La serie de actividad electroquímica de los metales ( una serie de voltajes , una serie (desplazamiento) de Beketov , una serie de potenciales de electrodo estándar ) es una secuencia en la que los metales se organizan en orden creciente de sus potenciales electroquímicos estándar E 0 correspondiente al catión metálico semirreacción de reducción Me n+ : Me n+ + nē → Me
Varias tensiones caracterizan la actividad comparativa de los metales en las reacciones redox en soluciones acuosas.
| Li → Cs → Rb → K → Ba → Sr → Ca → Na → Mg
→ Al → Ti → Mn → Zn → Cr → Fe → Cd → Co → Ni → Sn → Pb → H → Sb → Bi → Cu → Hg → Ag → Pd → Pt → Au |
La secuencia de la disposición de los metales en el orden de cambio de su actividad química en términos generales ya era conocida por los alquimistas [1] . Los procesos de desplazamiento mutuo de los metales de las soluciones y su precipitación superficial (por ejemplo, el desplazamiento de la plata y el cobre de las soluciones de sus sales por el hierro) se consideraron como una manifestación de la transmutación de los elementos.
Los alquimistas posteriores estuvieron cerca de comprender el lado químico de la precipitación mutua de metales a partir de sus soluciones. Entonces, Angelus Sala en su trabajo "Anatomy Vitrioli" (1613) llegó a la conclusión de que los productos de las reacciones químicas consisten en los mismos "componentes" que estaban contenidos en las sustancias originales. Posteriormente, Robert Boyle propuso una hipótesis sobre las razones por las que un metal desplaza a otro de una solución basándose en conceptos corpusculares [2] .
En 1793, Alessandro Volta , diseñando una celda galvánica ( columna voltaica ), estableció la actividad relativa de los metales entonces conocidos: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. La "fuerza" de la celda galvánica resultó ser mayor cuanto más separados estaban los metales en esta serie ( serie de voltajes ). Sin embargo, Volta no conectó esta serie con las propiedades químicas de los metales.
En 1798, Johann Wilhelm Ritter señaló que la serie Volta es equivalente a la serie de oxidación de los metales (es decir, la secuencia de disminución de su afinidad por el oxígeno). Así, Ritter planteó la hipótesis sobre la ocurrencia de una corriente eléctrica debido a una reacción química [3] .
En la era de la formación de la química clásica, la capacidad de los elementos para desplazarse entre sí de los compuestos se convirtió en un aspecto importante para comprender la reactividad. J. Berzelius , basándose en la teoría electroquímica de la afinidad, construyó una clasificación de los elementos, dividiéndolos en "metaloides" (ahora se usa el término "no metales") y "metales" y poniendo hidrógeno entre ellos.
La secuencia de metales según su capacidad para desplazarse entre sí, conocida desde hace mucho tiempo por los químicos, fue estudiada y complementada de manera especialmente exhaustiva y exhaustiva por N. N. Beketov en la década de 1860 y años posteriores . Ya en 1859, realizó un informe en París sobre el tema "Investigación sobre los fenómenos del desplazamiento de unos elementos por otros". En este trabajo, Beketov incluyó una serie de generalizaciones sobre la relación entre el desplazamiento mutuo de los elementos y su peso atómico, vinculando estos procesos con "las propiedades químicas iniciales de los elementos, lo que se llama afinidad química " [4] . El descubrimiento de Beketov del desplazamiento de los metales de las soluciones de sus sales por hidrógeno bajo presión y el estudio de la actividad reductora del aluminio, magnesio y zinc a altas temperaturas ( metalotermia ) le permitió plantear una hipótesis sobre la relación entre la capacidad de algunos elementos para desplazar a otros de los compuestos con su densidad: las sustancias simples más ligeras son capaces de desplazar a las más pesadas (por lo tanto, esta serie a menudo también se denomina serie de desplazamiento de Beketov , o simplemente serie de Beketov ).
Sin negar los importantes méritos de Beketov en el desarrollo de las ideas modernas sobre la serie de actividad de los metales, se debe considerar errónea la noción de él como el único creador de esta serie común en la literatura popular y educativa rusa. [5] [6] Numerosos datos experimentales obtenidos a finales del siglo XIX refutan la hipótesis de Beketov. Así, William Odling describió muchos casos de "inversión de actividad". Por ejemplo, el cobre desplaza al estaño de una solución acidificada concentrada de SnCl 2 y al plomo de una solución ácida de PbCl 2 ; también es capaz de disolverse en ácido clorhídrico concentrado con liberación de hidrógeno . El cobre, el estaño y el plomo están en la fila a la derecha del cadmio , sin embargo, pueden desplazarlo de una solución de CdCl 2 ligeramente acidificada en ebullición .
El rápido desarrollo de la química física teórica y experimental señaló otra razón para las diferencias en la actividad química de los metales. Con el desarrollo de los conceptos modernos de electroquímica (principalmente en los trabajos de Walter Nernst ), quedó claro que esta secuencia corresponde a una "serie de voltajes": la disposición de los metales de acuerdo con el valor de los potenciales de electrodo estándar . Así, en lugar de una característica cualitativa, la "tendencia" de un metal y su ion a ciertas reacciones, Nerst introdujo un valor cuantitativo exacto que caracteriza la capacidad de cada metal para pasar a la solución en forma de iones, y también para reducirse de iones al metal en el electrodo, y la serie correspondiente se llama serie de potenciales de electrodo estándar .
Los valores de los potenciales electroquímicos son función de muchas variables y por lo tanto muestran una compleja dependencia de la posición de los metales en el sistema periódico . Así, el potencial de oxidación de los cationes aumenta con el aumento de la energía de atomización de un metal, con el aumento del potencial de ionización total de sus átomos y con la disminución de la energía de hidratación de sus cationes.
En la forma más general, está claro que los metales al comienzo de los períodos se caracterizan por valores bajos de potenciales electroquímicos y ocupan lugares en el lado izquierdo de la serie de voltaje. Al mismo tiempo, la alternancia de metales alcalinos y alcalinotérreos refleja el fenómeno de la similitud diagonal . Los metales ubicados más cerca de la mitad de los períodos se caracterizan por grandes valores potenciales y ocupan lugares en la mitad derecha de la serie. Un aumento constante en el potencial electroquímico (de −3,395 V para el par Eu 2+ /Eu [7] a +1,691 V para el par Au + /Au) refleja una disminución en la actividad reductora de los metales (la capacidad de donar electrones ) y un aumento en la capacidad oxidante de sus cationes (la capacidad de unir electrones). Así, el europio metálico es el agente reductor más fuerte y los cationes de oro Au + son los agentes oxidantes más fuertes .
El hidrógeno se incluye tradicionalmente en la serie de voltaje, ya que la medición práctica de los potenciales electroquímicos de los metales se realiza utilizando un electrodo de hidrógeno estándar .
En la práctica, se utilizan varios voltajes para una evaluación comparativa [relativa] de la actividad química de los metales en reacciones con soluciones acuosas de sales y ácidos y para evaluar los procesos catódicos y anódicos durante la electrólisis :
| Serie de actividad electroquímica de los metales. | |
|---|---|
|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , | |