Նպատակը:փորձով ծանոթանալ մետաղների ռեդոքսային հատկությունների կախվածությանը լարումների էլեկտրաքիմիական շարքում նրանց դիրքից։
Սարքավորումներ և ռեակտիվներ.փորձարկման խողովակներ, փորձանոթների պահիչներ, սպիրտի լամպ, ֆիլտր թուղթ, պիպետներ, 2n.լուծումներ HClև H2SO4, կենտրոնացված H2SO4, նոսրացված և խտացված HNO3, 0,5 մլուծումներ CuSO 4, Pb(NO 3) 2կամ Pb (CH 3 COO) 2; մետաղական ալյումինի կտորներ, ցինկ, երկաթ, պղինձ, անագ, երկաթե թղթի սեղմիչներ, թորած ջուր։
Տեսական բացատրություններ
Ցանկացած մետաղի քիմիական բնույթը մեծապես որոշվում է նրանով, թե որքան հեշտությամբ է այն օքսիդանում, այսինքն. որքան հեշտությամբ են նրա ատոմները կարողանում անցնել դրական իոնների վիճակի։
Մետաղները, որոնք ունեն հեշտ օքսիդացման հատկություն, կոչվում են հիմնական մետաղներ: Մեծ դժվարությամբ օքսիդացող մետաղները կոչվում են ազնիվ մետաղներ։
Յուրաքանչյուր մետաղ բնութագրվում է ստանդարտ էլեկտրոդի ներուժի որոշակի արժեքով: Ստանդարտ հզորության համար j0տվյալ մետաղական էլեկտրոդից վերցվում է գալվանական բջիջի EMF-ը, որը կազմված է ձախ կողմում տեղակայված ստանդարտ ջրածնային էլեկտրոդից և այս մետաղի աղի լուծույթում տեղադրված մետաղական թիթեղից, և ակտիվությունը (նոսր լուծույթներում, դուք. կարող է օգտագործել կոնցենտրացիան) լուծույթում մետաղների կատիոնները պետք է հավասար լինեն 1-ի մոլ / լ; T=298 K; p=1 ատմ.(ստանդարտ պայմաններ): Եթե ռեակցիայի պայմանները տարբերվում են ստանդարտից, ապա պետք է հաշվի առնել էլեկտրոդների պոտենցիալների կախվածությունը լուծույթում և ջերմաստիճանում մետաղական իոնների կոնցենտրացիաներից (ավելի ճիշտ՝ գործողություններից):
Էլեկտրոդների պոտենցիալների կախվածությունը կոնցենտրացիայից արտահայտվում է Nernst հավասարմամբ, որը, ինչպես կիրառվում է համակարգի վրա.
Me n + + n e -→Ես
AT;
Ռգազի հաստատունն է, 
;
Զ-Ֆարադեյի հաստատունը («96500 C/մոլ);
n-
a Me n + - մոլ/լ.
Արժեքը վերցնելը Տ=298TO,մենք ստանում ենք
մոլ/լ.
j 0,կրճատման կիսա-ռեակցիային համապատասխան՝ ստացվում է մետաղական լարումների շարք (էլեկտրոդային ստանդարտ պոտենցիալների շարք)։ Ջրածնի ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալը, վերցված որպես զրո, տեղադրվում է նույն շարքում այն համակարգի համար, որում տեղի է ունենում գործընթացը.
2H + + 2e - \u003d H 2
Այս դեպքում ոչ ազնիվ մետաղների ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալները բացասական արժեք ունեն, իսկ ազնիվները՝ դրական։
Մետաղների լարումների էլեկտրաքիմիական շարք
Լի; Կ; Բա; Sr; Ca; Na; Մգ; Ալ; Mn; Zn; Cr; Fe; CD; Co; Նի; sn; Pb; ( ը) ; Սբ; Բի; Cu; Hg; Ag; Pd; Pt; Ավ
Այս շարքը բնութագրում է «մետաղ-մետաղ իոն» համակարգի ռեդոքս ունակությունը ջրային լուծույթներժամը ստանդարտ պայմաններ. Սթրեսների շարքում որքան ձախ է մետաղը (այնքան քիչ j0), որքան ուժեղ է այն վերականգնող նյութը, և մետաղի ատոմների համար ավելի հեշտ է հրաժարվել էլեկտրոններից՝ վերածվելով կատիոնների, սակայն այս մետաղի կատիոններն ավելի դժվար են կցել էլեկտրոնները՝ վերածվելով չեզոք ատոմների։
Մետաղների և դրանց կատիոնների հետ կապված ռեդոքս ռեակցիաները գնում են այն ուղղությամբ, որով ավելի ցածր էլեկտրոդային պոտենցիալ ունեցող մետաղը վերականգնող նյութ է (այսինքն՝ օքսիդացված), իսկ էլեկտրոդի բարձր պոտենցիալով մետաղական կատիոնները օքսիդացնող են (այսինքն՝ կրճատվում են): Այս առումով մետաղների լարումների էլեկտրաքիմիական շարքին բնորոշ են հետևյալ օրինաչափությունները.
1. յուրաքանչյուր մետաղ աղի լուծույթից տեղահանում է մյուս բոլոր մետաղները մետաղական լարումների էլեկտրաքիմիական շարքում իրենից աջ։
2. Էլեկտրաքիմիական լարումների շարքում ջրածնից ձախ կողմում գտնվող բոլոր մետաղները տեղահանում են ջրածինը նոսր թթուներից:
Փորձարարական մեթոդաբանություն
Փորձ 1. Մետաղների փոխազդեցությունը աղաթթվի հետ:
2-3 լցնել չորս փորձանոթների մեջ մլաղաթթու և դրանց մեջ առանձին դնել ալյումինի, ցինկի, երկաթի և պղնձի մի կտոր։ Նշված մետաղներից ո՞րն է թթվից տեղահանում ջրածինը. Գրի՛ր ռեակցիայի հավասարումներ։
Փորձ 2. Մետաղների փոխազդեցությունը ծծմբաթթվի հետ:
Մի կտոր երկաթ գցեք փորձանոթի մեջ և ավելացրեք 1 հատ մլ 2n.ծծմբական թթու. Ի՞նչ է նկատվում. Կրկնեք փորձը պղնձի կտորով: Արդյո՞ք արձագանքը տեղի է ունենում:
Ստուգեք խտացված ծծմբաթթվի ազդեցությունը երկաթի և պղնձի վրա: Բացատրեք դիտարկումները: Գրի՛ր ռեակցիայի բոլոր հավասարումները:
Փորձ 3. Պղնձի փոխազդեցությունը ազոտաթթվի հետ:
Լցնել մի կտոր պղնձի երկու փորձանոթների մեջ: Նրանցից մեկի մեջ լցնել 2 հատ մլնոսրացված ազոտական թթու, երկրորդում՝ կենտրոնացված։ Անհրաժեշտության դեպքում փորձարկման խողովակների պարունակությունը տաքացրեք ալկոհոլային լամպի վրա: Ի՞նչ գազ է գոյանում առաջին փորձանոթում, իսկ ի՞նչ՝ երկրորդում։ Գրի՛ր ռեակցիայի հավասարումները։
Փորձ 4. Մետաղների փոխազդեցությունը աղերի հետ:
Լցնել փորձանոթի մեջ 2-3 մլպղնձի (II) սուլֆատի լուծույթ և իջեցրեք մի կտոր երկաթե մետաղալար: Ինչ է կատարվում? Կրկնեք փորձը՝ երկաթե մետաղալարը փոխարինելով ցինկի կտորով: Գրի՛ր ռեակցիայի հավասարումներ։ Լցնել փորձանոթի մեջ 2 մլացետատի կամ կապարի (II) նիտրատի լուծույթ և իջեցնել ցինկի մի կտոր: Ինչ է կատարվում? Գրի՛ր ռեակցիայի հավասարումը։ Նշեք օքսիդացնող և վերականգնող նյութը: Արդյո՞ք ռեակցիան կշարունակվի, եթե ցինկը փոխարինվի պղնձով: Բացատրություն տվեք։
11.3 Ուսանողների պատրաստվածության պահանջվող մակարդակը
1. Իմանալ ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալի հասկացությունը, պատկերացում ունենալ դրա չափման մասին:
2. Կարողանալ օգտագործել Nernst հավասարումը էլեկտրոդի պոտենցիալը որոշելու համար ստանդարտից տարբեր պայմաններում:
3. Իմացեք, թե ինչ է մետաղական լարումների շարքը, ինչ է այն բնութագրում:
4. Կարողանալ օգտագործել մետաղների մի շարք լարումներ՝ մետաղների և դրանց կատիոնների, ինչպես նաև մետաղների և թթուների մասնակցությամբ ռեդոքսային ռեակցիաների ուղղությունը որոշելու համար:
Առաջադրանքներ ինքնատիրապետման համար
1. Որքա՞ն է պարունակում տեխնիկական երկաթի զանգվածը 18% կեղտեր, որոնք անհրաժեշտ են նիկելի սուլֆատի լուծույթից հեռացնելու համար (II) 7,42 գնիկել?
2. Պղնձե ափսե՝ զանգվածով 28 գ. ռեակցիայի վերջում ափսեը հանել են, լվանալ, չորացրել և կշռել։ Նրա զանգվածը պարզվեց 32,52 գ. Ի՞նչ զանգված է եղել արծաթի նիտրատի լուծույթում.
3. Որոշեք մեջ ընկղմված պղնձի էլեկտրոդային ներուժի արժեքը 0,0005 Մպղնձի նիտրատի լուծույթ (II).
4. մեջ ընկղմված ցինկի էլեկտրոդային պոտենցիալը 0.2 Մլուծում ZnSO4, հավասար է 0,8 Վ. որոշել տարանջատման ակնհայտ աստիճանը ZnSO4նշված կոնցենտրացիայի լուծույթում:
5. Հաշվե՛ք ջրածնի էլեկտրոդի պոտենցիալը, եթե լուծույթում ջրածնի իոնների կոնցենտրացիան (H+)է 3.8 10 -3 մոլ/լ.
6. Հաշվել պարունակող լուծույթի մեջ ընկղմված երկաթի էլեկտրոդի պոտենցիալը 0,0699 գ FeCI 2 0,5 լ-ում:
7. Ի՞նչ է կոչվում մետաղի ստանդարտ էլեկտրոդային ներուժ: Ո՞ր հավասարումն է արտահայտում էլեկտրոդների պոտենցիալների կախվածությունը կոնցենտրացիայից:
Լաբորատորիա թիվ 12
Թեմա՝ Էլեկտրապատման բջիջ
Նպատակը:փորձով ծանոթանալ գալվանական բջիջի շահագործման սկզբունքներին, տիրապետել հաշվարկների մեթոդաբանությանը. EMFգալվանական տարրեր.
Սարքավորումներ և ռեակտիվներ.պղնձի և ցինկի թիթեղները՝ կապված հաղորդիչների վրա, պղնձի և ցինկի թիթեղները, որոնք հաղորդիչներով միացված են պղնձե թիթեղներին, հղկաթուղթ, վոլտմետր, 3 քիմիական բաժակներ 200-250 մլ, չափիչ գլան, եռոտանի մեջ ամրացված U-աձև խողովակով, աղի կամուրջ, 0,1 Մպղնձի սուլֆատի, ցինկի սուլֆատի, նատրիումի սուլֆատի լուծույթները, 0,1 % ֆենոլֆթալեինի լուծույթ 50% էթիլային սպիրտ.
Տեսական բացատրություններ
Գալվանական բջիջն է քիմիական աղբյուրընթացիկ, այսինքն՝ սարք, որն ուղղակի փոխակերպման արդյունքում արտադրում է էլեկտրական էներգիա քիմիական էներգիառեդոքս ռեակցիա.
Էլեկտրական հոսանքը (լիցքավորված մասնիկների ուղղորդված շարժում) փոխանցվում է ընթացիկ հաղորդիչների միջոցով, որոնք բաժանվում են առաջին և երկրորդ տեսակի հաղորդիչների։
Առաջին կարգի դիրիժորներ էլեկտրաէներգիադրանց էլեկտրոնները (էլեկտրոնային հաղորդիչներ): Դրանք ներառում են բոլոր մետաղները և դրանց համաձուլվածքները, գրաֆիտը, ածուխը և որոշ պինդ օքսիդներ։ Այս հաղորդիչների էլեկտրական հաղորդունակությունը գտնվում է միջակայքում 10 2-ից 10 6 Օմ -1 սմ -1 (օրինակ՝ ածուխ - 200 Ohm -1 սմ -1, արծաթ 6 10 5 Ohm -1 սմ -1).
Երկրորդ տեսակի հաղորդիչները էլեկտրական հոսանք են անցկացնում իրենց իոններով (իոնային հաղորդիչներ): Դրանք բնութագրվում են ցածր էլեկտրական հաղորդունակությամբ (օրինակ. H 2 O - 4 10 -8 Ohm -1 սմ -1).
Երբ առաջին և երկրորդ տեսակի հաղորդիչները միավորվում են, ձևավորվում է էլեկտրոդ: Սա ամենից հաճախ մետաղ է, որը թաթախված է սեփական աղի լուծույթի մեջ:
Երբ մետաղական թիթեղը ընկղմվում է ջրի մեջ, դրա մակերեսային շերտի մետաղի ատոմները ջրվում են բևեռային ջրի մոլեկուլների ազդեցության տակ։ Հիդրացիայի և ջերմային շարժման արդյունքում դրանց կապը բյուրեղային ցանցի հետ թուլանում է, և որոշակի քանակությամբ ատոմներ հիդրացված իոնների տեսքով անցնում են մետաղի մակերեսին հարող հեղուկ շերտ։ Մետաղական ափսեը դառնում է բացասական լիցքավորված:
Me + m H 2 O \u003d Me n + n H 2 O + ne -
Որտեղ Եսմետաղի ատոմ է; Me n + n H 2 Oխոնավացված մետաղական իոն է; էլ.- էլեկտրոն, nմետաղի իոնի լիցքն է։
Հավասարակշռության վիճակը կախված է մետաղի ակտիվությունից և լուծույթում նրա իոնների կոնցենտրացիայից։ Ակտիվ մետաղների դեպքում ( Zn, Fe, Cd, Ni), բևեռային ջրի մոլեկուլների հետ փոխազդեցությունն ավարտվում է մակերևույթից դրական մետաղական իոնների անջատմամբ և հիդրատացված իոնների լուծույթի անցումով (նկ. 1): ա) Այս գործընթացը օքսիդատիվ է: Մակերեւույթի մոտ կատիոնների կոնցենտրացիան մեծանալիս մեծանում է հակադարձ պրոցեսի՝ մետաղական իոնների կրճատման արագությունը։ Ի վերջո, երկու գործընթացների արագությունները հավասարվում են, հաստատվում է հավասարակշռություն, որի դեպքում լուծույթ-մետաղ միջերեսում հայտնվում է մետաղական պոտենցիալի որոշակի արժեքով կրկնակի էլեկտրական շերտ:
| + + + + |
| – – – – |
Zn 0 + mH 2 O → Zn 2+ mH 2 O + 2e - + + – – Cu2+ nH 2 O + 2e - → Cu 0 + nH 2 O
+ + + – – –
Բրինձ. 1. Էլեկտրոդային ներուժի արտաքին տեսքի սխեմա
Երբ մետաղը ընկղմվում է ոչ թե ջրի, այլ այս մետաղի աղի լուծույթի մեջ, հավասարակշռությունը տեղափոխվում է ձախ, այսինքն՝ իոնների լուծույթից մետաղի մակերես անցնելու ուղղությամբ։ Այս դեպքում նոր հավասարակշռություն է հաստատվում արդեն մետաղի ներուժի այլ արժեքով։
Ոչ ակտիվ մետաղների համար մետաղի իոնների հավասարակշռության կոնցենտրացիան մաքուր ջրի մեջ շատ ցածր է: Եթե այդպիսի մետաղը ընկղմվի իր աղի լուծույթի մեջ, ապա մետաղի կատիոնները լուծույթից կազատվեն ավելի բարձր արագությամբ, քան իոնների անցման արագությունը մետաղից լուծույթ։ Այս դեպքում մետաղի մակերեսը դրական լիցք կստանա, իսկ լուծույթը բացասական լիցք կստանա աղի անիոնների ավելցուկի պատճառով (նկ. 1. բ).
Այսպիսով, երբ մետաղը ընկղմվում է ջրի մեջ կամ այս մետաղի իոններ պարունակող լուծույթի մեջ, մետաղ-լուծույթ միջերեսի վրա առաջանում է կրկնակի էլեկտրական շերտ, որն ունի որոշակի պոտենցիալ տարբերություն։ Էլեկտրոդի ներուժը կախված է մետաղի բնույթից, լուծույթում նրա իոնների կոնցենտրացիայից և ջերմաստիճանից։
Էլեկտրոդի ներուժի բացարձակ արժեքը ժանհատական էլեկտրոդը չի կարող որոշվել փորձարարական: Այնուամենայնիվ, հնարավոր է չափել երկու քիմիապես տարբեր էլեկտրոդների պոտենցիալ տարբերությունը:
Մենք պայմանավորվեցինք վերցնել ստանդարտ ջրածնի էլեկտրոդի պոտենցիալը, որը հավասար է զրոյի: Ստանդարտ ջրածնի էլեկտրոդը պլատինե ափսե է, որը պատված է սպունգանման պլատինով, ընկղմված թթվային լուծույթի մեջ, որն ունի 1 ջրածնի իոնային ակտիվություն: մոլ/լ.Էլեկտրոդը լվանում է ջրածնի գազճնշման տակ 1 բանկոմատև ջերմաստիճանը 298 Կ.Սա հաստատում է հավասարակշռություն.
2 H + + 2 e \u003d H 2
Ստանդարտ հզորության համար j0վերցված է այս մետաղական էլեկտրոդից EMFստանդարտ ջրածնի էլեկտրոդից և այս մետաղի աղի լուծույթում տեղադրված մետաղական թիթեղից բաղկացած գալվանական բջիջ, և լուծույթում մետաղական կատիոնների ակտիվությունը (նոսր լուծույթներում կարող եք օգտագործել կոնցենտրացիան) պետք է հավասար լինի 1-ի: մոլ / լ; T=298 K; p=1 ատմ.(ստանդարտ պայմաններ): Ստանդարտ էլեկտրոդի պոտենցիալի արժեքը միշտ կոչվում է կրճատման կես ռեակցիա.
Me n + +n e - → Me
Մետաղների դասավորությունը իրենց ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալների աճման կարգով j 0,կրճատման կիսա-ռեակցիային համապատասխան՝ ստացվում է մետաղական լարումների շարք (էլեկտրոդային ստանդարտ պոտենցիալների շարք)։ Համակարգի ստանդարտ էլեկտրոդային ներուժը, վերցված որպես զրո, տեղադրվում է նույն շարքում.
H + + 2e - → H 2
Մետաղի էլեկտրոդային ներուժի կախվածությունը ժջերմաստիճանի և կոնցենտրացիայի (ակտիվության) վրա որոշվում է Nernst հավասարմամբ, որը, ինչպես կիրառվում է համակարգի վրա.
Me n + + n e -→Ես
Այն կարելի է գրել հետևյալ ձևով.
որտեղ է ստանդարտ էլեկտրոդի ներուժը, AT;
Ռգազի հաստատունն է, ;
Զ-Ֆարադեյի հաստատունը («96500 C/մոլ);
n-գործընթացում ներգրավված էլեկտրոնների քանակը.
a Me n + -մետաղական իոնների ակտիվությունը լուծույթում, մոլ/լ.
Արժեքը վերցնելը Տ=298TO,մենք ստանում ենք
Ավելին, նոսր լուծույթներում ակտիվությունը կարող է փոխարինվել իոնների կոնցենտրացիայով՝ արտահայտված արտահայտությամբ մոլ/լ.
EMFՑանկացած գալվանական բջիջ կարող է սահմանվել որպես կաթոդի և անոդի էլեկտրոդի պոտենցիալների տարբերություն.
EMF = j կաթոդ -j անոդ
Տարրի բացասական բևեռը կոչվում է անոդ, որի վրա տեղի է ունենում օքսիդացման գործընթացը.
Me - ne - → Me n +
Դրական բևեռը կոչվում է կաթոդ, այն անցնում է վերականգնման գործընթաց.
Ես + + ne - → Me
Գալվանական բջիջը կարող է գրվել սխեմատիկորեն՝ պահպանելով որոշակի կանոններ.
1. Ձախ կողմում գտնվող էլեկտրոդը պետք է գրվի մետաղ-իոնային հաջորդականությամբ: Աջ կողմում էլեկտրոդը գրված է հաջորդականությամբ՝ իոն - մետաղ։ (-) Zn/Zn 2+ //Cu 2+ /Cu (+)
2. Ձախ էլեկտրոդում տեղի ունեցող ռեակցիան գրանցվում է որպես օքսիդատիվ, իսկ աջ էլեկտրոդում՝ որպես ռեդուկցիոն ռեակցիա:
3. Եթե EMFտարր > 0, ապա գալվանական բջիջի աշխատանքը ինքնաբուխ կլինի: Եթե EMF< 0, то самопроизвольно будет работать обратный гальванический элемент.
Փորձի մեթոդաբանություն
Փորձ 1Պղինձ-ցինկի բջիջի կազմում
Ստացեք անհրաժեշտ սարքավորումները և ռեակտիվները լաբորանտից: Քիմիական բաժակի մեջ 200 մլթափել 100 մլ 0,1 Մպղնձի սուլֆատի լուծույթ (II)և դրա մեջ իջեցրեք հաղորդիչին միացված պղնձե թիթեղը: Նույն ծավալը լցնել երկրորդ բաժակի մեջ 0,1 Մցինկի սուլֆատի լուծույթ և դրա մեջ իջեցրեք հաղորդիչին միացված ցինկի ափսեը: Թիթեղները պետք է նախապես մաքրվեն հղկաթուղթով։ Ձեռք բերեք աղի կամուրջ լաբորանտից և միացրեք դրա հետ երկու էլեկտրոլիտ: Աղի կամուրջը գելով (ագար-ագար) լցված ապակե խողովակ է, որի երկու ծայրերը փակված են բամբակյա շվաբրով։ Կամուրջը պահվում է նատրիումի սուլֆատի հագեցած ջրային լուծույթում, որի արդյունքում գելը ուռչում է և իոնային հաղորդունակություն է ցուցաբերում։
Ուսուցչի օգնությամբ ձևավորված գալվանական բջիջի բևեռներին միացրեք վոլտմետր և չափեք լարումը (եթե չափումն իրականացվում է փոքր դիմադրությամբ վոլտմետրով, ապա արժեքի տարբերությունը. EMFև սթրեսը ցածր է): Օգտագործելով Nernst հավասարումը, հաշվարկեք տեսական արժեքը EMFգալվանական տարր. Լարման պակաս EMFգալվանական բջիջ՝ էլեկտրոդների բևեռացման և օհմական կորուստների պատճառով։
Փորձ 2Նատրիումի սուլֆատի լուծույթի էլեկտրոլիզ
Գիտափորձում գալվանական բջիջի կողմից առաջացած էլեկտրական էներգիայի շնորհիվ առաջարկվում է իրականացնել նատրիումի սուլֆատի էլեկտրոլիզ։ Դա անելու համար նատրիումի սուլֆատի լուծույթը լցրեք U-աձև խողովակի մեջ և դրա երկու ծնկներում տեղադրեք պղնձե թիթեղներ՝ մաքրված հղկաթուղթով և միացված գալվանական բջիջի պղնձի և ցինկի էլեկտրոդներին, ինչպես ցույց է տրված նկ. 2. U-խողովակի յուրաքանչյուր արմունկին ավելացրեք 2-3 կաթիլ ֆենոլֆթալեին: Որոշ ժամանակ անց էլեկտրոլիզատորի կաթոդային տարածությունում լուծույթը գունավորվում է վարդագույն՝ ջրի կաթոդիկ կրճատման ժամանակ ալկալիների առաջացման պատճառով։ Սա ցույց է տալիս, որ գալվանական բջիջը աշխատում է որպես ընթացիկ աղբյուր:
Կազմե՛ք նատրիումի սուլֆատի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզի ժամանակ կաթոդում և անոդում տեղի ունեցող գործընթացների հավասարումները:
(-) ԿԱՏՈԴ ԱՆՈԴ (+)
աղի կամուրջ
→ Zn2+ Cu2+→
ZnSO4CuSO4
ԱՆՈԴ (-) ԿԱԹՈԴ (+)
Zn - 2e - → Zn 2+ Cu 2+ + 2e - → Cu
օքսիդացման նվազեցում
12.3 Ուսանողների պատրաստվածության պահանջվող մակարդակը
1. Իմացեք հասկացությունները՝ առաջին և երկրորդ տեսակի հաղորդիչներ, դիէլեկտրիկներ, էլեկտրոդներ, գալվանական բջիջներ, գալվանական բջիջի անոդ և կաթոդ, էլեկտրոդային ներուժ, ստանդարտ էլեկտրոդային ներուժ: EMFգալվանական տարր.
2. Պատկերացում ունենալ էլեկտրոդների պոտենցիալների առաջացման պատճառների և դրանց չափման մեթոդների մասին:
3. Պատկերացում ունենալ գալվանական բջիջի աշխատանքի սկզբունքների մասին։
4. Կարողանալ օգտագործել Nernst հավասարումը էլեկտրոդների պոտենցիալները հաշվարկելու համար:
5. Կարողանալ գրել գալվանական բջիջների շղթաներ, կարողանալ հաշվարկել EMFգալվանական տարրեր.
Առաջադրանքներ ինքնատիրապետման համար
1. Նկարագրե՛ք հաղորդիչներն ու դիէլեկտրիկները:
2. Ինչո՞ւ է անոդը գալվանական խցում բացասական լիցք, իսկ էլեկտրոլիտիկ խցում՝ դրական:
3. Ի՞նչ տարբերություն և նմանություն կա էլեկտրոլիզատորի և գալվանական բջիջի կաթոդների միջև:
4. Մագնեզիումի ափսեը իջեցրել են դրա աղի լուծույթի մեջ: Այս դեպքում մագնեզիումի էլեկտրոդային ներուժը պարզվեց, որ հավասար է -2,41 Վ. Հաշվեք մագնեզիումի իոնների կոնցենտրացիան մոլ/լ. (4.17x10 -2):
5. Իոնների ինչ կոնցենտրացիայով Zn 2+ (մոլ/լ)ցինկի էլեկտրոդի պոտենցիալը կդառնա 0,015 Վավելի փոքր, քան իր ստանդարտ էլեկտրոդը: (0.3 մոլ/լ)
6. Նիկելի և կոբալտի էլեկտրոդները համապատասխանաբար իջեցվում են լուծույթների մեջ: Ni(NO 3) 2և Co(NO 3) 2. Ի՞նչ հարաբերակցությամբ պետք է լինի այս մետաղական իոնների կոնցենտրացիան, որպեսզի երկու էլեկտրոդների պոտենցիալները նույնը լինեն: (C Ni 2+ :C Co 2+ = 1:0.117):
7. Իոնների ինչ կոնցենտրացիայի դեպքում Cu2+մեջ մոլ/լպղնձի էլեկտրոդի ներուժի արժեքը հավասար է ջրածնի էլեկտրոդի ստանդարտ ներուժին: (1,89x 10 -6 մոլ/լ):
8. Գծե՛ք գծապատկեր, գրե՛ք էլեկտրոդների պրոցեսների էլեկտրոնային հավասարումները և հաշվարկե՛ք EMFգալվանական բջիջ, որը բաղկացած է կադմիումի և մագնեզիումի թիթեղներից՝ իջեցված դրանց աղերի լուծույթների մեջ = = 1,0 մոլ/լ.Արժեքը կփոխվի՞ EMFեթե յուրաքանչյուր իոնի կոնցենտրացիան կրճատվում է մինչև 0.01 մոլ/լ? (2.244 Վ).
Լաբորատորիա թիվ 13
Մետաղների էլեկտրաքիմիական ակտիվության շարք(լարումների շարք, ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալների շարք) - հաջորդականություն, որով մետաղները դասավորվում են իրենց ստանդարտ էլեկտրաքիմիական պոտենցիալները φ 0 մեծացնելու կարգով, որը համապատասխանում է մետաղի կատիոնների կրճատման կիսա-ռեակցիային Me n+ : Me n+ + nē → Me
Մետաղական գործունեության շարքի գործնական կիրառում
Գործնականում օգտագործվում են մի շարք լարումներ՝ աղերի և թթուների ջրային լուծույթների հետ ռեակցիաներում մետաղների քիմիական ակտիվության համեմատական գնահատման և էլեկտրոլիզի ընթացքում կաթոդային և անոդային պրոցեսների գնահատման համար.
- Ջրածնից ձախ կողմում գտնվող մետաղներն ավելի ուժեղ վերականգնող նյութեր են, քան աջ կողմում գտնվող մետաղները. նրանք վերջիններս տեղահանում են աղի լուծույթներից: Օրինակ՝ Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu փոխազդեցությունը հնարավոր է միայն առաջի ուղղությամբ։
- Ջրածնի ձախ շարքում գտնվող մետաղները տեղաշարժում են ջրածինը, երբ փոխազդում են չօքսիդացող թթուների ջրային լուծույթների հետ. ամենաակտիվ մետաղները (մինչև և ներառյալ ալյումինը) և ջրի հետ փոխազդելու ժամանակ:
- Ջրածնի աջ շարքում գտնվող մետաղները նորմալ պայմաններում չեն փոխազդում չօքսիդացող թթուների ջրային լուծույթների հետ։
- Էլեկտրոլիզի ժամանակ ջրածնի աջ կողմում գտնվող մետաղները ազատվում են կաթոդում. չափավոր ակտիվության մետաղների կրճատումն ուղեկցվում է ջրածնի արտազատմամբ. առավել ակտիվ մետաղները (մինչև ալյումին) նորմալ պայմաններում չեն կարող մեկուսացվել աղերի ջրային լուծույթներից։
Ալկալիական մետաղները համարվում են ամենաակտիվը.
