разбор задач

Задача 1. Определите, вытеснит ли цинк медь из раствора сульфата меди(II).

1. Найдём положение металлов: цинк стоит левее меди, значит, цинк активнее.
2. Применим правило ряда: более активный металл обычно вытесняет менее активный металл из раствора его соли.
3. Запишем реакцию: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Ионы цинка переходят в раствор, а медь выделяется как простое вещество.

Ответ: цинк вытеснит медь из раствора сульфата меди(II).

Задача 2. Будет ли выделяться водород при взаимодействии железа и меди с разбавленной соляной кислотой?

1. Сравним положение железа с водородом: Fe находится до H, поэтому железо обычно вытесняет водород из разбавленной кислоты.
2. Запишем реакцию железа: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑. Ионы водорода принимают электроны, образуя молекулы водорода.
3. Медь расположена после водорода и обычно не вытесняет его из разбавленной соляной кислоты. Для неё выделения H₂ в этих условиях не ожидают.

Ответ: при реакции железа водород выделяется, а при реакции меди с разбавленной соляной кислотой — обычно нет.

Задача 3. Составьте схему гальванического элемента из цинкового и медного электродов, назовите процессы на каждом электроде и укажите направление движения электронов.

1. Сравним металлы: цинк активнее меди, следовательно, цинковый электрод будет отдавать электроны.
2. На цинковом электроде идёт окисление: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. На медном электроде ионы меди принимают электроны: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu; это восстановление.
3. Схематически элемент записывают так: Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu. Двойная черта обозначает границу между растворами или соединение, позволяющее ионам перемещаться.
4. Соединим электроды внешним проводником: электроны пойдут от цинка к меди. Ионы в растворах перемещаются так, чтобы поддерживать ход реакции и не допускать накопления заряда.

Ответ: цинковый электрод окисляется, медный — место восстановления ионов Cu²⁺; электроны во внешней цепи движутся от Zn к Cu.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что более активный металл вытесняется менее активным. Так путают направление, потому что воспринимают ряд как перечень металлов, которые «выталкиваются» соседями. Проверьте себя: свободный металл должен стоять левее металла в составе соли, которого он вытесняет.

Ошибка: путать отдачу электронов с их присоединением. Окисление и восстановление легко смешать, если не следить за зарядом частиц. Запомните проверку: активный металл отдаёт электроны и окисляется, а частица, принимающая электроны, восстанавливается.

Ошибка: полагать, что любой металл выделяет водород при реакции с кислотой. Такое ожидание возникает из-за обобщения опыта с железом или цинком на все металлы. Сверьте положение металла с водородом: водород обычно выделяют металлы, стоящие до него.

Ошибка: считать прогноз по ряду безусловным для любых веществ и условий. Ряд даёт общее направление, но концентрация, температура и свойства реагентов могут повлиять на результат. Перед выводом проверьте, подходит ли правило к конкретной реакции и действительно ли реагируют указанные вещества.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об окислении и восстановлении, электронах и ионах: они помогают описать процессы на электродах. Ряд напряжений продолжает изучение свойств металлов и их взаимодействия с кислотами и растворами солей, позволяя сравнивать реакции. Представление о химических источниках тока пригодится при изучении электролиза и коррозии, а также при разборе устройства батарей и аккумуляторов.

Что запомнить

• В химическом источнике тока энергия химической реакции превращается в электрическую.
• Для появления тока нужна окислительно-восстановительная реакция.
• Более активный металл легче отдаёт электроны и окисляется.
• Электроны во внешней цепи движутся от более активного электрода к менее активному.
• Металл, стоящий левее в ряду напряжений, обычно вытесняет металл, стоящий правее, из раствора его соли.
• Металлы, расположенные до водорода, обычно вытесняют его из разбавленных кислот.