Spänningsserien och galvaniska element Niklas Dahrén
Metaller som reduktionsmedel ü Metaller avger gärna sina valenselektroner 0ll andra ämnen p.g.a. låg elektronega.vitet och e3ersom de metalljoner som uppkommer kan skapa starka jonbindningar.ll nega.va joner (och därmed bilda salter) eller bilda starka jon-dipolbindningar.ll va>enmolekyler. ü Metaller kallas för reduk0onsmedel e3ersom de avger elektroner och därmed får andra ämnen a> reduceras. ü Men metaller kan också avge elektroner 0ll andra metaller: Med hjälp av den s.k. spänningsserien kan vi ta reda på vilka metaller som kan avge elektroner.ll vilka metaller.
Den elektrokemiska spänningsserien ü Den elektrokemiska spänningsserien visar hur lä> olika metaller avger elektroner och bildar joner. Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb.. H.. Cu Hg Ag Pt Au Hög förmåga a* avge elektroner och bilda metalljoner Låg förmåga a* avge elektroner och bilda metalljoner ü Från vänster 0ll höger: Metaller som står.ll vänster i spänningsserien avger elektroner.ll metaller (eller.ll väte) som står.ll höger om metallen (egentligen.ll metalljoner av dessa metaller). ü Ej från höger 0ll vänster: Metaller.ll höger (eller väte) kan inte avge elektroner.ll metalljoner (eller vätejoner) som står.ll vänster. ü Exempel: Zink står.ll vänster om koppar i spänningsserien och zinkatomer kan därför avge elektroner.ll kopparjoner. Kopparatomer kan dock ej avge elektroner.ll zinkjoner. Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu 2e-
En zinkstav placeras i en kopparlösning och då sker följande reaktion: Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu 2e- Zn Zn fungerar som reduk.onsmedel och reducerar kopparjonerna så dessa blir.ll kopparatomer. Kopparatomerna trivs inte i va>en (inga laddningar) utan kommer istället fastna på zinkstaven. Zinkstaven får därmed en kopparbeläggning och ändrar färg. När koncentra.onen av kopparjonerna minskar i lösningen får lösningen en ljusblåare färg. Cu 2+ Zn 2+ Cu Cu
Om vi gör tvärtom sker dock ingen reaktion: Cu + Zn 2+ Cu + Zn 2+ Cu Koppar är e> sämre reduk.onsmedel jämfört med zink och kan därför inte avge elektroner.ll zinkjoner. Ingen reak.on kommer därför kunna ske. Cu Zn 2+ Zn 2+
Med hjälp av spänningsserien kan vi se att koppar ej kan avge elektroner till zinkjoner Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb.. H.. Cu Hg Ag Pt Au Hög förmåga a* avge elektroner och bilda metalljoner Låg förmåga a* avge elektroner och bilda metalljoner ü Koppar är en sämre reduk0onsmedel än zink. I spänningsserien ser vi a> koppar ligger längre.ll höger och därför kan vi lista ut a> koppar är e> sämre reduk.onsmedel jämfört med zink. ü Nedanstående reak0on kan alltså inte ske: Cu + Zn 2+ Cu 2+ + Zn
Uppgift: Kan följande reaktioner ske spontant? a) Mg 2+ + Ni Mg + Ni 2+ b) Zn + Pb 2+ Zn 2+ + Pb Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb.. H.. Cu Hg Ag Pt Au Lösning: a) Nej. Vi.>ar i elektrokemiska spänningsserien för a> lista ut svaret. Magnesium ligger.ll vänster om nickel. Det betyder a> nickelatomer ej kan avge elektroner.ll magnesiumjoner. b) Ja. Vi.>ar i elektrokemiska spänningsserien för a> lista ut svaret. Bly ligger.ll höger om zink. Det betyder a> zinkatomer kan avge elektroner.ll blyjoner.
