Upload
nguyenngoc
View
228
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Niklas Dahrén
Spänningsserien och galvaniska element
Metaller som reduktionsmedel
ü Metalleravgergärnasinavalenselektroner0llandraämnenp.g.a.lågelektronega.vitetoche3ersomdemetalljonersomuppkommerkanskapastarkajonbindningar.llnega.vajoner(ochdärmedbildasalter)ellerbildastarkajon-dipolbindningar.llva>enmolekyler.
ü Metallerkallasförreduk0onsmedele3ersomdeavgerelektronerochdärmedfårandraämnena>reduceras.
ü Menmetallerkanocksåavgeelektroner0llandrametaller:Medhjälpavdens.k.spänningsserienkanvitaredapåvilkametallersomkanavgeelektroner.llvilkametaller.
Den elektrokemiska spänningsserien
ü Frånvänster0llhöger:Metallersomstår.llvänsterispänningsserienavgerelektroner.llmetaller(eller
.llväte)somstår.llhögerommetallen(egentligen.llmetalljoneravdessametaller).ü Ejfrånhöger0llvänster:Metaller.llhöger(ellerväte)kaninteavgeelektroner.llmetalljoner(eller
vätejoner)somstår.llvänster.ü Exempel:Zinkstår.llvänsteromkopparispänningsserienochzinkatomerkandärföravgeelektroner.ll
kopparjoner.Kopparatomerkandockejavgeelektroner.llzinkjoner.
Zn+Cu2+Zn2++Cu2e-
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
Högförmågaa*avgeelektronerochbildametalljoner
Lågförmågaa*avgeelektronerochbildametalljoner
ü Denelektrokemiskaspänningsserienvisarhurlä>olikametalleravgerelektronerochbildarjoner.
En zinkstav placeras i en kopparlösning och då sker följande reaktion:
Zn+Cu2+Zn2++CuZnfungerarsomreduk.onsmedelochreducerarkopparjonernasådessablir.llkopparatomer.Kopparatomerna”trivs”inteiva>en(ingaladdningar)utan
kommeriställetfastnapåzinkstaven.Zinkstavenfårdärmedenkopparbeläggningochändrarfärg.Närkoncentra.onenavkopparjonerna
minskarilösningenfårlösningenenljusblåarefärg.
Cu2+ Zn2+
Zn
CuCu
2e-
Om vi gör tvärtom sker dock ingen reaktion:
Cu+Zn2+Cu+Zn2+Kopparäre>sämrereduk.onsmedeljämförtmed
zinkochkandärförinteavgeelektroner.llzinkjoner.Ingenreak.onkommerdärförkunnaske.
Zn2+ Zn2+
CuCu
Cu
Med hjälp av spänningsserien kan vi se att koppar ej kan avge elektroner till zinkjoner
Cu+Zn2+Cu2++Zn
ü KopparäreNsämrereduk0onsmedelänzink.Ispänningsserienservia>kopparliggerlängre.llhögerochdärförkanvilistauta>kopparäre>sämrereduk.onsmedeljämförtmedzink.
ü Nedanståendereak0onkanalltsåinteske:
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAuHögförmågaa*avgeelektronerochbildametalljoner
Lågförmågaa*avgeelektronerochbildametalljoner
Uppgift: Kan följande reaktioner ske spontant?
a) Mg2+ + Ni Mg + Ni2+ b) Zn + Pb2+ Zn2+ + Pb
Lösning:a) Nej.Vi.>arielektrokemiskaspänningsserienföra>listautsvaret.Magnesiumligger.llvänster
omnickel.Detbetydera>nickelatomerejkanavgeelektroner.llmagnesiumjoner.b) Ja.Vi.>arielektrokemiskaspänningsserienföra>listautsvaret.Blyligger.llhögeromzink.Det
betydera>zinkatomerkanavgeelektroner.llblyjoner.
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
Även väte ingår i spänningsserien
ü Ävenväteingårispänningsseriene3ersomväte(egentligenvätejoner)o3aingåriredoxreak.onermedmetaller.
ü Demetallersomstår0llvänsteromvätekanlä>avgeelektroner.llvätejoner(protoner)ochdärmedkommervätgasa>bildas.Närde>askersålösesmetallenuppe3ersomdenomvandlas.llmetalljoner(somtrivsiva>en):
2Na+2H+2Na++H2
2e-
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
ü Natriumstår0llvänsteromväteochavgerdärförelektroner.llvätejoner.Natriumjonerochvätgasbildasdå.
