Naszą ostatnią opowieść zakończyliśmy krótkim spojrzeniem na szereg napięciowy metali. Dziś przyjrzyjmy się wnioskom i praktycznym korzyściom, jakie można z niego wyciągnąć.
Jak wspomniałem poprzednio potencjał elektrochemiczny jest (w pewnym uproszczeniu) miarą tego, w jakim stopniu dany pierwiastek ma skłonność by oddać/przyjąć elektrony i stać się jonem. Jeżeli kawałek metalu zanurzymy w wodzie to wówczas na jego powierzchni rozpocznie się dramatyczna walka o elektrony (tu mała uwaga, w chemii jak nie wiadomo o co chodzi to zwykle chodzi o elektrony i energię). W procesie tym biorą nie tylko atomy metalu (tworzące ciało stałe), ale również pierwiastki występujące w roztworze wodnym jako jony.
Nawet w czystej wodzie (to znaczy będącej tylko i w 100% wodą, tj. chemicznie czystym H2O) część cząsteczek wody ulega rozpadowi na jony. Tu należałoby poruszyć cały wątek dotyczący pH roztworów, ale na razie pozostańmy przy tym, że w roztworze idealnie czystej wody też są jony, w tym jony wodorowe.
[Tomihahndorf, via Wikimedia Commons]
Jak pamiętacie, wodór, choć nie jest metalem, ma swoje miejsce w szeregu napięciowym metali, jako standard, dla którego przyjęto potencjał równy 0 V. Wracając do walki o elektrony, pojawi się zapewne pytanie, kto w tej rywalizacji będzie wygrywał. Czy jony wodorowe czy atomy metalu? Otóż zasada jest prosta. Kto ma wyższy potencjał ten silniej je przeciąga na swoją stronę (jeśli ich nie ma i jest kationem) lub silniej je przy sobie trzyma (jeśli jest atomem z kompletem elektronów).
Stąd wynika prosty wniosek, że metale o ujemnym potencjale będą oddawać elektrony w wodzie, dzięki czemu będzie powstawać wodór cząsteczkowy i jony metali, które już nie będą się „trzymać” struktury krystalicznej metali, tylko przejdą do roztworu i będą sobie radośnie pływać wśród cząsteczek wody.
To jak szybko ten proces będzie zachodził zależy od kilku czynników. Po pierwsze od różnicy potencjałów między wodorem a metalem (naturalnie im jest ona większa tym proces szybszy). Po drugie od stężenia jonów wodorowych (dlatego w roztworach kwasów, które mają wysokie stężenie jonów wodorowych powstawanie wodoru jest tak szybkie, ze widzimy gołym okiem jak powstają jego bąbelki na powierzchni metalu).
Co jednak w sytuacji, gdy w wodzie znajdzie się metal o potencjale wyższym od wodoru. Zasadniczo… nic. Po prostu jego atomy trzymają swoje elektrony tak silnie, że jony wodorowe nie mogą ich nim odebrać. Metale te nie wchodzą więc w reakcję z wodą i dlatego dawno, dawno temu, gdy jeszcze nie znano przyczyn, nazwano je „szlachetnymi”, gdyż nie chciały reagować z pospolitą wodą.
Sytuacja się komplikuje, gdy w roztworze wodnym znajdują się inne jony, np. jony innego metalu. Komplikacja jest jednak tylko pozorna, reguła bowiem pozostaje ta sama. Kto ma wyższy potencjał, ten bierze elektrony, a jak już ten o najwyższym potencjale „zaspokoi swoje” potrzeby, to może zgarniać elektrony kolejny w szeregu metal. Mamy do czynienia ze swoistą chemiczną hierarchią, której żadne rewolucje nie są w stanie obalić. Prawa przyrody są bowiem nieubłagane.
Jak to wygląda w praktyce? Załóżmy, że mamy roztwór jonów żelaza, do którego wkładamy płytkę srebrną. Co się dzieje? Nic. Srebro ma potencjał wyższy i od żelaza i od jonów wodorowych (które w każdym roztworze wodnym są cały czas – nie zapominajmy o tym). A jeśli do roztworu włożymy płytkę ołowianą? Spójrzmy na szereg napięciowy. Ołów ma potencjał miedzy wodorem a żelazem, więc żelazo „wypada z gry” i trwa rywalizacja między ołowiem a jonami wodorowymi, którą te ostatnie stopniowo wygrywają, tworząc cząsteczkowy wodór, a w roztworze pojawiają się jony ołowiu.
Trzecią opcją jest sytuacja, kiedy włożymy do naszego roztworu płytkę magnezową. Tu magnez jest na przegranej pozycji wobec zarówno jonów żelaza i jonów wodorowych. W konsekwencji powstaje wodór, ale co dla nas istotniejsze lśniąca płytka magnezowa pokrywa się szarym nalotem. To znak, że na jej powierzchni osadzają się atomy żelaza, które odebrało magnezowi elektrony. Magnez, niepyszny, musi je oddać (ach, te nieubłagane prawa natury) i jako jon przechodzi do roztworu.
[via Wikimedia Commons]
Niektórym już zapewne świta w głowie, że gdybyśmy mieli w roztworze jony metalu szlachetnego, np. srebra, to włożywszy do roztworu mniej szlachetną płytkę żelazną, to na jej powierzchni powstałaby błyszcząca warstewka srebra. To prawda i tym sposobem można posrebrzać, czy np. pozłocić dowolny metal nieszlachetny i to metoda stosowana od wieków.
Jakkolwiek pamiętajmy, że powstała tym sposobem warstewka jest bardzo cienka. Proces jej tworzenia praktycznie kończy się, gdy cała powierzchnia metalu mniej szlachetnego jest już pokryta tym bardziej szlachetnym. Pozostałe w roztworze jony nie mają powodu (no bo skąd brać elektrony), by osadzać się na powierzchni utworzonej przez ten sam co one metal. Trzeba by je jakoś do tego zmotywować.
Jednak, żeby wiedzieć jak to zrobić musimy wejść w tajemne arkana nauki zwanej, galwanotechniką. Ale o tym już w następnym odcinku 😉
Wojciech Smułek