- լիթիում;
- նատրիում;
- կալիում;
- ռուբիդիում;
- ցեզիում;
- ֆրանցիում.
Եթե ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալների ամբողջ շարքից առանձնացնենք միայն այն էլեկտրոդային պրոցեսները, որոնք համապատասխանում են ընդհանուր հավասարմանը.
ապա ստանում ենք մետաղների մի շարք լարումներ։ Բացի մետաղներից, այս շարքում միշտ ներառված է նաև ջրածինը, ինչը հնարավորություն է տալիս տեսնել, թե որ մետաղներն են ունակ ջրածինը տեղահանել թթուների ջրային լուծույթներից։
Աղյուսակ 19
Ամենակարևոր մետաղների մի շարք լարումներ տրված են Աղյուսակում: 19. Կոնկրետ մետաղի դիրքը մի շարք լարումների մեջ բնութագրում է ստանդարտ պայմաններում ջրային լուծույթներում փոխազդեցությունները ռեդոքսացնելու նրա կարողությունը: Մետաղական իոնները օքսիդացնող նյութեր են, իսկ պարզ նյութերի տեսքով մետաղները՝ վերականգնող նյութեր։ Միևնույն ժամանակ, որքան մետաղը գտնվում է լարումների շարքում, այնքան ավելի ուժեղ են օքսիդացնող նյութը ջրային լուծույթում նրա իոնները, և հակառակը, որքան մետաղը մոտ է շարքի սկզբին, այնքան ավելի ուժեղ է նվազեցնողը։ հատկությունները դրսևորվում են պարզ նյութի՝ մետաղի կողմից:
Էլեկտրոդի գործընթացի ներուժը
չեզոք միջավայրում այն B է (տես էջ 273): ակտիվ մետաղներՇարքի սկիզբը, ունենալով -0,41 Վ-ից շատ ավելի բացասական ներուժ, ջրածինը տեղահանում է ջրից: Մագնեզիումը տաք ջրից միայն տեղահանում է ջրածինը: Մետաղները, որոնք տեղակայված են մագնեզիումի և կադմիումի միջև, սովորաբար ջրածինը չեն տեղափոխում ջրից: Այս մետաղների մակերեսի վրա ձևավորվում են օքսիդային թաղանթներ, որոնք ունեն պաշտպանիչ ազդեցություն:
Մետաղները, որոնք գտնվում են մագնեզիումի և ջրածնի միջև, տեղահանում են ջրածինը թթվային լուծույթներից: Միաժամանակ որոշ մետաղների մակերեսի վրա ձևավորվում են նաև պաշտպանիչ թաղանթներ, որոնք արգելակում են ռեակցիան։ Այսպիսով, ալյումինի վրա օքսիդ թաղանթը դարձնում է այս մետաղը դիմացկուն ոչ միայն ջրի, այլև որոշակի թթուների լուծույթներում: Կապարը չի լուծվում ծծմբաթթվի մեջ ցածր կոնցենտրացիայի դեպքում, քանի որ կապարի և ծծմբաթթվի փոխազդեցության ժամանակ առաջացած աղը անլուծելի է և պաշտպանիչ թաղանթ է ստեղծում մետաղի մակերեսի վրա: Մետաղների օքսիդացման խորը արգելակման ֆենոմենը՝ դրա մակերեսին պաշտպանիչ օքսիդի կամ աղի թաղանթների առկայության պատճառով, կոչվում է պասիվություն, իսկ մետաղի վիճակն այս դեպքում՝ պասիվ վիճակ։
Մետաղները կարողանում են միմյանց տեղահանել աղի լուծույթներից։ Ռեակցիայի ուղղությունը որոշվում է այս դեպքում լարումների շարքում նրանց փոխադարձ դիրքով։ Հաշվի առնելով նման ռեակցիաների կոնկրետ դեպքերը՝ պետք է հիշել, որ ակտիվ մետաղները ջրածինը տեղահանում են ոչ միայն ջրից, այլև ցանկացած ջրային լուծույթից։ Հետևաբար, մետաղների փոխադարձ տեղաշարժը դրանց աղերի լուծույթներից գործնականում տեղի է ունենում միայն մագնեզիումից հետո շարքում գտնվող մետաղների դեպքում։
Մետաղների տեղաշարժը դրանց միացություններից այլ մետաղներով առաջին անգամ մանրամասն ուսումնասիրվել է Բեկետովի կողմից։ Իր աշխատանքի արդյունքում նա մետաղները դասավորել է ըստ քիմիական ակտիվության՝ տեղաշարժման շարքով, որը մետաղական լարումների շարքի նախատիպն է։
Որոշ մետաղների փոխադարձ դիրքը լարումների շարքում և պարբերական համակարգում առաջին հայացքից չի համապատասխանում միմյանց։ Օրինակ՝ ըստ պարբերական համակարգում դիրքի՝ կալիումի ռեակտիվությունը պետք է լինի նատրիումից մեծ, իսկ նատրիումը լիթիումից։ Լարումների շարքում լիթիումն ամենաակտիվն է, իսկ կալիումը միջին դիրք է զբաղեցնում լիթիումի և նատրիումի միջև։ Ցինկը և պղինձը, ըստ պարբերական համակարգում իրենց դիրքի, պետք է ունենան մոտավորապես հավասար քիմիական ակտիվություն, սակայն լարումների շարքում ցինկը գտնվում է պղնձից շատ ավելի վաղ։ Այս տեսակի անհամապատասխանության պատճառը հետևյալն է.
Պարբերական համակարգում որոշակի դիրք զբաղեցնող մետաղները համեմատելիս, որպես ազատ ատոմների իոնացման էներգիայի արժեք, ընդունվում է նրանց քիմիական ակտիվության չափը՝ նվազեցնելու ունակությունը։ Իրոք, անցման ժամանակ, օրինակ, պարբերական համակարգի I խմբի հիմնական ենթախմբի երկայնքով վերևից ներքև, ատոմների իոնացման էներգիան նվազում է, ինչը կապված է նրանց շառավիղների մեծացման հետ (այսինքն՝ արտաքին մեծ հեռավորության հետ։ էլեկտրոններ միջուկից) և միջուկի դրական լիցքի աճող ցուցադրմամբ միջանկյալ էլեկտրոնային շերտերով (տես § 31): Հետևաբար, կալիումի ատոմներն ավելի մեծ քիմիական ակտիվություն են ցուցաբերում. դրանք ավելի ուժեղ են վերականգնող հատկություններ, - քան նատրիումի ատոմները, իսկ նատրիումի ատոմներն ավելի ակտիվ են, քան լիթիումի ատոմները։
Մի շարք լարումների մեջ մետաղները համեմատելիս քիմիական ակտիվության չափումը վերցվում է որպես պինդ վիճակում գտնվող մետաղը ջրային լուծույթում հիդրացված իոնների վերածելու աշխատանք։ Այս աշխատանքը կարելի է ներկայացնել որպես երեք տերմինների գումար՝ ատոմացման էներգիա՝ մետաղի բյուրեղի վերածումը մեկուսացված ատոմների, ազատ մետաղի ատոմների իոնացման էներգիա և առաջացած իոնների հիդրացման էներգիա։ Ատոմացման էներգիան բնութագրում է տվյալ մետաղի բյուրեղային ցանցի ամրությունը։ Ատոմների իոնացման էներգիան՝ նրանցից վալենտային էլեկտրոնների անջատումը, ուղղակիորեն որոշվում է պարբերական համակարգում մետաղի դիրքով։ Հիդրացիայի ընթացքում արձակված էներգիան կախված է իոնի էլեկտրոնային կառուցվածքից, լիցքից և շառավղից։
Լիթիումի և կալիումի իոնները, որոնք ունեն նույն լիցքը, բայց տարբեր շառավիղներ, կստեղծեն անհավասար էլեկտրական դաշտեր. Փոքր լիթիումի իոնների մոտ առաջացած դաշտն ավելի ուժեղ կլինի, քան կալիումի մեծ իոնների մոտ գտնվող դաշտը: Այստեղից պարզ է դառնում, որ լիթիումի իոնները կխոնավեցվեն ավելի շատ էներգիայի արտազատմամբ, քան կալիումի նիոնները:
Այսպիսով, դիտարկվող վերափոխման ընթացքում էներգիան ծախսվում է ատոմացման և իոնացման վրա, իսկ էներգիան ազատվում է հիդրացիայի ժամանակ։ Որքան փոքր է էներգիայի ընդհանուր սպառումը, այնքան ավելի հեշտ կլինի ամբողջ գործընթացը և որքան մոտ կլինի տվյալ մետաղը լարումների շարքի սկզբին։ Բայց ընդհանուր էներգիայի հաշվեկշռի երեք տերմիններից միայն մեկը՝ իոնացման էներգիան, ուղղակիորեն որոշվում է պարբերական համակարգում մետաղի դիրքով: Հետևաբար, հիմքեր չկան ակնկալելու, որ որոշակի մետաղների փոխադարձ դիրքը մի շարք լարումների մեջ միշտ կհամապատասխանի պարբերական համակարգում նրանց դիրքին։ Այսպիսով, լիթիումի համար էներգիայի ընդհանուր սպառումը ավելի քիչ է, քան կալիումինը, որի համաձայն լիթիումը գտնվում է կալիումից առաջ լարումների շարքում։
Պղնձի և ցինկի համար ազատ ատոմների իոնացման համար էներգիայի ծախսը և իոնների խոնավացման ընթացքում դրա շահույթը մոտ են։ Բայց մետաղական պղինձը ավելի ամուր է կազմում բյուրեղյա վանդակքան ցինկը, որը կարելի է տեսնել այս մետաղների հալման կետերի համեմատությունից. ցինկը հալվում է , իսկ պղինձը միայն . Հետևաբար, այդ մետաղների ատոմացման վրա ծախսվող էներգիան զգալիորեն տարբերվում է, ինչի արդյունքում պղնձի դեպքում ամբողջ գործընթացի էներգիայի ընդհանուր ծախսերը շատ ավելի մեծ են, քան ցինկի դեպքում, ինչը բացատրում է դրանց հարաբերական դիրքը. մետաղներ լարման շարքում.
Ջրից ոչ ջրային լուծիչներ անցնելիս մետաղների փոխադարձ դիրքը մի շարք լարումների մեջ կարող է փոխվել։ Դրա պատճառը կայանում է նրանում, որ տարբեր մետաղների իոնների լուծարման էներգիան տարբեր կերպ տարբերվում է լուծիչից մյուսին անցնելիս:
Մասնավորապես, պղնձի իոնը շատ ակտիվորեն լուծվում է որոշ օրգանական լուծիչների մեջ. Սա հանգեցնում է նրան, որ նման լուծիչներում պղինձը գտնվում է մինչև ջրածնի մի շարք լարումների մեջ և այն տեղահանում է թթվային լուծույթներից:
Այսպիսով, ի տարբերություն տարրերի պարբերական համակարգի, մետաղներում լարումների շարքը ընդհանուր կանոնավորության արտացոլումը չէ, որի հիման վրա կարելի է տալ մետաղների քիմիական հատկությունների բազմակողմանի բնութագիր։ Լարման մի շարք բնութագրում է միայն «մետաղ-մետաղ իոն» էլեկտրաքիմիական համակարգի ռեդոքսային կարողությունը խիստ սահմանված պայմաններում. դրանում տրված արժեքները վերաբերում են ջրային լուծույթին, ջերմաստիճանին և մետաղի միավորի կոնցենտրացիայի (ակտիվությանը) իոններ.
