Химия и Химики № 7 2014. Гальванический элемент

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Фруктовая батарейка (алюминий)

Вернемся к нашим металлам и электрохимическому ряду напряжений.

Li > Rb > K > Ba > Sr > Ca > Na > Mg > Al > Mn > Zn > Cr > Fe > Cd > Co > Ni > Sn > Pb > H > Sb > Bi > Cu > Hg > Ag > Pd > Pt > Au

В предыдущих опытах для фруктовых батареек мы использовали алюминий, магний, цинк, железо и медь.

Магний расположен левее алюминия, а другие перечисленные металлы - правее. Другими словами, алюминий должен быть менее активным, чем магний и более активным, чем цинк, железо, медь. Если поместить в фрукт два электрода, один из которых - алюминий, другой - цинк, железо или медь, то электроны должны потечь от алюминия (отрицательный электрод) к цинку, железу или меди (положительный электрод). Только в паре алюминий - магний алюминий должен быть положительным электродом, а магний - отрицательным (т.к. магний стоит левее в ряду активностей).

Однако результаты предыдущих экспериментов (см. ч.4 [ссылка]) заставляют усомниться в этих выводах, поскольку между электродами из меди и цинка или меди и железа разница потенциалов была больше, чем между электродами из меди и алюминия. А должно быть наоборот (повторюсь: и цинк, и железо стоят в ряду напряжений правее алюминия - поскольку ряд напряжений выстроен по возрастанию электродных потенциалов).

Возьмем железо и медь, воткнем в яблоко. Потенциал 0.5 В, направление движения электронов - от железа к меди (знак "-" на фото).

Железо - более активный металл, медь - менее активный.

Смотреть Видео (18 Мб, .avi )

Теперь поменяем медь на алюминий (подключим алюминий к той же клемме тестера, где была медь). Напряжение упало до 0.1 В, но направление движения электронов между клеммами тестера сохранилось (знак "-" не исчез). Теперь электроны движутся от железа к алюминию, т.е. роль менее активного металла играет алюминий!

Пара цинк - железо. Напряжение чуть ниже 0.4 В, электроны переходят от более активного цинка (отрицательный электрод) к менее активному железу (положительный электрод).

Теперь заменим железо на алюминий. Напряжение - выше 0.4 В, направление движения электронов - то же (знак "-" перед показаниями тестера не исчез). Алюминий ведет себя, как менее активный металл, чем цинк (цинк - отрицательный электрод, алюминий - положительный).

Чтобы изменить направление движения электронов на обратное, поменяем алюминий на магний. Знак "-" перед показаниями тестера исчез - значит, электроны теперь переходят от магния к цинку. Напряжение 0.6 В, но теперь цинк - положительный электрод (менее активный металл), а магний - отрицательный электрод (более активный металл).

Причины такого необычного поведения алюминия названы в предыдущей части статьи. Алюминий на воздухе покрыт прочной пленкой оксида, которая занижает его электродный потенциал.

Дополнительно подчеркну, что приведенный в начале электрохимический ряд напряжений металлов относится к водным растворам (причем в стандартных условиях). В других растворителях ряд напряжения металлов может быть совершенно иным. Например, медь в водных растворах менее активна, чем водород - в ряду напряжений она стоит правее. В результате этого медь не вытесняет водород из водных растворов кислот. Но в ацетонитриле CH₃CN все наоборот: медь стоит левее водорода, поэтому она реагирует с раствором хлороводорода в ацетонитриле с выделением водорода:

2Cu + 2HCl = 2CuCl + H₂

Аналогичная реакция идет и при нагревании меди с газообразным хлороводородом. И даже при нагревании серебра с газообразным хлороводородом:

2Ag + 2HCl = 2AgCl + H₂

Более того, и в водных растворах не все так просто: если анион кислоты связывает катион меди в прочный комплекс, такая кислота может растворять медь с выделением водорода - даже в водной среде. Например, медь вытесняет водород из водных растворов бромоводорода и иодоводорода:

2Cu + 4HBr = 2H[CuBr₂] + H₂

При высоких температурах способность металлов к взаимному вытеснению из соединений очень сильно отличается от таковой в растворах. Например, алюминий, магний, кальций, цирконий и даже железо или углерод способны вытеснять щелочные металлы из их соединений, поскольку щелочные металлы при высокой температуре переходят в газообразную фазу и улетучиваются из зоны реакции.

Комментарии

^К1 Строго говоря, пленка оксида на поверхности металла не может понижать равновесный потенциал металлического электрода. Присутствие оксида уменьшает измеряемую величину напряжения гальванического элемента в том случае, когда в нем протекает ток. Насколько - зависит от свойств оксидной пленки и сопротивления измерительной цепи. Для стандартных измерительных приборов, подобных изображенным на фото, величина входного сопротивления вольтметра составляет 1-2 МОм(~10⁶ Ом). При величине ЭДС элемента около 1 В в измерительной цепи течет ток порядка 1 μA (~10^-6 А). Таким образом, скорость химической реакции на электродах должна достаточно большой, чтобы обеспечить поток электронов не менее 0.01 нмоль (10^-11 моль) за секунду. Так как алюминий покрыт плотной оксидной пленкой, то скорость растворения металла может быть намного меньше этой величины.

В "овощном" или "фруктовом" элементе на аноде из алюминия (а фактически - из пленки оксида алюминия на алюминиевом субстрате) может иметь место окисление органических веществ электролита типа углеводов, аскорбиновой кислоты и др. Фактически потенциал такого "углеводного" элемента мы и измеряем.

P.S. Было бы интересно сравнить напряжение "фруктовых" элементов с алюминиевым и с инертным анодом, например из графита, тантала или титана.