Elektrokemi Kemiska beteckningar på de vanligaste atomslagen - känna till jonladdning på de vanligaste olika kemiska jonerna Elektrokemiska spänningsserien: Alla metaller i det periodiska systemet finns egentligen med i de den elektrokemiska spänningsserien. I den elektrokemiska spänningsserien ovan finns de metaller som vi skall arbeta med. Längst till vänster finns oädla metaller och ju längre till höger man kommer desto mer ädla blir metallerna. Metallerna till vänster om väte (H) kallas för oädla metaller medan de till höger kallas ädla metaller. Om två olika metaller slåss om elektroner kommer den ädlaste att vinna elektroner. Alla syror innehåller vätejoner (H + ) vilka löser upp oädla metaller till joner. Ädla
metaller påverkas inte av syraangrepp. Oxidation och reduktion Oxidation innebär att en atom eller jon avger en eller flera elektroner och på så sätt ökar i elektrisk laddning. ex. oxidation av järn till järnjoner. Reduktion innebär att en atom eller jon tar upp en eller flera elektroner och på så sätt minskar i elektrisk laddning. ex. reduktion av kopparjoner till koppar. Redoxreaktioner När en oxidation sker så sker alltid en samtidig reduktion. Man talar därför om redoxreaktioner. Tittar vi på exemplen ovan så kan en oxidation bara ske då en reduktion sker. Om järn är nedsänkt i kopparjoner (kopparsulfat) sker alltså båda reaktionerna samtidigt. Reaktionerna kan skrivas ihop på följande sätt. Vill man markera elektronövergång så görs detta på följande sätt. Koppar är alltså ädlare än järn och koppar vinner därför kampen om elektronerna Elektrolys Med hjälp av elektrisk ström kan man driva reaktioner. Nedan visas elektrolys av saltsyra (HCl). Vid minuspolen (katod) skapas vätgas och vid pluspolen (anod) skapas klorgas. Vätgasen antänds av värmen från en tändsticka (ca: 500 o C) och klorgasen som bildas är giftig. Elektroderna består av grafit.
Elektrodreaktioner och PANK-regeln Ovan visas elektrodreaktioner för elektrolys av saltsyra. Pluspolen är en elektrod och minuspolen är också en elektrod. Vid dessa elektroder sker kemiska reaktioner. Om elektroden är en pluspol kallar man den anod. Minuspolen kallas katod. För att lättare komma ihåg vilken elektrod som är vilken så kan man använda sig av PANKregeln. PANK står för positiv anod negativ katod. Katoden är negativ eftersom batteriet ovan har elektroner i överskott som vill levereras. Anoden är positiv eftersom det finns ett underskott på elektroner här. Negativa joner vill till anoden. I ovanstående fall vill kloridjoner (Cl - ) till anoden och avge en elektron var. Då bildas klorgas. Varje kloratom parar ihop sig med en annan kloratom. Detta gör att båda kloratomerna upplever att de har 8 elektroner var i sitt respektive yttersta skal. En kovalent bindning har skapats och molekylen som har skapats kallas klorgasmolekyl (Cl2). På samma sätt parar vid katoden två väteatomer ihop sig till en vätgasmolekyl (H2). Detta först efter att båda vätejoner har tagit upp var sin elektron.
Katjon och Anjon De joner som vill till katoden (negativa polen) kallas för katjoner ex. Na +, Mg +2, Ca +2, Cu +2, Zn +2, Al +3, dvs alla positiva joner. De joner som vill till anoden (positiva polen) kallas för anjoner ex. Cl -, F -, SO4-2, CO3-2, dvs alla negativa joner. Elektrolys av olika saltlösningar - vad händelser? Känna till rent teoretiskt vad som händer då olika lösningar elektrolyseras. Vad kommer hända med katod och anod Nedan elektrolys av kopparklorid. Hur förnicklar man eller förzinkar föremål? Detta kan göras med hjälp av elektrolys. Använd zinkjoner (Zn 2+ ) eller nickeljoner (Ni 2+ ) i lösning. Låt metallföremålet som skall förzinkas eller förnicklas vara som minuspol (katod). Använd likström och sätt igång processen. Elektroner kommer då att befinna sig här och reducera zinkeller nickeljonerna till rent zink eller nickel.