Երբ մարդիկ լսում են «մետաղ» բառը, սովորաբար այն կապում են սառը և ամուրորը փոխանցում է էլեկտրական հոսանք։ Այնուամենայնիվ, մետաղները և դրանց համաձուլվածքները կարող են շատ տարբեր լինել միմյանցից: Կան այնպիսիք, որոնք պատկանում են ծանր խմբին, այդ նյութերն ունեն ամենաբարձր խտությունը։ Իսկ որոշները, օրինակ՝ լիթիումը, այնքան թեթև են, որ կարող են լողալ ջրի մեջ, եթե միայն ակտիվորեն չարձագանքեն դրա հետ։
Ո՞ր մետաղներն են առավել ակտիվ:
Բայց ո՞ր մետաղն է ցուցաբերում առավել ինտենսիվ հատկություններ: Ամենաակտիվ մետաղը ցեզիումն է։ Բոլոր մետաղների մեջ ակտիվությամբ այն զբաղեցնում է առաջին տեղը։ Նաև նրա «եղբայրները» համարվում են երկրորդ տեղում գտնվող ֆրանցիումը և անհունը։ Սակայն վերջիններիս հատկությունների մասին քիչ բան է հայտնի։
Ցեզիումի հատկությունները
Ցեզիումը մի տարր է, որը նույնքան հեշտ է հալվել ձեռքերում: Ճիշտ է, դա կարելի է անել միայն մեկ պայմանով՝ եթե ցեզիումը ապակե ամպուլայի մեջ է։ Հակառակ դեպքում մետաղը կարող է արագ արձագանքել շրջակա օդի հետ՝ բռնկվել: Իսկ ցեզիումի փոխազդեցությունը ջրի հետ ուղեկցվում է պայթյունով՝ այդպիսին է ամենաակտիվ մետաղն իր դրսևորմամբ։ Սա այն հարցի պատասխանն է, թե ինչու է այդքան դժվար ցեզիումը տարաների մեջ դնել:
Այն փորձանոթի ներսում տեղադրելու համար անհրաժեշտ է, որ այն պատրաստված լինի հատուկ ապակուց և լցված լինի արգոնով կամ ջրածնով։ Ցեզիումի հալման կետը 28,7 o C է։ Սենյակային ջերմաստիճանում մետաղը գտնվում է կիսահեղուկ վիճակում։ Ցեզիումը ոսկե-սպիտակ նյութ է։ Հեղուկ վիճակում մետաղը լավ է արտացոլում լույսը։ Ցեզիումի գոլորշին ունի կանաչավուն-կապույտ երանգ:
Ինչպե՞ս հայտնաբերվեց ցեզիումը:
Ամենաակտիվ մետաղը եղել է առաջին քիմիական տարրը, որի առկայությունը երկրակեղևի մակերեսում հայտնաբերվել է սպեկտրային անալիզի մեթոդով։ Երբ գիտնականները ստացան մետաղի սպեկտրը, նրա մեջ տեսան երկու երկնագույն գծեր։ Այսպիսով, այս տարրը ստացել է իր անունը: Caesius բառը լատիներեն նշանակում է «երկնագույն կապույտ»:
Հայտնաբերման պատմություն
Նրա հայտնագործությունը պատկանում է գերմանացի հետազոտողներ Ռ.Բունսենին և Գ.Կիրխհոֆին։ Դեռ այն ժամանակ գիտնականներին հետաքրքրում էր, թե որ մետաղներն են ակտիվ, որոնք՝ ոչ։ 1860 թվականին հետազոտողները ուսումնասիրել են Դյուրկհեյմի ջրամբարի ջրի բաղադրությունը։ Նրանք դա արել են սպեկտրային վերլուծության օգնությամբ։ Ջրի նմուշում գիտնականները հայտնաբերել են այնպիսի տարրեր, ինչպիսիք են ստրոնցիումը, մագնեզիումը, լիթիումը և կալցիումը:
Հետո որոշեցին սպեկտրոսկոպով վերլուծել ջրի կաթիլը։ Հետո նրանք տեսան երկու վառ կապույտ գծեր, որոնք գտնվում էին միմյանցից ոչ հեռու։ Դրանցից մեկը գործնականում համընկնում էր իր դիրքում գտնվող ստրոնցիումի մետաղի գծի հետ։ Գիտնականները որոշել են, որ իրենց հայտնաբերած նյութն անհայտ է և այն վերագրել են ալկալային մետաղների խմբին:
Նույն թվականին Բունսենը նամակ է գրում իր գործընկերոջը՝ ֆոտոքիմիկոս Գ.Ռոսկոյին, որտեղ նա խոսում է այս հայտնագործության մասին։ Եվ պաշտոնապես ցեզիումի մասին հայտարարվեց 1860 թվականի մայիսի 10-ին Բեռլինի ակադեմիայի գիտնականների հանդիպման ժամանակ։ Վեց ամիս անց Բունսենը կարողացավ մեկուսացնել մոտ 50 գրամ ցեզիումի քլորոպլատինիտ: Գիտնականները մշակել են 300 տոննա հանքային ջուր և մեկուսացրել մոտ 1 կգ լիթիումի քլորիդ՝ որպես կողմնակի արտադրանք, որպեսզի ի վերջո ստանան ամենաակտիվ մետաղը։ Սա խոսում է այն մասին, որ հանքային ջրերում ցեզիում շատ քիչ կա:
Ցեզիում ստանալու դժվարությունը գիտնականներին անընդհատ մղում է այն պարունակող հանքանյութեր փնտրելու, որոնցից մեկը աղտոտվածությունն է: Բայց հանքաքարից ցեզիումի արդյունահանումը միշտ թերի է լինում, շահագործման ընթացքում ցեզիումը շատ արագ ցրվում է։ Սա այն դարձնում է մետալուրգիայի ամենաանմատչելի նյութերից մեկը։ AT երկրի ընդերքըՕրինակ, մեկ տոննայի մեջ պարունակում է 3,7 գրամ ցեզիում։ Իսկ մեկ լիտր ծովի ջրի մեջ միայն 0,5 մկգ նյութն ամենաակտիվ մետաղն է։ Սա հանգեցնում է նրան, որ ցեզիումի արդյունահանումը ամենաաշխատատար գործընթացներից մեկն է։
Անդորրագիր Ռուսաստանում
Ինչպես նշվեց, հիմնական հանքանյութը, որից ստացվում է ցեզիում, աղտոտվածությունն է: Եվ նաև այս ամենաակտիվ մետաղը կարելի է ձեռք բերել հազվագյուտ ավոգադրիտից: Արդյունաբերության մեջ օգտագործվում է աղտոտվածությունը: Այն հանելով բաժանումից հետո Սովետական ՄիությունՌուսաստանում չի իրականացվել, չնայած այն հանգամանքին, որ նույնիսկ այդ ժամանակ ցեզիումի հսկայական պաշարներ են հայտնաբերվել Մուրմանսկի մոտ գտնվող Վորոնյա տունդրայում։
Այն ժամանակ, երբ հայրենական արդյունաբերությունը կարող էր իրեն թույլ տալ ցեզիում արդյունահանել, այս հանքավայրը մշակելու լիցենզիան ձեռք բերեց Կանադայից մի ընկերություն: Այժմ ցեզիումի արդյունահանումն իրականացնում է Նովոսիբիրսկի ՓԲԸ հազվագյուտ մետաղների գործարանը։
Ցեզիումի օգտագործումը
Այս մետաղը օգտագործվում է տարբեր արևային մարտկոցներ պատրաստելու համար։ Եվ նաև ցեզիումի միացությունները օգտագործվում են օպտիկայի հատուկ ճյուղերում. ինֆրակարմիր սարքերի արտադրության մեջ, ցեզիումը օգտագործվում է տեսարժան վայրերի արտադրության մեջ, որոնք թույլ են տալիս նկատել թշնամու սարքավորումներն ու աշխատուժը: Այն նաև օգտագործվում է հատուկ պատրաստելու համար մետաղական հալոգենիդլամպեր.
Բայց սա չի սպառում դրա կիրառման շրջանակը։ Ցեզիումի հիման վրա ստեղծվել են նաև մի շարք դեղամիջոցներ։ Սրանք դիֆթերիայի, պեպտիկ խոցի, շոկի և շիզոֆրենիայի բուժման համար նախատեսված դեղամիջոցներ են։ Ինչպես լիթիումի աղերը, այնպես էլ ցեզիումի աղերն ունեն նորմատիմիկ հատկություններ, կամ, պարզապես, նրանք կարողանում են կայունացնել հուզական ֆոնը:
ֆրանցիում մետաղ
Առավել ինտենսիվ հատկություններ ունեցող մետաղներից մեկը ֆրանցիումն է: Այն ստացել է իր անունը ի պատիվ մետաղ հայտնաբերողի հայրենիքի։ Ֆրանսիայում ծնված Մ.Պերեն նոր քիմիական տարր է հայտնաբերել 1939թ. Դա այն տարրերից է, որոնց մասին նույնիսկ իրենք՝ քիմիկոսները, դժվարանում են եզրակացություններ անել։
Ֆրանսիան ամենաշատն է ծանր մետաղ. Միաժամանակ ամենաակտիվ մետաղը ֆրանցիումն է՝ ցեզիումի հետ միասին։ Ֆրանցիումը ունի այս հազվագյուտ համադրությունը՝ բարձր քիմիական ակտիվություն և ցածր միջուկային կայունություն: Նրա ամենաերկարակյաց իզոտոպը կիսատ կյանք ունի ընդամենը 22 րոպե: Ֆրանցիումը օգտագործվում է մեկ այլ տարր հայտնաբերելու համար՝ ակտինիում։ Ինչպես նաև ֆրանցիումի աղերը, նախկինում առաջարկվում էր օգտագործել քաղցկեղային ուռուցքների հայտնաբերման համար։ Սակայն բարձր ինքնարժեքի պատճառով այս աղը արտադրելն անշահավետ է։
Առավել ակտիվ մետաղների համեմատություն
Ununennium-ը դեռ հայտնաբերված մետաղ չէ: Պարբերական աղյուսակի ութերորդ շարքում այն կզբաղեցնի առաջին հորիզոնականը։ Այս տարրի մշակումն ու հետազոտությունն իրականացվում է Ռուսաստանում՝ Միջուկային հետազոտությունների միացյալ ինստիտուտում։ Այս մետաղը նույնպես պետք է շատ բարձր ակտիվություն ունենա։ Եթե համեմատենք արդեն հայտնի ֆրանցիումը և ցեզիումը, ապա ֆրանցիումը կունենա ամենաբարձր իոնացման պոտենցիալը՝ 380 կՋ/մոլ։
Ցեզիումի համար այս ցուցանիշը 375 կՋ/մոլ է։ Բայց ֆրանցիումը դեռևս չի արձագանքում այնքան արագ, որքան ցեզիումը: Այսպիսով, ցեզիումը ամենաակտիվ մետաղն է։ Սա պատասխանն է (քիմիան ամենից հաճախ այն առարկան է, որի ուսումնական ծրագրում կարող եք գտնել նմանատիպ հարց), որը կարող է օգտակար լինել թե՛ դպրոցի դասարանում, թե՛ արհեստագործական ուսումնարանում։
Քիմիայի դասագրքերում «Թթուներ» թեման ներկայացնելիս այս կամ այն ձևով նշվում է մետաղների այսպես կոչված տեղաշարժի շարքը, որի կազմումը հաճախ վերագրվում է Բեկետովին։
Օրինակ, G. E. Rudzitis-ը և F. G. Feldman-ը, 8-րդ դասարանի երբեմնի ամենատարածված դասագիրքը (1989-1995 թվականներին այն հրատարակվել է 8,3 միլիոն օրինակ տպաքանակով), ասում է հետևյալը. Փորձից հեշտ է ստուգել, որ մագնեզիումը արագ է փոխազդում թթուների հետ (որպես օրինակ օգտագործելով աղաթթուն), ցինկը մի փոքր ավելի դանդաղ է արձագանքում, երկաթը նույնիսկ ավելի դանդաղ, իսկ պղինձը չի արձագանքում աղաթթվի հետ: «Նմանատիպ փորձեր կատարել է ռուս գիտնական Ն. Ն. Բեկետովը», - հետագայում գրում են դասագրքի հեղինակները: – Փորձերի հիման վրա նա կազմել է մետաղների տեղաշարժի շարք՝ K, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au: Այս շարքում բոլոր մետաղները, որոնք կանգնած են ջրածնի առջև, կարող են այն հեռացնել թթուներից: Հաղորդվում է նաև, որ Բեկետովը «հիմնադիր ֆիզիկական քիմիա. 1863 թվականին նա կազմել է մետաղների տեղաշարժի շարքը, որն անվանվել է գիտնականի անունով։ Այնուհետև ուսանողներին ասվում է, որ Բեկետովի շարքում մետաղները ձախից տեղափոխում են մետաղները իրենց աղերի լուծույթներից դեպի աջ: Բացառություն են կազմում ամենաակտիվ մետաղները։ Նմանատիպ տեղեկատվություն կարելի է գտնել այլ դպրոցական դասագրքերում և ձեռնարկներում, օրինակ՝ «Ռուս քիմիկոս Ն. Ն. Բեկետովը հետազոտել է բոլոր մետաղները և դասավորել դրանք ըստ իրենց քիմիական ակտիվության՝ տեղաշարժման շարքում (ակտիվության շարք)» և այլն։
Այստեղ կարող են առաջանալ մի քանի հարցեր.
Հարց առաջին. Արդյո՞ք քիմիկոսները մինչև Բեկետովի փորձերը (այսինքն՝ մինչև 1863 թվականը) չգիտեին, որ մագնեզիումը, ցինկը, երկաթը և մի շարք այլ մետաղներ փոխազդում են թթուների հետ՝ արտազատելով ջրածինը, մինչդեռ պղինձը, սնդիկը, արծաթը, պլատինը և ոսկին չունեն դա։ սեփականություն?
Հարց երկրորդ. Արդյո՞ք Բեկետովից առաջ քիմիկոսները չէին նկատել, որ որոշ մետաղներ կարող են հեռացնել մյուսներին իրենց աղերի լուծույթներից:
Հարց երրորդ. Վ.Ա.Վոլկովի, Է.Վ.Վոնսկու, Գ.Ի.Կուզնեցովի «Աշխարհի նշանավոր քիմիկոսներ. Կենսագրական տեղեկագիրք «(M.: ավարտական դպրոց, 1991) ասվում է, որ Նիկոլայ Նիկոլաևիչ Բեկետովը (1827–1911) «ռուս ֆիզիկական քիմիկոս, ակադեմիկոս… ֆիզիկական քիմիայի հիմնադիրներից է… Նա ուսումնասիրել է վարքագիծը. օրգանական թթուներբարձր ջերմաստիճաններում: Սինթեզված (1852) բենզուրիդ և ացետուրիդ։ Առաջ քաշեց (1865) մի շարք տեսական դրույթներ ռեակցիաների ուղղության կախվածության մասին ռեագենտների վիճակից և արտաքին պայմաններից ... Որոշել է ալկալիական մետաղների օքսիդների և քլորիդների առաջացման ջերմությունը, առաջին անգամ ստացվել է (1870 թ. ) ալկալիական մետաղների անջուր օքսիդներ. Օգտագործելով ալյումինի կարողությունը՝ վերականգնելու մետաղները դրանց օքսիդներից, նա դրեց ալյումինոթերմիայի հիմքերը ... Ռուսական ֆիզիկայի նախագահ քիմիական հասարակություն...»: Եվ ոչ մի խոսք նրա՝ տեղաշարժերի շարքի կազմման մասին, որը ներառվել է (ի տարբերություն, օրինակ, ureides - urea ածանցյալների) միլիոնավոր օրինակներով հրատարակված դպրոցական դասագրքերում։
Հազիվ թե պետք է մեղադրել կենսագրական ուղեցույցի հեղինակներին ռուս գիտնականի կարևոր հայտնագործությունը մոռանալու համար. ի վերջո, Դ. Ի. Մենդելեևը, ում ոչ մի կերպ չի կարելի նախատել ոչ հայրենասիրության համար, իր դասական «Քիմիայի հիմունքները» դասագրքում նույնպես երբեք չի հիշատակում. Բեկետովի տեղաշարժի շարքը, թեև 15 անգամ վերաբերում է նրա տարբեր ստեղծագործություններին։ Այս բոլոր հարցերին պատասխանելու համար մենք ստիպված կլինենք էքսկուրսիա կատարել քիմիայի պատմության մեջ, պարզել, թե ով և երբ է առաջարկել մետաղների գործունեության շարքը, ինչ փորձեր է կատարել ինքը Ն. Ն. Բեկետովը և որն է նրա տեղաշարժի շարքը:
Առաջին երկու հարցերին կարելի է պատասխանել հետևյալ կերպ. Իհարկե, ինչպես մետաղների կողմից թթուներից ջրածնի արտազատումը, այնպես էլ աղերից միմյանց տեղափոխման տարբեր օրինակներ հայտնի էին Բեկետովի ծնունդից շատ առաջ։ Օրինակ, շվեդ քիմիկոս և հանքաբան Թորնբերն Օլաֆ Բերգմանի ձեռնարկներից մեկում, որը հրատարակվել է 1783 թվականին, խորհուրդ է տրվում բազմամետաղային հանքաքարերը վերլուծելիս կապարն ու արծաթը հեռացնել երկաթե թիթեղներով լուծույթներից: Հանքաքարում երկաթի պարունակության վերաբերյալ հաշվարկներ կատարելիս պետք է հաշվի առնել դրա այն հատվածը, որը թիթեղներից անցել է լուծույթ։ Նույն ձեռնարկում Բերգմանը գրում է. «Մետաղներն իրենց աղերի լուծույթներից կարող են տեղահանվել այլ մետաղներով, և նկատվում է որոշակի հետևողականություն։ Ցինկի, երկաթի, կապարի, անագի, պղնձի, արծաթի և սնդիկի շարքում ցինկը տեղահանում է երկաթը և այլն»։ Եվ, իհարկե, Բերգմանը չէր, ով առաջինը հայտնաբերեց այս ռեակցիաները. նման դիտարկումները գալիս են ալքիմիական ժամանակներից: Մեծ մասը հայտնի օրինակՆման արձագանքը միջնադարում օգտագործվել է շառլատանների կողմից, ովքեր հրապարակայնորեն ցուցադրում էին երկաթե մեխի «վերափոխումը» կարմիր «ոսկու», երբ մեխը թաթախում էին պղնձի սուլֆատի լուծույթի մեջ: Այժմ այս արձագանքը դրսևորվում է դպրոցում քիմիայի դասերին։ Ո՞րն է էությունը նոր տեսությունԲեկետովի՞ն։ Նախքան քիմիական թերմոդինամիկայի հայտնվելը, քիմիկոսները ռեակցիայի հոսքն այս կամ այն ուղղությամբ բացատրում էին որոշ մարմինների՝ մյուսների նկատմամբ մերձեցման հայեցակարգով։ Նույն Բերգմանը, հիմնվելով տեղաշարժման հայտնի ռեակցիաների վրա, 1775 թվականից մշակել է ընտրողական մերձեցման տեսությունը։ Համաձայն այս տեսության՝ տվյալ պայմաններում երկու նյութերի միջև քիմիական կապը մնում է հաստատուն և կախված չէ. հարաբերական զանգվածներռեակտիվներ. Այսինքն, եթե A և B մարմինները շփվում են C մարմնի հետ, ապա այն մարմինը, որն ավելի մեծ կապ ունի դրա նկատմամբ, կմիանա C-ի հետ։ Օրինակ, երկաթը թթվածնի նկատմամբ ավելի մեծ կապ ունի, քան սնդիկը, և, հետևաբար, այն կլինի առաջինը, որը կօքսիդանա դրանով: Ենթադրվում էր, որ ռեակցիայի ուղղությունը որոշվում է բացառապես արձագանքող մարմինների քիմիական մերձեցմամբ, և ռեակցիան գնում է մինչև վերջ։ Բերգմանը կազմել է քիմիական մերձեցման աղյուսակներ, որոնք օգտագործվել են քիմիկոսների կողմից մինչև 19-րդ դարի սկիզբը։ Այս աղյուսակները ներառում էին, մասնավորապես, տարբեր թթուներ և հիմքեր:
Բերգմանի հետ գրեթե միաժամանակ ֆրանսիացի քիմիկոս Կլոդ Լուի Բերտոլեն մշակեց մեկ այլ տեսություն. Քիմիական մերձեցությունը նույնպես կապված էր մարմինների միմյանց ձգելու հետ, սակայն արվեցին այլ եզրակացություններ։ Համընդհանուր ներգրավման օրենքին անալոգիայով Բերտոլեն կարծում էր, որ քիմիայում ներգրավումը նույնպես պետք է կախված լինի արձագանքող մարմինների զանգվածից։ Հետևաբար, ռեակցիայի ընթացքը և դրա արդյունքը կախված են ոչ միայն ռեակտիվների քիմիական մերձեցությունից, այլև դրանց քանակից։ Օրինակ, եթե A և B մարմինները կարող են արձագանքել C-ի հետ, ապա C մարմինը կբաշխվի A-ի և B-ի միջև՝ ըստ նրանց հարաբերության և զանգվածի, և ոչ մի ռեակցիա չի հասնի ավարտին, քանի որ հավասարակշռությունը կգա, երբ AC, BC և ազատ A-ն և B-ն միաժամանակ գոյակցում են: Շատ կարևոր է, որ C-ի բաշխումը A-ի և B-ի միջև կարող է տարբեր լինել՝ կախված A-ի կամ B-ի ավելցուկից: Հետևաբար, մեծ ավելցուկի դեպքում ցածր մերձավորություն ունեցող մարմինը կարող է գրեթե ամբողջությամբ «ընտրել» C մարմինը: իր «մրցակից»։ Բայց եթե ռեակցիայի արտադրանքներից մեկը (AC կամ BC) հեռացվի, ապա ռեակցիան կգնա մինչև վերջ և ձևավորվում է միայն այն արտադրանքը, որը դուրս է գալիս շրջանակից:
Բերտոլեն իր եզրակացություններն արել է՝ լուծույթներից տեղումների գործընթացները դիտարկելով։ Այս եզրակացությունները զարմանալիորեն ժամանակակից են հնչում, բացի հնացած տերմինաբանությունից: Այնուամենայնիվ, Բերտոլեի տեսությունը որակական էր, այն չէր ապահովում մերձավորության արժեքները չափելու միջոց:
Տեսական հետագա առաջընթացները հիմնված էին էլեկտրաէներգիայի ոլորտում հայտնագործությունների վրա: Իտալացի ֆիզիկոս Ալեսանդրո Վոլտա վերջ XVIIIմեջ ցույց տվեց, որ երբ տարբեր մետաղներ շփվում են, առաջանում է էլեկտրական լիցք։ Փորձեր կատարելով տարբեր զույգ մետաղների հետ և որոշելով որոշ մետաղների լիցքի նշանն ու մեծությունը մյուսների նկատմամբ՝ Վոլտան սահմանեց մի շարք լարումներ՝ Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au։ Օգտագործելով տարբեր մետաղների զույգեր՝ Վոլտան նախագծեց գալվանական բջիջ, որի ուժն այնքան մեծ էր, որքան հեռու էին այս շարքի անդամները։ Սրա պատճառն այն ժամանակ անհայտ էր։ Ճիշտ է, դեռ 1797 թվականին գերմանացի գիտնական Յոհան Վիլհելմ Ռիտերը կանխատեսել էր, որ մետաղները պետք է լինեն լարումների շարքում՝ թթվածնի հետ միանալու նրանց կարողությունը նվազեցնելու համար։ Ցինկի և ոսկու դեպքում այս եզրակացությունը կասկածի տակ չէր. ինչ վերաբերում է մյուս մետաղներին, ապա պետք է նշել, որ դրանց մաքրությունը շատ բարձր չէր, ուստի Volta շարքը միշտ չէ, որ համապատասխանում է ժամանակակիցին։
Այս դեպքում տեղի ունեցող գործընթացների բնույթի վերաբերյալ տեսական տեսակետները շատ անորոշ էին և հաճախ հակասական: Հայտնի շվեդ քիմիկոս Յոնս Յակոբ Բերզելիուսը վաղ XIXմեջ ստեղծել է էլեկտրաքիմիական (կամ դուալիստական, ից լատ. dualis - «երկակի») տեսություն քիմիական միացություններ. Այս տեսության համաձայն՝ ենթադրվում էր, որ յուրաքանչյուր քիմիական միացություն բաղկացած է երկու մասից՝ դրական և բացասական լիցքավորված։ 1811 թվականին Բերզելիուսը, հիմնվելով իրեն հայտնի տարրերի քիմիական հատկությունների վրա, դրանք դասավորեց անընդմեջ այնպես, որ դրա մեջ յուրաքանչյուր տերմին էլեկտրոբասական լինի նախորդի նկատմամբ և էլեկտրադրական՝ հաջորդի նկատմամբ։ Համառոտ տարբերակում էլեկտրաբացասական տարրերին վերագրվել են հետևյալը (նվազման կարգով).
O, S, N, Cl, Br, S, Se P, As, Cr, B, C, Sb, Te, Si:
Այնուհետև հաջորդեց անցումային տարրը՝ ջրածինը, իսկ դրանից հետո՝ էլեկտրադրական տարրերը (այս հատկությունը մեծացնելու կարգով).
Au, Pt, Hg, Ag, Cu, Bi, Sn, Pb, Cd, Co, Ni, Fe, Zn, Mn, Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K.
Այս շարքը, եթե բոլոր մետաղները վերաշարադրեք հակառակ հերթականությամբ, շատ մոտ է ժամանակակիցին։ Այս շարքի մետաղների կարգի որոշ տարբերություններ, հավանաբար, պայմանավորված են Բերցելիուսի ժամանակաշրջանում նյութերի անբավարար մաքրմամբ, ինչպես նաև մետաղների որոշ այլ հատկություններով, որոնցով առաջնորդվել է Բերցելիուսը։ Ըստ Բերցելիուսի՝ այս շարքում տարրերը որքան հեռու են միմյանցից, այնքան ավելի հակադիր են։ էլեկտրական լիցքերև ավելի դիմացկուն քիմիական միացություններ, որոնք նրանք ձևավորում են միմյանց հետ:
Բերցելիուսի դուալիզմի տեսությունը 19-րդ դարի կեսերին։ գերիշխող էր։ Դրա ձախողումը ցույց տվեցին ջերմաքիմիայի հիմնադիրներ ֆրանսիացի գիտնական Մարսելին Բերթելոն և դանիացի հետազոտող Յուլիուս Թոմսենը։ Նրանք չափել են քիմիական մերձեցումը քիմիական ռեակցիայի արդյունքում առաջացած աշխատանքով: Գործնականում այն չափվում էր ռեակցիայի ջերմությամբ։ Այս աշխատանքները հանգեցրին քիմիական թերմոդինամիկայի ստեղծմանը, գիտություն, որը հնարավորություն տվեց, մասնավորապես, հաշվարկել հավասարակշռության դիրքը արձագանքող համակարգում, ներառյալ հավասարակշռությունը էլեկտրաէներգիայի մեջ: քիմիական գործընթացներ. Լուծումների մեջ գործունեության շարքի (և սթրեսային շարքերի) տեսական հիմքը դրվել է 19-րդ դարի վերջին։ Գերմանացի ֆիզիկաքիմիկոս Վալտեր Ներնստ. Որակական հատկանիշի փոխարեն՝ մետաղի և նրա իոնի որոշակի ռեակցիաների հարաբերակցությունը կամ կարողությունը, հայտնվեց ճշգրիտ քանակական արժեք, որը բնութագրում է յուրաքանչյուր մետաղի իոնների տեսքով լուծույթ անցնելու, ինչպես նաև իոններից իոնների վերածվելու ունակությունը. մետաղական էլեկտրոդի վրա: Նման արժեք է մետաղի ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալը, իսկ համապատասխան շարքը, որը դասավորված է ըստ պոտենցիալ փոփոխության, կոչվում է ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալների շարք։ (Ստանդարտ վիճակը ենթադրում է, որ լուծույթում իոնների կոնցենտրացիան 1 մոլ/լ է, իսկ գազի ճնշումը՝ 1 ատմ, ամենից հաճախ ստանդարտ վիճակը հաշվարկվում է 25°C ջերմաստիճանի համար։)
Առավել ակտիվ ալկալիական մետաղների ստանդարտ պոտենցիալները հաշվարկվել են տեսականորեն, քանի որ անհնար է դրանք փորձարարական չափել ջրային լուծույթներում: Մետաղների պոտենցիալները հաշվարկելու համար նրանց իոնների տարբեր կոնցենտրացիաներում (այսինքն՝ ոչ ստանդարտ վիճակներում) օգտագործվում է Nernst հավասարումը։ Էլեկտրոդային պոտենցիալները որոշվել են ոչ միայն մետաղների, այլև բազմաթիվ ռեդոքս ռեակցիաների համար, որոնք ներառում են ինչպես կատիոններ, այնպես էլ անիոններ։ Սա հնարավորություն է տալիս տեսականորեն կանխատեսել տարբեր պայմաններում օքսիդացման մի շարք ռեակցիաների առաջացման հնարավորությունը: Հարկ է նշել նաև, որ ոչ ջրային լուծույթներում մետաղների պոտենցիալները տարբեր կլինեն, այնպես որ շարքի մետաղների հաջորդականությունը կարող է զգալիորեն փոխվել։ Օրինակ, ջրային լուծույթներում պղնձի էլեկտրոդի պոտենցիալը դրական է (+0,24 Վ), իսկ պղինձը գտնվում է ջրածնի աջ կողմում։ CH3CN ացետոնիտրիլի լուծույթում պղնձի պոտենցիալը բացասական է (–0,28 Վ), այսինքն՝ պղինձը գտնվում է ջրածնի ձախ կողմում։ Ուստի այս լուծիչում տեղի է ունենում հետևյալ ռեակցիան՝ Cu + 2HCl = CuCl2 + H2:
Հիմա ժամանակն է պատասխանել երրորդ հարցին ու պարզել, թե կոնկրետ ինչ է ուսումնասիրել Բեկետովը և ինչ եզրակացությունների է եկել։