Även väte ingår i spänningsserien ü Även väte ingår i spänningsserien e3ersom väte (egentligen vätejoner) o3a ingår i redoxreak.oner med metaller. ü De metaller som står 0ll vänster om väte kan lä> avge elektroner.ll vätejoner (protoner) och därmed kommer vätgas a> bildas. När de>a sker så löses metallen upp e3ersom den omvandlas.ll metalljoner (som trivs i va>en): 2Na + 2H + 2Na + + H 2 2e - Vätejoner (protoner) avges av syror ü Natrium står 0ll vänster om väte och avger därför elektroner.ll vätejoner. Natriumjoner och vätgas bildas då. Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb.. H.. Cu Hg Ag Pt Au
Fördjupning: En metall reagerar med en syra ü Om vi blandar en syra med en metall (t.ex. zink) kommer en redoxreak.on ske. Metallen kommer avge elektroner.ll de vätejoner, H +, som syran avger. Anledningen.ll a> de>a sker är a> vätejonerna (protonerna) är posi.vt laddade och a>raherar valenselektroner och sam.digt har metaller låg elektronega.vitet och ger därför lä> bort sina valenselektroner. Zn + 2H + Zn 2+ + H 2 2e - ü Vätgas bildas: När 2 vätejoner, H +, tar emot en varsin valenselektron så kan de sedan skapa en kovalent bindning mellan varandra (de uppnår då ädelgasstruktur och elektronerna får lägre energi). Vi har då få> en vätemolekyl i gasform (alltså vätgas). Vätgasen syns i lösningen genom a> det bildas bubblor. ü Metallen löses upp av syran: När metallatomerna har avge> sina valenselektroner blir de.ll metalljoner. Metalljoner är posi.vt laddade och trivs därför bra i va>en. Metallen löses därför upp (binder med jondipolbindning med va>enmolekylerna i lösningen istället för a> vara kvar som fast metall).
Oädla och ädla metaller ü Oädla metaller reagerar med syror: Metallerna.ll vänster om väte i spänningsserien avger elektroner.ll vätejoner. När de>a sker bildar metallerna metalljoner (metallerna löses då upp e3ersom de trivs i va>en i jonform). Dessa metaller löses alltså upp av syror e3ersom syror avger vätejoner, H +. Metaller som på de>a sä> bildar joner och löses upp kallas för oädla metaller. 2Na + 2H + 2Na + + H 2 2e - ü Natrium är en oädel metall: Natrium avger elektroner.ll vätejoner (protoner) och löses upp (bildar natriumjoner) och är därför en oädel metall. ü Ädla metaller reagerar inte med syror: Metallerna.ll höger om väte avger inte elektroner.ll vätejoner och löses därför inte upp av syror. Dessa metaller kallas för ädla metaller. Desto längre.ll höger i spänningsserien desto ädlare är metallen. Oädla metaller Ädla metaller Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb.. H.. Cu Hg Ag Pt Au
a) Zink är e> starkare reduk.onsmedel än järn. b) Järn är en ädlare metall än zink. c) Zinkmetall reagerar spontant med silverjoner om den placeras i en va>enlösning av silvernitrat. d) Kopparmetall reagerar spontant med zinkjoner. e) Lägger man silver i saltsyra sker en upplösning av metallen. f) Nickel kan lösas i saltsyra. g) Blandar man en va>enlösning av zinkklorid med saltsyra sker en reak.on då det bildas vätgas. Uppgift: Avgör vilka av påståendena som stämmer Lösning: a) Stämmer. Zink ligger längre.ll vänster och reducerar då andra ämnen lä>are jämfört med järn. b) Stämmer. Järn ligger längre.ll höger och avger därför inte elektroner lika lä>. c) Stämmer. Zink kan avge elektroner.ll metalljoner som ligger.ll höger, t.ex..ll Ag +. d) Fel. Koppar kan bara avge elektroner.ll metalljoner som ligger.ll höger. e) Fel. Silver ligger.ll höger om väte och är en ädelmetall. Ädelmetaller avger inte elektroner.ll vätejoner (vätejonerna kommer från saltsyran). f) Stämmer. Nickel ligger.ll vänster om väte och kan därför avge elektroner.ll vätejoner. g) Fel. I zinkklorid finns det zinkjoner. Det är bara zinkatomer som kan avge elektroner.ll vätejoner. Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb.. H.. Cu Hg Ag Pt Au
Den elektrokemiska spänningsserien utnyttjas i ett galvaniskt element/cell (batteri) ü Olika anordningar som skapar elektrisk energi u.från kemiska reak.oner (redoxreak.oner) kallas för galvaniska element (eller galvaniska celler). ü Olika typer av banerier är exempel på galvaniska element. ü ü I galvaniska element sker en redoxreak0on genom a> elektroner avges (oxida.on) av en metall och genom a> elektronerna tas emot (reduk.on) av metalljoner från en annan metall. När elektronerna vandrar från den ena metallen.ll den andra uppstår elektricitet som kan användas för a> driva t.ex. en lampa.
