Szereg napięciowy metali

Rys.8 Aktywność cynku i miedzi

Stwierdzono, ze kawałek metalu, włożony do roztworu zawierającego jony innego metalu, może rozpuszczać się, powodując wydzielanie tego drugiego metalu z roztworu. Tak więc blaszka cynkowa umieszczona w roztworze soli miedziowej powoduje odkładanie się warstwy metalicznej miedzi w miarę, jak cynk przechodzi do roztworu. Odwrotnie, blaszka miedziana umieszczona w roztworze soli cynkowej nie powoduje wydzielania się metalicznego cynku. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z reakcją utleniania i redukcji w czasie której cynk przechodzi do roztworu a miedź wytrąca się w postaci osadu, którym jest metaliczna miedź. W tym przypadku możemy napisać, że cynk posiada zdolność redukowania jonów miedzi Cu^2+ zgodnie z równaniem. Zn(s) + Cu^2+(aq) --> Zn^2+(aq) + Cu(s)

Podobne doświadczenia możemy przeprowadzić z innymi metali i roztworami ich soli. W każdym przypadku stwierdzimy, że metale różnią się zdolnością redukowania jonów innych metali. Okazało się, że właściwości redukujące pierwiastków pozostają w ścisłym związku z wartością potencjału standardowego elektrody co wykorzystano w opracowaniu tabeli, którą nazwano szeregiem napięciowym metali (tabela 1).

Tablica 1

Szereg napięciowy metali

Elektroda	Reakcja elektrodowa	Potencjał standardowy E^o /V/
Li/Li^+	Li <=> Li^+ + e^-	- 3,05
K/K^+	K <=> K^+ + e^-	- 2,93
Ca/Ca^2+	Ca <=> Ca^2+ + 2e^-	- 2,84
Na, Na^+	Na <=> Na^+ + e^-	- 2,71
Mg/Mg^2+	Mg <=> Mg^2+ + 2e^-	- 2,37
Al/Al^3+	Al <=> Al^3+ + 3e^-	- 1,66
H2O/H2, OH^-	2H2O + 2e^- <=> H2 + 2OH^-	- 0,83 -0,42 przy pH =7
Zn/Zn^2+	Zn <=> Zn^2+ + 2e^-	- 0,76
Cr/Cr^3+	Cr <=> Cr^3+ + 3e^-	- 0,71
Fe/Fe^2+	Fe <=> Fe^2+ + 2e^-	- 0,44
Cd/Cd^2+	Cd <=> Cd^2+ + 2e^-	- 0,43
Co/Co^2+	Co <=> Co^2+ + 2e^-	- 0,25
Ni/Ni^2+	Ni <=> Ni^2+ + 2e^-	- 0,24
Sn/Sn^2+	Sn <=> Sn^2+ + 2e^-	- 0,14
Pb/Pb^2+	Pb <=> Pb^2+ + 2e^-	- 0,13
O2/HO2^-, OH^-	O2 + H2O + 2e^- <=> HO2^- + OH^-	- 0,08
H2/H^+	H2 <=> 2H^+ + 2e^-	- 0,00 z definicji
Cu/Cu^2+	Cu^2+ + 2e^- <=> Cu	+ 0,345
O2/OH^-	O2 + 2H2O + 4e^- <=> 4OH^-	+ 0,40 +0,82 przy pH = 7
Hg/Hg^2+	Hg^2+ + 2e^- <=> Hg	+ 0,854
Ag/Ag^+	Ag^+ + e^- <=> Ag	+ 0,800
O2, H^+/H2O	O2 + 4H^+ + 4e^- <=> 2H2O	+ 0,1,23 +0,82 przy pH = 7
Au/Au^+	Au^+ + e^- <=> Au	+ 1,420

Przedstawiona tabela ma swoje praktyczne znaczenie. A mianowicie wartość potencjału standardowego jest miarą zdolności utleniająco-redukujących pary utleniacz-reduktor. Znak i wartość potencjału standardowego określają zdolności redukujące cząstek. Z dodatniego znaku E^o(Cu²⁺/Cu), +0,34 V, wynika, że warunkach standardowych w ogniwie z elektrodą wodorową miedź jest katodą, czyli miejscem redukcji. To oznacza, że w warunkach standardowych miedź jest redukowana przez gazowy wodór:

Cu²⁺_aq + H_2(g) --> Cu_(s) + 2H⁺_(aq)

Przeciwnie natomiast ujemny znak E^o(Zn²⁺_aq/Zn), - 0,76 V, wskazuje, że w warunkach standardowych w ogniwie z elektrodą wodorową cynk jest anodą, miejscem utleniania. Oznacza to, że warunkach standardowych cynk redukuje jony wodorowe do gazowego wodoru:

Zn_(s) + 2H⁺_(aq) --> Zn²⁺_aq + H_2(g)

Znając położenie pierwiastka w szeregu napięciowym można przewidzieć, który z nich jest bardziej aktywny chemicznie, a tym samym przewidywac kierunek reakcji samorzutnych, tzn. które;

• mogą wypierać wodór z rozcieńczonych roztworów kwasów,

• są odporne na działanie rozcieńczonych roztworów kwasów,

• mogą wypierać srebro z rozcieńczonego AgNO₃

• itp.

Na przykład w ogniwie (-)Me_(s)|Me^z+||H⁺(aq)|H_2(g)|Pt⁽⁺⁾ wodór może być wypierany z rozcieńczonych kwasów przez metale o potencjałach standardowych niższych niż potencjał standardowy elektrody wodorowej. Metalami tymi są; K, Ca, Na, Zn, itd. W czasie pracy tak zbudowanego ogniwa na lewym półogniwie będzie przebiegał proces utlenienia metalu Me, natomiast na prawym - proces redukcji kationów H+. Wypadkowa reakcja zachodząca w ogniwie ma przebieg następujący.

Me_(s) + z H⁺(aq) --> Me^z+ + z/2 H_2(g)

Z drugiej strony wiemy, ze metale o dodatnich potencjałach standardowych nie mogą redukować jonów wodorowych i wydzielać gazowego wodoru z rozcieńczonego roztworu kwasu. Na przykład Cu i metale szlachetne, Ag, Pt i Au, nie zostają utlenione przez jony wodorowe.

Na podstawie potencjałów normalnych elektrod można określić znaki elektrod i obliczyć wartość SEM ogniwa. Na podstawie potencjałów normalnych (tabela 1) łatwo jest przewidzieć, że w ogniwie zbudowanym z elektrod miedzianej i cynkowej, zanurzonych w roztworach swych dwuwartościowych jonów o jednakowych stężeniach molowych, elektrodą dodatnią jest elektroda miedziana, a elektrodą ujemną - elektroda cynkowa. Normalna SEM tego ogniwa wyniesie.

Eo = 0,345 V - (-0,763) = 1,108 V

SEM ogniwa zbudowanego z dwóch metali jest tym większa im dalej od siebie są one położone w szeregu napięciowym.

---