Ռուս ականավոր քիմիկոսներից մեկը՝ Ն. Ն. Բեկետովը, ավարտելով (1848թ.) Կազանի համալսարանը, որոշ ժամանակ աշխատել է Բժշկական և վիրաբուժական ակադեմիայում՝ Ն.Ն.Վինինի լաբորատորիայում, ապա՝ Սբ.Խարկովի համալսարանում։ 1857-ին համալսարանի քիմիայի բաժինը ստանալուց անմիջապես հետո Բեկետովը մեկ տարով մեկնեց արտերկիր «տարեկան հազար ռուբլու նշանակումով, որը գերազանցում էր ստացված աշխատավարձը», այն ժամանակ դա մեծ գումար էր: Փարիզում գտնվելու ընթացքում հրապարակել է (թ ֆրանսերեն) Ռուսաստանում իր ավելի վաղ կատարած ուսումնասիրությունների արդյունքները ջրածնի միջոցով լուծույթներից որոշ մետաղների տեղահանման և ցինկի գոլորշիների նվազեցնող ազդեցության վերաբերյալ։ Փարիզի քիմիական ընկերության ժողովում Բեկետովը զեկուցել է իր աշխատանքի մասին SiCl4-ի և BF3-ի ջրածնով վերացման վերաբերյալ: Սրանք հետազոտությունների շղթայի առաջին օղակներն էին, որոնք նվիրված էին որոշ տարրերի տեղափոխմանը մյուսների կողմից, որոնք Բեկետովը սկսեց 1856 թվականին և ավարտեց 1865 թվականին։
Արդեն արտերկրում Բեկետովը ուշադրություն է հրավիրել իր վրա. Բավական է մեջբերել Դ. Ի. Մենդելեևի խոսքերը, ում Բեկետովը հանդիպել է Գերմանիայում. Այսքանը... մարդիկ, ովքեր պատիվ են տալիս Ռուսաստանին, մարդիկ, որոնց հետ ես ուրախ եմ, որ լավ եմ:
1865 թվականին Խարկովում լույս է տեսել Բեկետովի ատենախոսությունը՝ «Հետազոտություն որոշ տարրերի տեղաշարժի երևույթների վերաբերյալ ուրիշների կողմից»։ Այս աշխատությունը վերահրատարակվել է Խարկովում 1904 թվականին («Ի հիշատակ Ն. Բեկետովի գիտական գործունեության 50-ամյակի» ժողովածուում) և 1955 թվականին («Ն. Ն. Բեկետով. Ֆիզիկական քիմիայի ընտրյալ աշխատություններ» ժողովածուում)։
Եկեք ավելի մանրամասն ծանոթանանք Բեկետովի այս աշխատանքին։ Այն բաղկացած է երկու մասից. Առաջին մասում (այն պարունակում է վեց բաժին) շատ մանրամասն ներկայացված է հեղինակի փորձերի արդյունքները։ Առաջին երեք բաժինները նվիրված են ջրածնի գործողությանը արծաթի և սնդիկի աղերի լուծույթների վրա տարբեր ճնշումներում։ Բեկետովին թվում էր, որ մի շարք մետաղների մեջ ջրածնի տեղը պարզելու խնդիրը, ինչպես նաև ռեակցիայի ուղղության կախվածությունը արտաքին պայմաններից՝ ճնշում, ջերմաստիճան, ռեագենտների կոնցենտրացիան, չափազանց կարևոր է թվում։ Նա փորձեր է անցկացրել ինչպես լուծույթներով, այնպես էլ չոր նյութերով։ Քիմիկոսներին լավ հայտնի էր, որ բարձր ջերմաստիճանում ջրածինը հեշտությամբ տեղահանում է որոշ մետաղներ դրանց օքսիդներից, իսկ ցածր ջերմաստիճանում անգործուն է։ Բեկետովը պարզել է, որ ջրածնի ակտիվությունը մեծանում է ճնշման աճով, ինչը նա կապում է ռեագենտի «ավելի մեծ խտության» հետ (այժմ նրանք կասեին՝ ավելի բարձր ճնշմամբ, այսինքն՝ գազի կոնցենտրացիան):
Ուսումնասիրելով լուծույթներից մետաղները ջրածնով տեղահանելու հնարավորությունը՝ Բեկետովը մի շարք բավականին ռիսկային փորձեր է կազմակերպել։ Քիմիայի պատմության մեջ առաջին անգամ Բեկետովը գործադրել է 100 ատմ-ից ավելի ճնշում։ Նա փորձեր է անցկացրել մթության մեջ, մի քանի թեքություններով (արմունկներով) կնքված ապակե խողովակներում։ Մի ծնկի մեջ դրել է աղի լուծույթ, մյուսում՝ թթու, իսկ խողովակի վերջում՝ մետաղական ցինկ։ Խողովակը թեքելով՝ Բեկետովը ստիպել է ցինկն ընկնել ավելորդ վերցված թթվի մեջ։ Իմանալով լուծված ցինկի զանգվածը և խողովակի ծավալը՝ հնարավոր եղավ գնահատել ձեռք բերված ջրածնի ճնշումը։ Որոշ փորձերի ժամանակ Բեկետովը ճշտել է ճնշումը՝ ըստ խողովակի զոդված բարակ մազանոթի հեղուկի կողմից օդի սեղմման աստիճանի։ Խողովակի բացումը միշտ ուղեկցվում էր պայթյունով։ Փորձերից մեկում, որի ճնշումը հասնում էր 110 ատմ-ի, խողովակի բացման ժամանակ պայթյունից (այն իրականացվել է ջրի մեջ՝ շրջված գլանի տակ) փշրվել է հաստ պատերով գլան, որի ծավալը հազար անգամ ավելի է եղել։ քան ռեակտիվներով խողովակի ծավալը։
Փորձերը ցույց են տվել, որ ջրածնի գործողությունը կախված է ոչ միայն նրա ճնշումից, այլև «մետաղական լուծույթի ուժից», այսինքն՝ կոնցենտրացիայից։ Արծաթի կրճատումը AgCl-ի ամոնիակային լուծույթից սկսվում է նույնիսկ մինչև ցինկի ամբողջական լուծարումը մոտ 10 ատմ ճնշման տակ - թափանցիկ լուծույթը դառնում է դարչնագույն (նախ գազի սահմանին, այնուհետև ամբողջ զանգվածում), իսկ մի քանի անգամից հետո: օր պատերին նստում է մոխրագույն արծաթափոշի: Մթնոլորտային ճնշման դեպքում ռեակցիա չի նկատվել։ Արծաթը նույնպես կրճատվել է նիտրատից և սուլֆատից, իսկ ջրածինը գործել է արծաթի ացետատի վրա մթնոլորտային ճնշման ժամանակ։ Մետաղական գնդիկներն ազատվում էին սնդիկի աղերից բարձր ճնշման դեպքում, սակայն պղնձի և կապարի նիտրատները հնարավոր չէին նվազեցնել նույնիսկ ջրածնի բարձր ճնշման դեպքում։ Պղնձի կրճատումը նկատվել է միայն արծաթի և պլատինի առկայության դեպքում՝ մինչև 100 ատմ ճնշման դեպքում։ Բեկետովն օգտագործել է պլատինը գործընթացն արագացնելու համար, այսինքն՝ որպես կատալիզատոր։ Նա գրել է, որ պլատինը ավելի շատ նպաստում է որոշակի մետաղների տեղաշարժին, քան ճնշումը, քանի որ պլատինի մակերեսի ջրածինը «ենթակա է ավելի մեծ ձգողականության և պետք է ունենա ամենամեծ խտությունը»։ Այժմ մենք գիտենք, որ պլատինի վրա կլանված ջրածինը ակտիվանում է մետաղի ատոմների հետ քիմիական փոխազդեցության շնորհիվ:
Առաջին մասի չորրորդ բաժնում Բեկետովը նկարագրում է ածխաթթու գազի հետ կապված փորձերը։ Նա ուսումնասիրել է դրա ազդեցությունը տարբեր ճնշումների դեպքում կալցիումի ացետատի լուծույթների վրա. պարզվել է, որ հակառակ ռեակցիան՝ մարմարի տարրալուծումը քացախաթթվի մեջ գազի որոշակի ճնշման դեպքում դադարում է նույնիսկ թթվի ավելցուկի դեպքում:
Փորձարարական մասի վերջին հատվածներում Բեկետովը նկարագրել է ցինկի գոլորշիների ազդեցությունը բարձր ջերմաստիճաններում բարիումի, սիլիցիումի և ալյումինի միացությունների վրա (վերջին տարրը նա անվանում է կավ, ինչպես ընդունված էր այդ տարիներին)։ Սիլիցիումի տետրաքլորիդը ցինկով նվազեցնելով, Բեկետովն առաջինն էր, որ ստացավ բավականաչափ մաքուր բյուրեղային սիլիցիում։ Նա նաև պարզել է, որ մագնեզիումը նվազեցնում է ալյումինը կրիոլիտից (նատրիումի ֆտորալյումինատ «ներքին») և սիլիցիումը՝ դրա երկօքսիդից։ Այս փորձերում հաստատվել է նաև ալյումինի՝ բարիումը օքսիդից և կալիումը հիդրօքսիդից վերականգնելու ունակությունը։ Այսպիսով, ալյումինը անջուր բարիումի օքսիդով կալցինելուց հետո (հալման կետը իջեցնելու համար բարիումի քլորիդի փոքր հավելումով) առաջացել է համաձուլվածք, որը, ըստ վերլուծության արդյունքների, կազմում է 33,3% բարիում, մնացածը՝ ալյումին։ Միևնույն ժամանակ, փոշու բարիումի քլորիդով ալյումինի երկարատև կալցինացումը որևէ փոփոխության չի հանգեցրել։
Ալյումինի արտասովոր ռեակցիան KOH-ի հետ իրականացվել է կոր ատրճանակի տակառում, որի փակ ծայրում տեղադրվել են KOH և ալյումինի կտորներ։ Այս ծայրի ուժեղ շիկացումով առաջացել է կալիումի գոլորշի, որը խտացել է տակառի սառը հատվածում, «որտեղից ստացվել է մանուշակագույն բոցով վառվող փափուկ մետաղի մի քանի կտոր»։ Ռուբիդիումը և ցեզիումը հետագայում մեկուսացվել են նույն ձևով։
Բեկետովի աշխատության երկրորդ մասը նվիրված է որոշ տարրերի որոշ տարրերի տեղաշարժի տեսությանը։ Այս մասում Բեկետովը նախ վերլուծեց բազմաթիվ փորձարարական տվյալներ՝ ինչպես իր, այնպես էլ այլ հետազոտողների, այդ թվում՝ Բրեսլավ պրոֆեսոր Ֆիշերի, ինչպես նաև Դեյվիի, Գեյ-Լուսակի, Բերզելիուսի, Վոլերի կողմից: Հատկապես ուշագրավ են անգլիացի քիմիկոս Ուիլյամ Օդլինգի կողմից հայտնաբերված «մի քանի հետաքրքիր փաստեր թաց ճանապարհով մետաղների տեղումների մասին»։ Միևնույն ժամանակ, Բեկետովը համարում է որոշ տարրերի տեղափոխման դեպքերը մյուսների կողմից «թաց եղանակով», այսինքն՝ լուծույթներում և «չոր եղանակով», այսինքն՝ ռեակտիվների կալցինացման ժամանակ։ Սա տրամաբանական էր, քանի որ անհնար է փորձարարական ռեակցիաներ իրականացնել ջրային լուծույթներում, որոնք ներառում են ալկալային և հողալկալիական մետաղներ, քանի որ դրանք ակտիվորեն արձագանքում են ջրի հետ:
Այնուհետև Բեկետովը ներկայացնում է իր տեսությունը, որը կոչված է բացատրելու տարրերի տարբեր ակտիվությունը: Բոլոր մետաղները անընդմեջ դասավորելով ըստ իրենց տեսակարար կշռի (այսինքն՝ խտության)՝ Բեկետովը պարզեց, որ այն բավականին լավ է համընկնում հայտնի տեղաշարժերի շարքի հետ։ «Հետևաբար, - եզրակացնում է Բեկետովը, - մետաղի տեղը ... տեղաշարժի շարքում կարելի է բավականին ճիշտ որոշել և, այսպես ասած, նախապես կանխատեսել նրա տեսակարար կշռով»: Որոշակի անորոշություն է նկատվում միայն «հատուկ կշռով հարակից մետաղների» միջև։ Այսպիսով, կալիումը սովորաբար «ավելի էներգետիկ» տարր է և, օրինակ, կալցինացման ժամանակ նատրիումը հեռացնում է NaCl-ից, թեև կալիումն ավելի ցնդող է։ Այնուամենայնիվ, հայտնի են նաև հակադարձ պրոցեսներ. օրինակ, նատրիումը կարող է կալիումը հեռացնել իր հիդրօքսիդից և ացետատից: «Ինչ վերաբերում է առաջին ալկալային խմբի երկրորդին և երկրորդ խմբի մետաղների հարաբերությանը, ապա դրանք դեռ քիչ են ուսումնասիրված», - գրում է Բեկետովը:
Բեկետովն ավելի լուրջ դժվարությունների հանդիպեց. Օրինակ՝ նրան հաջողվել է ZnCl2 լուծույթից ցինկը ալյումինով նվազեցնել, իսկ ZnSO4 լուծույթից՝ ձախողել։ Բացի այդ, ալյումինը «բացարձակապես չի վերականգնել երկաթը, նիկելը, կոբալտը, կադմիումը լուծույթներից»։ Բեկետովը դա բացատրեց նրանով, որ ալյումինը «գործում է հիմնականում ջրի վրա», և ենթադրում էր, որ այդ ռեակցիաները պետք է ընթանան ջրի բացակայության դեպքում՝ «չոր ճանապարհով»։ Իսկապես, հետագայում Բեկետովը հայտնաբերեց նման ռեակցիաներ և իրականում հայտնաբերեց ալյումինոթերմիան։
Մյուս դժվարությունն այն էր, որ որոշ մետաղներ դուրս են եկել տեսակարար կշռի կանոնից։ Այսպիսով, պղինձը (խտությունը 8.9) ակտիվության շարքում գտնվում է ոչ թե առաջ, այլ կապարից հետո (խտությունը 11.4 - Բեկետովի խտության արժեքները մի փոքր տարբերվում են ժամանակակիցներից): Նման «անոմալիան» ստիպեց Բեկետովին փորձել ավելի ակտիվ կապարը փոխարինել պակաս ակտիվ պղնձով։ Նա պղնձե թիթեղները դրեց կապարի քլորիդի տաք հագեցած լուծույթներում՝ չեզոք և թթվային, կապարի օքսիդի ամոնիակային լուծույթում, պղնձը տաքացրեց չոր օքսիդով և կապարի քլորիդով։ Բոլոր փորձարկումներն անհաջող էին, և Բեկետովը ստիպված էր ընդունել «ընդհանուր կանոնից շեղում»։ Այլ «անոմալիաները» վերաբերում էին արծաթին (խտությունը 10,5) և կապարին, ինչպես նաև արծաթին և սնդիկին (խտությունը 13,5), քանի որ և՛ կապարը, և՛ սնդիկը նվազեցնում են «ավելի թեթեւ» արծաթը նրա աղերի լուծույթներից։ Բեկետովը սնդիկի հետ կապված անոմալիան բացատրել է նրանով, որ այս մետաղը հեղուկ է և, հետևաբար, նրա ակտիվությունն ավելի բարձր է, քան բխում է տեսակարար կշռի կանոնից։
Բեկետովն իր իշխանությունը տարածեց ոչ մետաղների վրա։ Օրինակ՝ քլորի (հեղուկ քլորի խտությունը 1,33), բրոմի (խտությունը 2,86), յոդի (խտությունը 4,54) շարքում ամենաթեթև տարրը միևնույն ժամանակ ամենաակտիվն է (Ֆտորը Moissan-ը ստացել է միայն 20 տարի անց)։ Նույնը նկատվում է O, S, Se, Te շարքերում. թթվածինը ամենաակտիվն է և բավականին հեշտությամբ տեղափոխում է մնացած տարրերն իրենց միացություններից ջրածնի կամ ալկալիական մետաղի հետ:
Բեկետովը բացատրեց իր կանոնը մեխանիկայի հետ անալոգիայով. տեսակարար կշիռը կապված է մասնիկների զանգվածի (այսինքն՝ ատոմների) և դրանց միջև եղած հեռավորության հետ։ պարզ գործ. Իմանալով մետաղների խտությունը և դրանց հարաբերականը ատոմային զանգվածներ, մենք կարող ենք հաշվարկել ատոմների միջև հարաբերական հեռավորությունները։ Որքան մեծ է նրանց միջև հեռավորությունը, այնքան ավելի հեշտ է, ըստ Բեկետովի, քիմիական գործընթացներում ատոմները բաժանվում են։ Սա նաև կապված է տարբեր տարրերի փոխադարձ «հարազատության» և միացություններից միմյանց տեղահանելու ունակության հետ։ Հաշվարկելով տարբեր մետաղների ատոմների միջև հարաբերական հեռավորությունը և որպես ստանդարտ ընդունելով կալիումը, Բեկետովը ստացավ հետևյալ արժեքները՝ K - 100, Na - 80, Ca - 65, Mg - 53, Al - 43 և այլն մինչև պլատին։
