Номер 2, страница 229 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

8.2. Почему ряд активности металлов начинается с лития?

Ряд активности металлов, также известный как электрохимический ряд напряжений, представляет собой последовательность металлов, расположенных в порядке увеличения их стандартных электродных потенциалов ($E^0$). Этот ряд отражает сравнительную способность металлов вступать в химические реакции в водных растворах, в частности, их способность окисляться (отдавать электроны). Чем левее металл находится в ряду, тем он активнее, тем легче он отдает электроны и тем более отрицательным значением стандартного электродного потенциала он характеризуется.

Литий (Li) начинает этот ряд, потому что он обладает самым низким (наиболее отрицательным) стандартным электродным потенциалом среди всех металлов:

$Li^+ + e^- \rightleftharpoons Li \quad E^0 = -3,04 \text{ В}$

Это делает литий самым сильным восстановителем в водных растворах и, следовательно, самым активным металлом в данном ряду.

Может показаться странным, что литий, а не, например, цезий или франций, является самым активным. Ведь в группах периодической системы восстановительные свойства атомов (способность отдавать электроны) усиливаются сверху вниз с увеличением атомного радиуса и уменьшением энергии ионизации. Действительно, у цезия самая низкая энергия ионизации среди стабильных щелочных металлов.

Однако стандартный электродный потенциал определяется не только энергией ионизации, но и суммарным энергетическим эффектом всего процесса перехода металла из твёрдого состояния в состояние гидратированного иона в растворе:

$M_{(тв)} \rightarrow M^+_{(aq)} + e^-$

Этот процесс можно условно разбить на три стадии:

1. Энергия атомизации (сублимации): затраты энергии на перевод металла из твердого состояния в газообразное ($M_{(тв)} \rightarrow M_{(г)}$).
2. Энергия ионизации: затраты энергии на отрыв электрона от газообразного атома ($M_{(г)} \rightarrow M^+_{(г)} + e^-$). У лития эта энергия выше, чем у других щелочных металлов.
3. Энергия гидратации: энергия, которая выделяется при взаимодействии иона металла с молекулами воды в растворе ($M^+_{(г)} \rightarrow M^+_{(aq)}$).

Ключевым фактором, который ставит литий на первое место, является его чрезвычайно высокая энергия гидратации. Ион лития ($Li^+$) имеет очень маленький радиус по сравнению с ионами других щелочных металлов. Из-за этого он обладает высокой плотностью заряда, что позволяет ему очень сильно притягивать полярные молекулы воды. В результате процесс гидратации иона лития сопровождается выделением огромного количества энергии. Этот большой выигрыш в энергии гидратации с лихвой компенсирует более высокие затраты энергии на атомизацию и ионизацию лития по сравнению с другими щелочными металлами (например, калием или цезием).

Таким образом, суммарный энергетический эффект для процесса окисления лития в водном растворе оказывается самым выгодным, что и соответствует самому низкому значению стандартного электродного потенциала.

Ответ: Ряд активности металлов начинается с лития, потому что литий имеет самый низкий (наиболее отрицательный) стандартный электродный потенциал ($-3,04$ В). Это обусловлено тем, что аномально высокая энергия гидратации его очень маленького иона ($Li^+$) с избытком компенсирует его относительно высокие энергии атомизации и ионизации, делая процесс окисления лития в водном растворе наиболее энергетически выгодным по сравнению с другими металлами.