I ett galvaniskt element sker en redoxreaktion ü EN galvaniskt element (en baneri) består av två sidor : På den ena sidan har vi en metall som är rela.vt bra på a> avge elektroner. På den andra sidan har vi en metall som är bra på a> ta upp elektroner (jämfört med varandra). Elektroner flödar från den ena metallen.ll den andra vilket skapar en elektrisk ström. Ba>eriet kan därmed driva en lampa eller annan elektrisk utrustning. ü Zinkmetallen: Oxideras genom a> den avger elektroner. Fungerar som reduk.onsmedel genom a> reducera koppar. ü Kopparmetallen: Reduceras genom a> den tar emot elektroner. Fungerar som oxida.onsmedel genom a> oxidera zink. Bildkälla: Av Gringer - Eget arbete, CC BY-SA 3.0, h>ps://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=4906646
Elektrisk ledare Zn Uppbyggnaden av ett galvanisk element (zink-kopparelementet) - Elektrolytlösning (jonlösning) Elektrolytlösning (jonlösning) + Anod: Oxida;on Elektroner Zn 2+ SO 2-4 SO 2-4 Cu 2+ Zn 2+ SO 2-4 Zn 2+ SO 4 2- Zn 2+ SO 4 2- SO 4 2- Lampa SO 4 2- Poröst membran eller saltbrygga Elektroner SO 4 2- Cu 2+ Cu 2+ Cu 2+ Cu Katod: Reduk;on
Vad består ett galvaniskt element av? ü 2 metallelektroder: Den ena kallas för anod och den andra för katod. ü Anod: Utgörs av den metall som lä>ast av de båda metallerna avger elektroner. I zink-kopparelementet är det zink. Här sker oxida.on. ü Katod: Utgörs av den metall som lä>ast av de båda metallerna tar upp elektroner. I zink-kopparelementet är det koppar. Här sker reduk.on. ü Elektrolytlösningar: Varje metallelektrod är doppad i en elektrolytlösning som består av joner lösta i va>en. Ibland är det enbart en elektrolytlösning som båda metallelektroderna är doppade i. ü En elektrisk ledare: En elektrisk ledare (t.ex. en koppartråd) förbinder anoden med katoden vilket möjliggör för elektroner a> vandra mellan dessa och a> uköra e> arbete, t.ex. driva en lampa. ü EN poröst membran/plana eller saltbrygga: Möjliggör för nega.va joner (anjoner) och posi.va joner (katjoner) a> vandra mellan de båda elektrolytlösningarna och.ll de olika elektroderna.
Förklaring över hur zink-kopparelementet fungerar ü Zinkelektroden utgör anoden: Zinken ligger längst.ll vänster i spänningsserien och avger därför lä>ast elektroner av de två metallerna (oxideras lä>ast). Det kommer därför ansamlas flest fria elektroner vid zinkelektroden. Zinkelektroden får e> översko> av fria elektroner och blir därför nega.vt laddad. Det blir trångt med elektroner (mycket nega.v laddning) och de vill därför vandra iväg mot områden där det finns posi.v laddning (eller i alla fall inte lika mycket nega.v laddning). Zinkelektroden kallas för anod e3ersom det är här oxida.onen sker. ü Kopparelektroden utgör katoden: Vid kopparelektroden får vi inte lika stort översko> av fria elektroner e3ersom kopparmetallen har mycket svårare a> oxideras jämfört med zink. Runt kopparelektroden har vi även många posi.va kopparjoner (i elektrolytlösningen). Kopparelektroden blir därför mer posi.vt laddad jämfört med den tydligt nega.vt laddade zinkelektroden (anoden) och kommer därför a>rahera och dra.ll sig de fria elektronerna som finns där. ü Elektronerna kommer vandra från zinkatomerna i anoden.ll kopparatomerna i katoden p.g.a. laddningsskillnaden (spänningsskillnaden; - och +). När elektronerna kommer fram.ll kopparatomerna på katoden kommer det snabbt bli fullt där men då a>raheras de av de posi.va kopparjonerna som finns runt katoden i elektrolytlösningen. Kopparjonerna i lösningen plockar upp elektronerna och reduceras då.ll kopparatomer. Kopparatomer är inte lösliga i va>en och kommer därför fastna på kopparelektroden som då ökar i vikt (sam.digt minskar zinkelektroden i vikt när zinkatomerna omvandlas.ll zinkjoner). Kopparelektroden kallas för katod e3ersom det är här reduk.onen sker.