Vätejoner(protoner)avgesavsyror
Fördjupning: En metall reagerar med en syraü Omviblandarensyramedenmetall(t.ex.zink)kommerenredoxreak.onske.Metallenkommeravge
elektroner.lldevätejoner,H+,somsyranavger.Anledningen.lla>de>askerära>vätejonerna(protonerna)ärposi.vtladdadeocha>raherarvalenselektronerochsam.digtharmetallerlågelektronega.vitetochgerdärförlä>bortsinavalenselektroner.
Zn+2H+Zn2++H2
ü Vätgasbildas:När2vätejoner,H+,taremotenvarsinvalenselektronsåkandesedanskapaenkovalentbindningmellanvarandra(deuppnårdåädelgasstrukturochelektronernafårlägreenergi).Vihardåfå>envätemolekyligasform(alltsåvätgas).Vätgasensynsilösningengenoma>detbildasbubblor.
ü Metallenlösesuppavsyran:Närmetallatomernaharavge>sinavalenselektronerblirde.llmetalljoner.Metalljonerärposi.vtladdadeochtrivsdärförbraiva>en.Metallenlösesdärförupp(bindermedjon-dipolbindningmedva>enmolekylernailösningeniställetföra>varakvarsomfastmetall).
2e-
Oädla och ädla metaller ü Oädlametallerreagerarmedsyror:Metallerna.llvänsteromväteispänningsserienavgerelektroner.ll
vätejoner.Närde>askerbildarmetallernametalljoner(metallernalösesdåuppe3ersomdetrivsiva>enijonform).Dessametallerlösesalltsåuppavsyrore3ersomsyroravgervätejoner,H+.Metallersompåde>asä>bildarjonerochlösesuppkallasföroädlametaller.
2Na+2H+2Na++H2
2e-
Oädlametaller Ädlametaller
ü Natriumärenoädelmetall:Natriumavgerelektroner.llvätejoner(protoner)ochlösesupp(bildarnatriumjoner)ochärdärförenoädelmetall.
ü Ädlametallerreagerarintemedsyror:Metallerna.llhögeromväteavgerinteelektroner.llvätejonerochlösesdärförinteuppavsyror.Dessametallerkallasförädlametaller.Destolängre.llhögerispänningsseriendestoädlareärmetallen.
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
Uppgift: Avgör vilka av påståendena som stämmer
Lösning:a) Stämmer.Zinkliggerlängre.llvänsterochreducerardåandraämnen
lä>arejämförtmedjärn.b) Stämmer.Järnliggerlängre.llhögerochavgerdärförinteelektroner
likalä>.c) Stämmer.Zinkkanavgeelektroner.llmetalljonersomligger.ll
höger,t.ex..llAg+.d) Fel.Kopparkanbaraavgeelektroner.llmetalljonersomligger.ll
höger.e) Fel.Silverligger.llhögeromväteochärenädelmetall.Ädelmetaller
avgerinteelektroner.llvätejoner(vätejonernakommerfrånsaltsyran).
f) Stämmer.Nickelligger.llvänsteromväteochkandärföravgeelektroner.llvätejoner.
g) Fel.Izinkkloridfinnsdetzinkjoner.Detärbarazinkatomersomkanavgeelektroner.llvätejoner.
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
a) Zinkäre>starkarereduk.onsmedelänjärn.
b) Järnärenädlaremetallänzink.c) Zinkmetallreagerarspontantmed
silverjoneromdenplacerasienva>enlösningavsilvernitrat.
d) Kopparmetallreagerarspontantmedzinkjoner.
e) Läggermansilverisaltsyraskerenupplösningavmetallen.
f) Nickelkanlösasisaltsyra.g) Blandarmanenva>enlösningav
zinkkloridmedsaltsyraskerenreak.ondådetbildasvätgas.
Den elektrokemiska spänningsserien utnyttjas i ett galvaniskt element/cell (batteri)
ü Olikaanordningarsomskaparelektriskenergiu.frånkemiskareak.oner(redoxreak.oner)kallas
förgalvaniskaelement(ellergalvaniskaceller).