Քիմիական միացությունների հարաբերական ուժի վերաբերյալ Բեկետովի տեսության հետագա ամփոփումը (մասնավորապես, որոշ տարրերի մյուսներին տեղաշարժելու ունակությունը կապված է դրա հետ) կարելի է գտնել Դ. Ի. Մենդելեևի «Քիմիայի հիմունքները» դասագրքում (մեջբերված 1947 թվականի հրատարակությունից՝ օգտագործելով ժամանակակից տերմինաբանություն). «... Պրոֆեսոր Ն. Ն. Բեկետովն իր «Հետազոտություններ ռեպրեսիաների երևույթների վերաբերյալ» էսսեում (Խարկով, 1865) առաջարկել է հատուկ վարկած, որը մենք կհայտարարենք գրեթե հեղինակի խոսքերով։
Ալյումինի օքսիդի համար Al2O3-ն ավելի ուժեղ է, քան AlCl3 և AlI3 հալոգենիդները: Օքսիդում հարաբերակցությունը Al: O = 112: 100, քլորիդի համար Al: Cl = 25: 100, յոդիդի համար Al: I = 7: 100: Արծաթի օքսիդի համար Ag2O (հարաբերակցությունը 1350: 100) ավելի քիչ դիմացկուն է, քան քլորիդը ( Ag: Cl = = 100: 33), իսկ յոդիդը ամենադիմացկունն է (Ag: I = 85: 100): Այս և նմանատիպ օրինակներից երևում է, որ առավել դիմացկուն են այն միացությունները, որոնցում միացնող տարրերի զանգվածները դառնում են գրեթե նույնը։ Ուստի մեծ զանգվածների ցանկություն կա միավորվել մեծերի հետ, իսկ փոքր զանգվածները՝ փոքրերի հետ, օրինակ՝ Ag2O + 2KI տալիս են K2O + 2AgI։ Նույն պատճառով, անհավասար զանգվածներից կազմված Ag2O, HgO, Au2O3 և նմանատիպ օքսիդները քայքայվում են բարձր ջերմաստիճանում, մինչդեռ թեթև մետաղների, ինչպես նաև ջրի օքսիդները այդքան հեշտությամբ չեն քայքայվում։ Առավել ջերմակայուն օքսիդները՝ MgO, CaO, SiO2, Al2O3 մոտենում են զանգվածի հավասարության պայմանին։ Նույն պատճառով HI-ն ավելի հեշտ է քայքայվում, քան HCl-ը: Քլորը չի գործում MgO-ի և Al2O3-ի վրա, այլ գործում է CaO-ի, Ag2O-ի և այլնի վրա։
Հարազատությունների իրական հարաբերությունները հասկանալու համար,- եզրակացնում է Մենդելեևը,- քիմիական երևույթների մեխանիկական տեսության այն լրացումները, որ տալիս է Բեկետովը, դեռ բավական հեռու են: Այնուամենայնիվ, բազմաթիվ միացությունների հարաբերական ուժը բացատրելու նրա ձևով կարելի է տեսնել առաջնակարգ կարևոր հարցերի մի շատ հետաքրքիր դրույթ: Առանց նման փորձերի անհնար է ըմբռնել փորձառական գիտելիքների բարդ առարկաները։
Այսպիսով, չնսեմացնելու նշանավոր քիմիկոսի արժանիքները, պետք է ընդունել, որ թեև Ն. Թթուներից ջրածնի տեղահանման ռեակցիա և մետաղների գործունեության համապատասխան շարք. դրա մեխանիկական Քիմիական երևույթների տեսությունը մնացել է քիմիայի պատմության մեջ որպես նրա բազմաթիվ փուլերից մեկը։
Ինչո՞ւ, ուրեմն, որոշ գրքերում Բեկետովին վերագրվում է մի բան, որը նա չի հայտնաբերել: Այս ավանդույթը, ինչպես շատ ուրիշներ, հավանաբար ի հայտ եկավ 1940-ականների վերջին և 1950-ականների սկզբին։ 20-րդ դարի, երբ ԽՍՀՄ-ում մոլեգնում էր «Արևմուտքին բողոքելու» դեմ պայքարի արշավը, և հեղինակները պարզապես ստիպված էին գիտության մեջ բոլոր քիչ թե շատ նկատելի հայտնագործությունները վերագրել բացառապես հայրենի գիտնականներին, և նույնիսկ օտար հեղինակներին վկայակոչելը համարվում էր խռովություն: (այդ տարիներին էր, որ կատակում էին այն մասին, որ «Ռուսաստանը փղերի ծննդավայրն է»): Օրինակ, Մ.Վ.Լոմոնոսովին վերագրվեց էներգիայի պահպանման օրենքի բացահայտումը, որը հայտնաբերվեց միայն 19-րդ դարի կեսերին: Ահա այդ ժամանակների գիտության պատմության ներկայացման կոնկրետ օրինակ. Վլադիմիր Օրլովի «Խիզախ մտքի մասին» գրքում (Մոսկվա. Երիտասարդ գվարդիա, 1953) էլեկտրաէներգիայի ոլորտում գյուտերը նկարագրված են հետևյալ խոսքերով. ... Էդիսոնն Ամերիկայում ագահորեն սկսեց կատարելագործել ռուսական գյուտը ... Օտար գիտնականները հաշմանդամ են դարձնում ռուս ժողովրդի հանճարի ստեղծած էլեկտրական լամպը ... Ամերիկյան իմպերիալիստները խայտառակեցին էլեկտրականությունը ... Նրանց հետևելով հարավսլավացի ֆաշիստները խայտառակեցին էլեկտրական լույսը ... «- և այլն, և այլն: Ժամանակների այդ վատ հիշողության առանձին արձագանքները, ըստ երևույթին, մնացել են որոշ դասագրքերում, և դրանք պետք է ոչնչացվեն։ Ինչպես ասել է քիմիայի պատմաբաններից մեկը, «Լոմոնոսովն այնքան մեծ է, որ իրեն չվերագրի ուրիշների հայտնագործությունները»։
«Մոմը վառվում էր...»:
Մոմ վառելու ժամանակ նկատվող երեւույթներն այնպիսին են, որ բնության մի օրենք չկա, որի վրա այս կամ այն կերպ չազդվի։
Մայքլ Ֆարադեյ. Մոմի պատմությունը
Այս պատմությունը «փորձարարական հետաքննության» մասին է։ Քիմիայի մեջ գլխավորը փորձն է։ Ամբողջ աշխարհում լաբորատորիաներում միլիոնավոր տարբեր փորձեր են կատարվել և շարունակվում են իրականացվել, բայց պրոֆեսիոնալ հետազոտողի համար չափազանց հազվադեպ է դա անել այնպես, ինչպես անում են որոշ երիտասարդ քիմիկոսներ. իսկ եթե ինչ-որ հետաքրքիր բան պատահի: Ամենից հաճախ հետազոտողն ունի հստակ ձևակերպված վարկած, որը նա փորձում է հաստատել կամ հերքել փորձարարական եղանակով: Բայց հիմա փորձն ավարտված է, արդյունքը՝ ստացված։ Եթե այն համաձայն չէ վարկածի հետ, ապա այն սխալ է (իհարկե, եթե փորձը ճիշտ է կազմված և այն մի քանի անգամ վերարտադրվում է): Իսկ եթե համաձայնվի՞։ Արդյո՞ք սա նշանակում է, որ վարկածը ճիշտ է, և ժամանակն է այն տեղափոխել տեսության կատեգորիա: Սկսնակ հետազոտողը երբեմն այդպես է մտածում, բայց փորձառուը չի շտապում եզրակացություններ անել, այլ նախ հաստատակամորեն մտածում է, թե արդյոք հնարավոր է այլ կերպ բացատրել ստացված արդյունքը։
Քիմիայի պատմությունը հազարավոր օրինակներ գիտի, թե ինչպես է նման «մտածելը» օգտակար։ Հաջորդ երեք պատմությունները պարզապես նվիրված են նրան, թե որքան վտանգավոր կարող է լինել հավատալը, որ «հաջող» փորձը ապացուցում է վարկածի ճիշտությունը: Երբեմն դասարանում նման փորձ են ցույց տալիս։ Փոքր փայտե կամ փրփուր շրջանակը թույլատրվում է լողալ ջրի ափսեի մեջ, որի վրա ամրացված է վառվող մոմ: Շրջված ապակե տարաը մոմով իջեցվում է շրջանագծի վրա և տեղադրվում այս դիրքում՝ ափսեի ներքևի մասում: Որոշ ժամանակ անց մոմը մարում է, և բանկայի մի մասը լցվում է ջրով։ Ենթադրվում է, որ այս փորձը ցույց կտա, որ օդի (թթվածնի) միայն հինգերորդն է աջակցում այրմանը: Իսկապես, առաջին հայացքից թվում է, թե ջուրը բարձրացել է մոտ մեկ հինգերորդով, թեև ավելի ճշգրիտ չափումներ սովորաբար չեն կատարվում: Առաջին հայացքից փորձը պարզ է և բավականին համոզիչ. չէ՞ որ օդում թթվածինը իսկապես 21% է ծավալով։ Սակայն քիմիայի տեսանկյունից ամեն ինչ կարգին չէ։ Իրոք, մոմերը պատրաստվում են պարաֆինից, իսկ պարաֆինը բաղկացած է C բաղադրությամբ հագեցած ածխաջրածիններից։ nՀ2 n+2 18–35 ածխածիններով։ Այրման ռեակցիայի հավասարումը ընդհանուր ձևով կարելի է գրել հետևյալ կերպ. nՀ2 n +2 + (3 n+ 1)/2 O2 → n CO2 + ( n+ 1) H2O. Որովհետեւ nմեծ է, ապա թթվածնի դիմաց գործակիցը շատ մոտ է 1,5-ին n(համար n= 18 տարբերություն (3 n+ +1)/2 և 1.5 nկլինի 2%-ից պակաս, համար n= 30 դա կլինի նույնիսկ ավելի քիչ): Այսպիսով, սպառված 1,5 ծավալի թթվածնի համար արտազատվում է 1 ծավալ CO2: Հետևաբար, եթե նույնիսկ տարայի ամբողջ թթվածինը (այնտեղ ծավալով 0,21 է), ապա դրա փոխարեն այրվելուց հետո պետք է թողարկվի 0,21: 1,5 = 0,14 ծավալ ածխաթթու գազ։ Սա նշանակում է, որ ջուրն ընդհանրապես չպետք է լցնի բանկայի հինգերորդ մասը:
Բայց ճի՞շտ է արդյոք այս պատճառաբանությունը։ Ամենից հետո ածխաթթու գազհայտնի է, որ այն շատ լուծելի է ջրում: Միգուցե այդ ամենը «ջո՞ւրն ընկնի»: Սակայն այս գազի լուծարման գործընթացը շատ դանդաղ է ընթանում։ Դա ցույց են տվել հատուկ փորձերը՝ CO2-ով լցված շրջված տարայի մեջ մաքուր ջուրը գրեթե չի բարձրանում մեկ ժամում։ Մոմի հետ փորձը տևում է մեկ րոպեից պակաս, հետևաբար, նույնիսկ եթե թթվածինը ամբողջությամբ սպառված է, ջուրը պետք է անոթի մեջ մտնի իր ծավալի միայն 0,21 - 0,1 = 0,07 (մոտ 7%):
Բայց սա դեռ ամենը չէ: Պարզվում է, որ մոմը տարայի մեջ «այրում է» ոչ ամբողջ թթվածինը, այլ դրա մի փոքր մասը։ Օդի վերլուծությունը, որում մոմը մարել է, ցույց է տվել, որ այն դեռ պարունակում է 16% թթվածին (հետաքրքիր է, որ նորմալ մարդու արտաշնչման ժամանակ թթվածնի պարունակությունը նվազում է մոտավորապես նույն մակարդակի վրա): Սա նշանակում է, որ ջուրն ընդհանրապես չպետք է մտնի բանկա: Փորձը, սակայն, ցույց է տալիս, որ դա այդպես չէ։ Ինչպե՞ս բացատրել դա:
Ամենապարզ ենթադրությունը՝ վառվող մոմը տաքացնում է օդը, դրա ծավալը մեծանում է, և օդի մի մասը դուրս է գալիս բանկաից։ Տարայի օդը հովացնելուց հետո (դա տեղի է ունենում բավականին արագ), դրա մեջ ճնշումը նվազում է, և արտաքին մթնոլորտային ճնշման ազդեցության տակ ջուրը մտնում է բանկա։ Իդեալական գազերի օրենքին համապատասխան (իսկ օդը առաջին մոտավորությամբ կարելի է համարել իդեալական գազ), որպեսզի օդի ծավալն ավելանա 1/5-ով, նրա ջերմաստիճանը (բացարձակ) նույնպես պետք է ավելանա 1/5-ով, այսինքն՝ բարձրացնել 293 K-ից (20 ° C) մինչև 1,2 293 = 352 K (մոտ 80 ° C): Ոչ այնքան. Օդը մոմի բոցով տաքացնելը 60°-ով միանգամայն հնարավոր է։ Մնում է միայն փորձնականորեն ստուգել, թե արդյոք փորձի ընթացքում օդը դուրս է գալիս բանկաից։
Առաջին փորձերը, սակայն, կարծես թե չհաստատեցին այս ենթադրությունը։ Այսպիսով, 0,45 լ ծավալով լայն բերանով բանկաով իրականացված մի շարք փորձերի ժամանակ բանկայի եզրի տակից օդի «կռկռոցի» նշաններ չեն եղել։ Եվս մեկ անսպասելի դիտարկում. ջուրը տարայի մեջ, մինչ մոմը վառվում էր, գրեթե ներս չմտավ։
Եվ միայն մոմը մարելուց հետո շրջված տարայի ջրի մակարդակը արագ բարձրացավ։ Ինչպե՞ս բացատրել դա:
Կարելի էր ենթադրել, որ մինչ մոմը վառվում է, բանկայի օդը տաքանում է, բայց դրա հետ մեկտեղ ոչ թե դրա ծավալն է մեծանում, այլ ճնշումը, որը թույլ չի տալիս ջուրը ներծծվել։ Այրումը դադարելուց հետո տարայի օդը սառչում է, ճնշումը նվազում է, ջուրը բարձրանում է։ Այնուամենայնիվ, այս բացատրությունը չի համապատասխանում. Նախ, ջուրը ծանր սնդիկ չէ, որը ճնշումների մի փոքր աճով օդը կպահի բանկաից դուրս պրծնելիս: (Բոլոր ֆիզիկոսներն ու քիմիկոսները, ովքեր ժամանակին գազեր են ուսումնասիրել, օգտագործել են սնդիկի կողպեք:) Իրոք, ջուրը 13,6 անգամ ավելի թեթև է, քան սնդիկը, և ջրի կողպեքի բարձրությունը բանկայի եզրերի և ափսեի ջրի մակարդակի միջև փոքր է: Հետեւաբար, նույնիսկ ճնշման փոքր աճը անխուսափելիորեն կհանգեցնի օդի «փրփրելու» փականի միջով:
Երկրորդ առարկությունն էլ ավելի լուրջ է. Նույնիսկ եթե ափսեի ջրի մակարդակը ավելի բարձր լիներ, և ջուրը չթողնի տաքացած օդը տարայի տակից բարձր արյան ճնշում, այնուհետև բանկայի օդը սառեցնելուց հետո նրա և՛ ջերմաստիճանը, և՛ ճնշումը կվերադառնան իրենց սկզբնական արժեքներին։ Ուրեմն պատճառ չի լինի, որ օդը մտնի բանկա:
Հանելուկը լուծվեց փորձի ընթացքում միայն մի փոքրիկ դետալ փոխելով։ Սովորաբար սափորը «դրվում է» մոմի վերևում։ Այսպիսով, գուցե սա՞ է բանկում օդի տարօրինակ պահվածքի պատճառը։ Այրվող մոմը առաջացնում է տաքացած օդի հոսք դեպի վեր, և երբ սափորը վերևից շարժվում է, տաք օդը տեղափոխում է ավելի սառը օդը բանկաից մինչև բանկայի եզրը կպչի ջրին: Դրանից հետո բանկայի օդի ջերմաստիճանը, մինչ մոմը վառվում է, քիչ է փոխվում, ուստի օդը չի թողնում այն (և նաև ներս չի մտնում): Իսկ տարայի մեջ տաք օդի այրման և սառեցման դադարեցումից հետո ճնշումը նկատելիորեն նվազում է, և արտաքին մթնոլորտային ճնշումը ջրի մի մասը քշում է տարայի մեջ։
Այս ենթադրությունը ստուգելու համար մի քանի փորձերի ժամանակ սափորը մոմի վրա «դնում էին» ոչ թե վերևից, այլ կողքից՝ կրակի եզրին գրեթե դիպչելով սափորին, որից հետո արագ ներքև շարժումով սափորը. դրված էր ափսեի հատակին։ Եվ անմիջապես տարայի եզրից օդի փուչիկները սկսեցին արագորեն դուրս գալ: Բնականաբար, այն բանից հետո, երբ մոմը դադարել է վառվել, ջուրը ներծծվել է ներս՝ մոտավորապես նույն մակարդակի, ինչ նախորդ փորձերի ժամանակ:
Այսպիսով, մոմով այս փորձը ոչ մի կերպ չի կարող պատկերացնել օդի բաղադրությունը: Բայց նա կրկնում է իմաստուն ասացվածքմեծ ֆիզիկոս, թարգմանված էպիգրաֆում։
Ավելի մոտենալով հավասարակշռությանը...