Galvaniskt element (Batteri) Alla metallerna i den elektrokemiska spänningsserien har olika stor förmåga att oxidera andra metaller, dvs få den andra metallen att avge elektroner som dom själva skall ha. En metall som oxiderar en annan metall kallas oxidationsmedel och metallen som blev av med elektronen eller elektronerna har då oxiderats. På motsvarande sätt kan en metall vara ett reduktionsmedel om den istället avger elektroner till en annan metall. Den andra metallen sägs då ha reducerats, dvs fått en lägre laddning. Ex. Kopparjonerna: oxidationsmedel (oxiderar järnatomer). Kopparjonerna reduceras själva till koppar. Järn: reduktionsmedel (reducerar kopparjoner). Järnatomerna oxideras själva till järnjoner. Man kan låta de två metallerna "göra upp" i (boxnings-)ringen och slåss om elektronerna. Den ädlaste metallen kommer att vinna elektronerna och den svagare kommer att förlora. De olika metallernas förmåga att ta upp elektroner mäts i jämförelse med vätgas, som utgör gränsen mellan ädla och oädla metaller. Förmågan mäts i volt (spänning). De båda metallernas förmåga jämförs och det kommer att flyta en elektrisk ström i ledningen mellan elektroderna. De båda metallblecken i vätskan nedan utgörs alltså av två olika metaller. Den elektrod som avger elektroner till den andra metallen genom ledningen kallas minuspol (katod). Den elektrod som får elektroner till sig kallas för pluspol (anod). Voltmetern kommer att visa en spänning. Vi har skapat ett batteri. Om den ena elektroden hade varit koppar (anod) och den andra hade varit järn (katod) så hade voltmetern visat ca: 0,3-0,4V. Hade elektroderna varit silver (anod) och zink (katod) så hade voltmeterns visat ca: 1,50-1,60 V. Jonkoncentrationen mellan elektroderna påverkar också en aning till vilken spänning det blir mellan elektroderna. Från tabeller kan man räkna ut spänningen mellan elektroder av olika metallslag. Här gäller att jonkoncentrationen i elektrolyten skall vara 1 mol/dm 3 (1 molar) och att atmosfärstrycket skall vara 1 bar.
Konsekvenser av elektrokemiska spänningsserien Om man skall spika fast ett koppartak så skall man använda kopparspik. Om man använder järnspik så kommer järnet att donera elektroner till kopparen enligt ovan. Det finns ju alltid lite fukt med salter mellan kopparn och spiken på ett tak. En galvanisk ström kommer att bildas, och järnspikarna kommer att oxideras till järnjoner. Kanske kommer den mer hyfsade och allmänt accepterade svordomen "järnspikar" från denna förmodligen surt förvärvade erfarenhet. Frågor: 1. Skriv kemisk beteckning för Sulfatjon, Nitratjon och Karbonatjon? 2. Vad visar den elektrokemiska spänningsserien? 3. Varför kan man ordna alla metaller i den elektrokemiska spänningsserien - vilken egenskap jämförs? 4. Vilka metaller är oädla? 5. Vilka metaller är ädla? 6. Vad utgör gränsen mellan ädla och oädla metaller? 7. Vad innebär oxidation? 8. Vad innebär reduktion? 9. Vad är en redoxreaktion - ge också ett exempel på en redoxreaktion. Markera även elektronövergång. 10. Beskriv elektrolys av saltsyra? Rita uppställning och skriv upp elektrodreaktioner samt summareaktion. 11. Hur skulle du kunna testa vilken gas som bildas vid de båda polerna till ovanstående fråga? 12. Beskriv elektrolys av kopparklorid? Rita uppställning och skriv upp elektrodreaktioner samt summareaktion.
13. Hur skulle du kunna se vilka ämnen som bildas vid de båda polerna till ovanstående fråga? 14. Vad är ett galvaniskt element? 15. Vad tävlar de båda metallerna om i ett galvaniskt batteri? 16. Hur mäter man det? 17. Vilken elektrod (anoden eller katoden) kommer alltid att vinna elektronerna? 18. Vilken elektrod (anoden eller katoden) kommer alltid att förlora elektronerna? 19. Varför skall man spika fast ett koppartak med kopparspik? 20. Varför skall man inte spika fast ett plåttak med kopparspik? 21. Hur förzinkar man ett metallföremål?