ü OlikatyperavbaNerierärexempelpågalvaniskaelement.
ü Igalvaniskaelementskerenredoxreak0ongenoma>elektroneravges(oxida.on)avenmetallochgenoma>elektronernatasemot(reduk.on)avmetalljonerfrånenannanmetall.
ü Närelektronernavandrarfråndenenametallen.lldenandrauppstårelektricitetsomkananvändasföra>drivat.ex.enlampa.
I ett galvaniskt element sker en redoxreaktion
ü ENgalvanisktelement(eNbaNeri)beståravtvå”sidor”:Pådenenasidanharvienmetallsomärrela.vtbrapåa>avgeelektroner.Pådenandrasidanharvienmetallsomärbrapåa>tauppelektroner(jämförtmedvarandra).Elektroner”flödar”fråndenenametallen.lldenandravilketskaparenelektriskström.Ba>erietkandärmeddrivaenlampaellerannanelektriskutrustning.
ü Zinkmetallen:Oxiderasgenoma>denavgerelektroner.Fungerarsomreduk.onsmedelgenoma>reducerakoppar.
ü Kopparmetallen:Reducerasgenoma>dentaremotelektroner.Fungerarsomoxida.onsmedelgenoma>oxiderazink. Bildkälla:AvGringer-Egetarbete,CCBY-SA3.0,h>ps://commons.wikimedia.org/w/
index.php?curid=4906646
Uppbyggnaden av ett galvanisk element (zink-kopparelementet)
Zn
Cu
- +
Anod:Oxida;on
Katod:Reduk;on
Zn2+Zn2+SO4
2-
Cu2+
Zn2+Cu2+
Cu2+
Cu2+
SO42-
SO42-
SO42-
SO42-
SO42-
SO42-
SO42-
Zn2+
Elektrolytlösning(jonlösning)
Poröstmembranellersaltbrygga
Elektriskledare
LampaElektroner Elektroner
Elektrolytlösning(jonlösning)
Vad består ett galvaniskt element av? ü 2metallelektroder:Denenakallasföranodochdenandraförkatod.ü Anod:Utgörsavdenmetallsomlä>astavdebådametallernaavgerelektroner.Izink-koppar-
elementetärdetzink.Härskeroxida.on.ü Katod:Utgörsavdenmetallsomlä>astavdebådametallernataruppelektroner.Izink-koppar-
elementetärdetkoppar.Härskerreduk.on.ü Elektrolytlösningar:Varjemetallelektrodärdoppadienelektrolytlösningsombeståravjonerlöstai
va>en.Iblandärdetenbartenelektrolytlösningsombådametallelektrodernaärdoppadei.
ü Enelektriskledare:Enelektriskledare(t.ex.enkoppartråd)förbinderanodenmedkatodenvilketmöjliggörförelektronera>vandramellandessaocha>ukörae>arbete,t.ex.drivaenlampa.
ü ENporöstmembran/plaNaellersaltbrygga:Möjliggörförnega.vajoner(anjoner)ochposi.vajoner
(katjoner)a>vandramellandebådaelektrolytlösningarnaoch.lldeolikaelektroderna.
Förklaring över hur zink-kopparelementet fungerar
ü Zinkelektrodenutgöranoden:Zinkenliggerlängst.llvänsterispänningsserienochavgerdärförlä>astelektroneravdetvåmetallerna(oxideraslä>ast).Detkommerdärföransamlasflestfriaelektronervidzinkelektroden.Zinkelektrodenfåre>översko>avfriaelektronerochblirdärförnega.vtladdad.Detblirtrångtmedelektroner(mycketnega.vladdning)ochdevilldärför”vandraiväg”motområdendärdetfinnsposi.vladdning(elleriallafallintelikamycketnega.vladdning).Zinkelektrodenkallasföranode3ersomdetärhäroxida.onensker.
ü Kopparelektrodenutgörkatoden:Vidkopparelektrodenfårviintelikastortöversko>avfriaelektronere3ersom
kopparmetallenharmycketsvårarea>oxiderasjämförtmedzink.Runtkopparelektrodenharviävenmångaposi.vakopparjoner(ielektrolytlösningen).Kopparelektrodenblirdärförmerposi.vtladdadjämförtmeddentydligtnega.vtladdadezinkelektroden(anoden)ochkommerdärföra>raheraochdra.llsigdefriaelektronernasomfinnsdär.