Դիտարկենք փորձի ևս մեկ սխալ բացատրություն, որում տաքացվում են նաև գազերը։ Այս բացատրությունը գտել է իր ճանապարհը քիմիայի հայտնի հոդվածներում և նույնիսկ քոլեջի դասագրքերում: Այսպիսով, մի շարք արտասահմանյան դասագրքերում վրա ընդհանուր քիմիանկարագրված է մի գեղեցիկ փորձ, որի էությունը կպատկերացնենք Նոել Ուեյթի «Քիմիական կինետիկա» դասագրքից մեջբերումով։ Հանգստանալու մեթոդ. Էյգեն մեթոդը, որի համար հեղինակը պարգեւատրվել է 1967 թ Նոբելյան մրցանակքիմիայում կոչվում է թուլացման մեթոդ: Արձագանքող համակարգը որոշակի պայմաններում հասնում է հավասարակշռության վիճակի: Այս պայմանները (ջերմաստիճանը, ճնշումը, էլեկտրական դաշտը) այնուհետև արագորեն խախտվում են՝ ավելի արագ, քան հավասարակշռությունը փոխվում է: Համակարգը կրկին հավասարակշռության մեջ է մտնում, բայց հիմա նոր պայմաններում. սա կոչվում է «հանգստանալ նոր հավասարակշռության դիրքում»: Մինչ ռելաքսը տեղի է ունենում, վերահսկվում է համակարգի որոշ հատկությունների փոփոխություն...
Ռելաքսացիայի ֆենոմենը ցուցադրող փորձ.
Որոշ դեպքերում նոր պայմաններում հավասարակշռության վիճակն այնքան դանդաղ է հաստատվում, որ կոնցենտրացիայի փոփոխությանը կարելի է հետևել սովորական լաբորատոր սարքավորումների օգնությամբ և այդպիսով նկատել ռելաքսացիայի երևույթը։ Որպես օրինակ, դիտարկենք ազոտի երկօքսիդի (մուգ շագանակագույն գազ) անցումը դիմերի (անգույն գազ).
Ապակե գազի ներարկիչը լցրեք մոտավորապես 80 սմ3 գազով: Արագ սեղմեք ներարկիչի մխոցը և սեղմեք գազը մինչև 50–60 սմ3: Ստուգեք, որ գազի գույնը փոխվել է: Սկզբում տեղի կունենա գազի արագ մթնում, քանի որ NO2-ի կոնցենտրացիան կավելանա, բայց հետո կլինի դանդաղ պայծառացում, քանի որ բարձր ճնշումը նպաստում է N2O4-ի առաջացմանը, և նոր արտաքին պայմաններում կհասնի հավասարակշռության:
Մի շարք դասագրքերում նման նկարագրություն է տրված Լե Շատելիեի սկզբունքը լուսաբանելու համար. գազի ճնշման աճի հետ հավասարակշռությունը տեղափոխվում է մոլեկուլների քանակի նվազման, այս դեպքում՝ դեպի անգույն N2O4 դիմերի: Տեքստն ուղեկցվում է երեք գունավոր լուսանկարով։ Դրանք ցույց են տալիս, թե ինչպես սեղմելուց անմիջապես հետո սկզբնական դեղնաշագանակագույն խառնուրդը դառնում է մուգ շագանակագույն, իսկ երրորդ լուսանկարում, որը արվել է մի քանի րոպեից, ներարկիչի գազային խառնուրդը նկատելիորեն պայծառանում է։
Երբեմն ավելացնում են, որ մխոցը պետք է հնարավորինս արագ սեղմել, որպեսզի հաշվեկշիռն այս ընթացքում ժամանակ չունենա շարժվելու։
Առաջին հայացքից այս բացատրությունը շատ համոզիչ է թվում։ Այնուամենայնիվ, ներարկիչի գործընթացների քանակական հետազոտությունը լիովին հերքում է բոլոր եզրակացությունները: Փաստն այն է, որ ազոտի երկօքսիդի NO2-ի և դրա դիմերի (ազոտի տետրոօքսիդ) N2O4-ի միջև նշված հավասարակշռությունը հաստատվում է չափազանց արագ՝ վայրկյանի միլիոներորդականում: Հետևաբար, անհնար է ներարկիչի գազը սեղմել ավելի արագ, քան այս հավասարակշռությունը հաստատված է: Եթե անգամ պողպատե «ներարկիչում» մխոցը տեղափոխեք պայթյունի օգնությամբ, ապա, ամենայն հավանականությամբ, հավասարակշռությունը ժամանակ կունենա հաստատվելու, քանի որ մխոցը շարժվում է իր իներցիայի պատճառով: Այլապես ինչպե՞ս կարելի է բացատրել այս փորձի ժամանակ նկատված երեւույթը։ Իհարկե, ծավալի նվազումը և գազերի կոնցենտրացիայի համապատասխան աճը հանգեցնում են գույնի մեծացման։ Բայց սա չէ հիմնական պատճառը։ Ով ձեռքի պոմպով փչել է հեծանիվի խողովակը, գիտի, որ պոմպը (հատկապես ալյումինե) շատ է տաքանում։ Պոմպի խողովակի վրա մխոցի շփումը ոչ մի կապ չունի դրա հետ. դա հեշտ է ստուգել՝ կատարելով մի քանի պարապ ճոճանակներ, երբ պոմպի օդը սեղմված չէ: Ջեռուցումն առաջանում է այսպես կոչված ադիաբատիկ սեղմման արդյունքում, երբ ջերմությունը ժամանակ չունի ցրվելու շրջակա տարածությունում: Սա նշանակում է, որ երբ ազոտի օքսիդների խառնուրդը սեղմվում է, այն նույնպես պետք է տաքանա։ Եվ երբ տաքացվում է, այս խառնուրդի հավասարակշռությունը խիստ փոխվում է դեպի երկօքսիդ:
Որքա՞ն տաք կլինի խառնուրդը սեղմելիս: Պոմպում օդի սեղմման դեպքում ջեռուցումը կարելի է հեշտությամբ հաշվարկել՝ օգտագործելով իդեալական գազի ադիաբատիկ հավասարումը. հեռուստացույցγ–1 = const, որտեղ Տգազի ջերմաստիճանն է (կելվիններով), Վնրա ծավալն է, γ = C p / CVմշտական ճնշման տակ գտնվող գազի ջերմային հզորության հարաբերակցությունն է մշտական ծավալի ջերմային հզորությանը: Միատոմային (ազնիվ) գազերի համար γ = 1,66, երկատոմայինի համար (օդը նույնպես պատկանում է նրանց) γ = 1,40, եռատոմային (օրինակ, NO2-ի համար) γ = 1,30 և այլն: Օդի ադիաբատիկ հավասարումը, որը սեղմվում է 1 ծավալից մինչև հատոր 2-ը կարող է վերաշարադրվել որպես Տ 2/ Տ 1 = (Վ 1/ Վ 2) γ–1. Եթե մխոցը կտրուկ մղվում է դեպի պոմպի կեսը, երբ դրա մեջ օդի ծավալը կիսով չափ կրճատվում է, ապա սեղմումից առաջ և հետո ջերմաստիճանների հարաբերակցության համար մենք ստանում ենք հավասարումը. Տ 2/ Տ 1 = = 20,4 = 1,31: Եւ եթե Տ 1 \u003d 293 K (20 ° C), ապա Տ 2 = 294 K (111 ° C)!
Անհնար է ուղղակիորեն կիրառել իդեալական գազերի հավասարումը սեղմումից անմիջապես հետո ազոտի օքսիդների խառնուրդի վիճակը հաշվարկելու համար, քանի որ այս գործընթացում ոչ միայն ծավալը, ճնշումը և ջերմաստիճանը փոխվում են, այլև մոլերի քանակը (NO2 N2O4 հարաբերակցությունը) ընթացքում: քիմիական ռեակցիան. Խնդիրը կարող է լուծվել միայն թվային ինտեգրման միջոցով դիֆերենցիալ հավասարում, որը հաշվի է առնում, որ շարժվող մխոցի կողմից յուրաքանչյուր պահի կատարվող աշխատանքը ծախսվում է մի կողմից խառնուրդը տաքացնելու, իսկ մյուս կողմից դիմերի դիսոցացման վրա։ Ենթադրվում է, որ հայտնի են N2O4-ի դիսոցման էներգիան, երկու գազերի ջերմային հզորությունները, γ-ի արժեքը և հավասարակշռության դիրքի կախվածությունը ջերմաստիճանից (այս ամենը աղյուսակային տվյալներ են)։ Հաշվարկը ցույց է տալիս, որ եթե մթնոլորտային ճնշման և սենյակային ջերմաստիճանի գազերի սկզբնական խառնուրդը արագ սեղմվի մինչև ծավալի կեսը, ապա խառնուրդը կտաքանա ընդամենը 13 °C-ով։ Եթե դուք սեղմում եք խառնուրդը մինչև ծավալի եռակի նվազում, ջերմաստիճանը կբարձրանա 21 ° C-ով: Եվ նույնիսկ խառնուրդի աննշան տաքացումը խիստ փոխում է հավասարակշռության դիրքը դեպի N2O4-ի դիսոցիացիա:
Եվ հետո այն պարզապես դանդաղում է: գազի խառնուրդ, որն առաջացնում է հավասարակշռության նույն դանդաղ տեղաշարժը դեպի N2O4 և գույնի թուլացում, որը նկատվում է փորձի ժամանակ։ Սառեցման արագությունը կախված է ներարկիչի պատերի նյութից, դրանց հաստությունից և շրջակա օդի հետ ջերմափոխանակման այլ պայմաններից, ինչպիսիք են սենյակի նախագծերը: Հատկանշական է, որ հավասարակշռության աստիճանական տեղաշարժով դեպի աջ, դեպի N2O4, ջերմության արտազատմամբ տեղի է ունենում NO2 մոլեկուլների դիմերիացում, ինչը նվազեցնում է խառնուրդի սառեցման արագությունը (նման է մեծ ջրամբարներում ջրի սառեցմանը: ձմռան սկիզբը թույլ չի տալիս, որ օդի ջերմաստիճանը արագ իջնի):
Ինչու՞ փորձարարներից ոչ մեկը չի զգացել ներարկիչի տաքացումը, երբ նրանք ներս են հրել մխոցը: Պատասխանը շատ պարզ է. Գազային խառնուրդի և ապակու (մեկ միավոր զանգվածի) ջերմային հզորությունները շատ չեն տարբերվում։ Բայց ապակե մխոցի զանգվածը տասնյակ, երբեմն էլ հարյուրավոր անգամ ավելի մեծ է, քան գազի զանգվածը։ Հետևաբար, եթե նույնիսկ հովացման գազային խառնուրդի ողջ ջերմությունը փոխանցվի ներարկիչի պատերին, այդ պատերը կջերմանան միայն մեկ աստիճանի մասով:
Գործնական նշանակություն ունի նաև ազոտի երկու օքսիդների միջև հավասարակշռություն ունեցող դիտարկվող համակարգը։ Ցածր ճնշման դեպքում NO2-ի և N2O4-ի խառնուրդը հեշտությամբ հեղուկանում է: Սա հնարավորություն է տալիս այն օգտագործել որպես արդյունավետ հովացուցիչ նյութ՝ չնայած բարձր քիմիական ակտիվությանը և սարքավորումների վրա քայքայիչ ազդեցությանը: Ի տարբերություն ջրի, որը ջերմային էներգիա ստանալիս, օրինակ, միջուկային ռեակտորից, շատ տաքանում է և կարող է նույնիսկ գոլորշիանալ, ջերմության փոխանցումը ազոտի օքսիդների խառնուրդին հանգեցնում է հիմնականում ոչ թե դրա տաքացման, այլ քիմիական ռեակցիայի՝ կոտրելու: N–N կապը N2O4 մոլեկուլում։ Իսկապես, նյութի մեկ մոլում (92 գ) N–N կապը կոտրելու համար առանց այն տաքացնելու պահանջվում է 57,4 կՋ էներգիա։ Եթե այդպիսի էներգիան փոխանցվում է 92 գ ջրին 20 ° C ջերմաստիճանում, ապա 30,8 կՋ-ն կուղղվի ջուրը եռալու, իսկ մնացած 26,6 կՋ-ը կհանգեցնի մոտ 11 գ ջրի գոլորշիացման: Ազոտի օքսիդների դեպքում խառնուրդը շատ չի տաքանում, տեղակայման ավելի ցուրտ վայրերում շրջանառվող խառնուրդը փոքր-ինչ սառչում է, հավասարակշռությունը տեղափոխվում է դեպի N2O4, և խառնուրդը կրկին պատրաստ է ջերմություն ընդունելու։