Varför behövs det en saltbrygga (eller poröst membran) och elektrolytlösningar? ü Jonerna i elektrolytlösningarna har två avgörande uppgizer: 1. Posi.va joner vid katoden a>raherar och tar emot de elektroner som kommer fram.ll katoden. Om det inte skulle ske skulle det snabbt bli fullt på katoden med elektroner och då skulle elektronvandringen upphöra. 2. De nega.va jonerna vandrar mot anoden medan de posi.va vandrar mot katoden och då kan spänningsskillnaden (laddningsskillnad) upprä>hållas mellan anoden och katoden. Det måste hela.den vara en spänningsskillnad mellan elektroderna för a> få elektronerna a> vandra i rä> riktning. ü Saltbryggan (eller membranets) uppgiz är an 0llåta jonvandring mellan de båda sidorna.
Fördjupning: Elektrolytlösningarna upprätthåller spänningsskillnaden ü När elektronerna vandrar från anoden 0ll katoden genom den elektriska ledaren kan de uköra e> arbete, t.ex. driva en lampa. ü När elektroner avges vid anoden bildas posi.va zinkjoner som ansamlas i elektrolytlösningen runt anoden. För mycket posi.v laddning runt anoden motverkar elektronernas vandring e3ersom zinkjonerna då kan a>rahera och binda elektronerna igen. Det blir då färre fria elektroner på anoden vilket innebär minskad nega.v laddning på anoden. ü När kopparjoner tar upp elektroner vid katoden minskar antalet posi.va joner runt katoden. De elektroner som kommer fram.ll katoden kommer då inte a>raheras lika mycket av elektrolytlösningen runt katoden och därför kommer antalet fria elektroner öka på katoden. De>a leder.ll ökad nega.v laddning på katoden och e> översko> av elektroner. ü Tillsammans leder det här 0ll an spänningsskillnaden mellan anoden och katoden minskar. Elektronernas slutar därmed vandra. Men tack vare a> de nega.va jonerna i elektrolytlösningarna vandrar mot anoden, och a> de posi.va jonerna vandrar mot katoden så kan spänningsskillnaden upprä>hållas och elektronerna kan fortsä>a vandra mellan anoden och katoden.
Reaktionerna som sker i zink-kopparelementet: Anodreak0on (oxida0on): Zn Zn 2+ + 2e - Katodreak0on (reduk0on): Cu 2+ + 2e - Cu Totalreak0on (redoxreak0on): Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu
Reaktionerna som sker i ett galvaniskt element (cell) kan beskrivas med ett cellschema ü Cellschema: E> cellschema beskriver på e> överskådligt sä> e> galvaniskt element och de reak.oner som sker i de>a. ü Nedanstående cellschema är för zink-koppar-elementet: - Zn (s) Zn 2+ (aq) Cu2+ (aq) Cu (s) + ü EN galvaniskt element (galvanisk cell) består av två halvceller : Den ena halvcellen är där oxida.on sker (anoden) och den andra halvcellen är där reduk.on sker (katoden).
Se gärna fler filmer av Niklas Dahrén: hnp://www.youtube.com/kemilek0oner hnp://www.youtube.com/medicinlek0oner