ü Elektronernakommervandrafrånzinkatomernaianoden.llkopparatomernaikatodenp.g.a.laddningsskillnaden(spänningsskillnaden;-och+).Närelektronernakommerfram.llkopparatomernapåkatodenkommerdetsnabbtblifulltdärmendåa>raherasdeavdeposi.vakopparjonernasomfinnsruntkatodenielektrolytlösningen.Kopparjonernailösningenplockaruppelektronernaochreducerasdå.llkopparatomer.Kopparatomerärintelösligaiva>enochkommerdärförfastnapåkopparelektrodensomdåökarivikt(sam.digtminskarzinkelektrodeniviktnärzinkatomernaomvandlas.llzinkjoner).Kopparelektrodenkallasförkatode3ersomdetärhärreduk.onensker.
Varför behövs det en saltbrygga (eller poröst membran) och elektrolytlösningar?
ü JonernaielektrolytlösningarnahartvåavgörandeuppgiZer:
1. Posi.vajonervidkatodena>raherarochtaremotdeelektronersomkommerfram.llkatoden.Omdetinteskulleskeskulledetsnabbtblifulltpåkatodenmedelektronerochdåskulleelektronvandringenupphöra.
2. Denega.vajonernavandrarmotanodenmedandeposi.vavandrarmotkatodenochdåkan
spänningsskillnaden(laddningsskillnad)upprä>hållasmellananodenochkatoden.Detmåstehela.denvaraenspänningsskillnadmellanelektrodernaföra>fåelektronernaa>vandrairä>riktning.
ü Saltbryggan(ellermembranets)uppgiZäraN0llåtajonvandringmellandebådasidorna.
Fördjupning: Elektrolytlösningarna upprätthåller spänningsskillnaden
ü Närelektronernavandrarfrånanoden0llkatodengenomdenelektriskaledarenkandeukörae>arbete,
t.ex.drivaenlampa.ü Närelektroneravgesvidanodenbildasposi.vazinkjonersomansamlasielektrolytlösningenruntanoden.
Förmycketposi.vladdningruntanodenmotverkarelektronernasvandringe3ersomzinkjonernadåkana>raheraochbindaelektronernaigen.Detblirdåfärrefriaelektronerpåanodenvilketinnebärminskadnega.vladdningpåanoden.
ü Närkopparjonertaruppelektronervidkatodenminskarantaletposi.vajonerruntkatoden.Deelektronersomkommerfram.llkatodenkommerdåintea>raheraslikamycketavelektrolytlösningenruntkatodenochdärförkommerantaletfriaelektronerökapåkatoden.De>aleder.llökadnega.vladdningpåkatodenoche>översko>avelektroner.
ü Tillsammanslederdethär0llaNspänningsskillnadenmellananodenochkatodenminskar.Elektronernas
slutardärmedvandra.Mentackvarea>denega.vajonernaielektrolytlösningarnavandrarmotanoden,ocha>deposi.vajonernavandrarmotkatodensåkanspänningsskillnadenupprä>hållasochelektronernakanfortsä>avandramellananodenochkatoden.
Reaktionerna som sker i zink-koppar-elementet:
Anodreak0on(oxida0on):ZnZn2++2e-
Katodreak0on(reduk0on):Cu2++2e-Cu
Totalreak0on(redoxreak0on):Zn+Cu2+Zn2++Cu
Reaktionerna som sker i ett galvaniskt element (cell) kan beskrivas med ett cellschema
-Zn(s)Zn2+(aq)Cu2+(aq)Cu(s)+
ü ENgalvanisktelement(galvaniskcell)beståravtvå”halvceller”:Denenahalvcellenärdäroxida.onsker(anoden)ochdenandrahalvcellenärdärreduk.onsker(katoden).
ü Cellschema:E>cellschemabeskriverpåe>överskådligtsä>e>galvanisktelementochdereak.onersomskeride>a.
ü Nedanståendecellschemaärförzink-koppar-elementet:
SegärnaflerfilmeravNiklasDahrén: hNp://www.youtube.com/Kemilek0oner
hNp://www.youtube.com/Medicinlek0oner