|
Översätt
Elektrokemi
Syfte
Du skall utveckla kunskap om grundämnen, kemiska föreningar och kemiskt tekniska produkter av betydelse för vardagslivet. Du skall också ha kunskap om olika omvandlingar vid kemiska reaktioner. Genom kunskaperna skall du få inblick i äldre tiders kemiska tänkande och kunnande och vad denna nya kunskap betytt för samhällets utveckling. Genom denna kunskap skall du utvecklar förståelse av materiens oförstörbarhet, omvandlingar, kretslopp och spridning.
Du skall också utveckla kunskap om hur kemiska experiment bygger på begrepp och modeller och hur dessa kan utvecklas genom experimenterande.
Elektrokemi
Visste du om att det går att skapa elektricitet genom att föra in två olika metaller i en citron. Den ena metallbiten kommer att bli +polen medans den andra blir -polen. Hur fungerar detta? Vad händer egentligen när saker rostar sönder? Kan man skydda t.ex. bilplåten på något sätt? Vad är en jon och hur kan en jon åter blir till en atom?
Spänningsserien
För att förstå vad som händer bör man känna till att olika metaller har olika förmåga att ta till sig/lämna elektroner.
Alla våra atomer eller grundämnen har olika förmåga att ta till sig elektroner eller lämna från sig elektroner. På detta vis bildas joner. De metaller som gärna bildar joner kan vi kalla för oädla metaller medans de som har svårare för att bilda joner kan vi kalla för ädla metaller. Om man ordnar metallerna efter deras förmåga att bilda joner får vi spänningsserien. Se nedan.
Längst till vänster har vi de metaller som gärna lämnar från sig elektroner. Man kallar dem för oädla metaller (blå färg). De gul-oranga är de metaller som gärna inte lämnar från sig elektroner. Dessa kallas för ädla metaller.
Ex. När en järnplåt och en kopparplåt kommer i kontakt, gärna med lite fukt, uppstår korrosion. Kopparplåten kommer att ta till sig elektroner från järnplåten då koppar är mer ädelt.
Korrosion
Så vad händer i naturen när man låter ett obehandlat järnmaterial ligga ute? Vi har alla sett hur olika metall material rosta sönder. jag illustrera här ett försök där jag låter en obehandlad järnspik ligga i en lösning med kopparjoner och sulfatjoner.
Det som sker med järnatomerna när de ligger i lösning med kopparjoner är att kopparjonerna kommer att ta elektroner från järnatomen. Detta gör den för att koppar är mer ädelt än järn. Järn har större benägenhet att bli jonform än kopparatomen. Järnatomen går då ut i lösning som järnjon ( Fe2+) Kopparjonen har då reducerats till kopparatom (Cu). Det kommer att bildas ett skikt med kopparatomer på botten av bägaren.
Jag väljer att illustrera med reaktionsformler.
1.
Fe  Fe2+ + 2e- Oxidation
2.
Cu2+ + 2 e- Cu Reduktion
3.
Fe + Cu2+ Fe2+ + Cu Redoxreaktion
Som du ser i reaktion 1 lämnar järnatomen två elektroner och blir då Fe2+. När atomer lämnar elektroner kallas denna reaktion för oxidation. Man säger att atomen oxideras. I reaktion 2 tar kopparjonen upp två elektroner. Kopparjonen reduceras. Det sker alltså en reduktion. Alla kemiska reaktioner är redoxreaktioner. Det betyder att både oxidation och reduktion sker samtidigt. Alla kemiska reaktioner handlar om att byta elektroner och därmed skapas nya ämnen.
Korrosion är ett stort problem. Både vad det gäller vid tillverkning av bilar, båtar, flygplan och varmvattenberedare. Man måste hela tiden hålla koll på så att man inte skapar ett så kallat galvaniskt element. Detta är extra viktigt då fukt eller andra typer av lösningar kommer att vara närvarande. Om en rörmockare skall koppla samman två rör måste han tänka på att inte koppla samman rör av olika metaller. På bilden nedan har en rörmockare kopplat samman ett järnrör med ett kopparör. I röret kommer vatten att rinna. Vattnet kommer att fungera som elektrolytlösning. Järn som är mindre ädelt än koppar kommer att lämna elektroner till kopparjonerna. Järnatomerna blir då joner. Rost uppstår.
Galvaniskt element
I början inledde jag med att fråga hur kan man skapa elektricitet med en citron. Genom att skapa ett annat galvaniskt element kommer jag att förklara mekanismen bakom detta. På lektionen har du fått göra ett eget galvaniskt element. I bilden nedan ser du en annan form av galvaniskt element än det som gjordes på lektionen. I bägaren finns kopparjoner och sulfatjoner. En zinkplatta och en kopparplatta är nedsänkt i lösningen. Båda plattorna är sammanlänkade med en ledare och där mellan en voltmeter. Sulfatjonerna är så kallade åskådarjoner.
I spänningsserien ovan kan man utläsa att koppar är mer ädelt än zink. Zink har större benägenhet att vara i jonform än koppar. Därför är det zink som ger elektroner till koppar. Elektronerna går via ledaren, genom voltmetern. Det överskott av elektroner som bildas vid kopparplattan avges till kopparjonerna i lösningen.
På detta vis bildas en elektrisk spänning.
Zinkplattan blir minuspol (katod) och kopparplattan blir pluspol (anod).
För att reaktionen skall ske måste det finnas joner i lösningen. Jonlösningen kallas för elektrolyt. Jonerna för elektrolyter.
Om vi då tittar på hur man skapar spänning ur en citron, så fungerar citronsaften som elektrolytlösning. Detta är möjligt då citronsaften innehåller bland annat syror som fungerar som elektrolyter. Genom att stoppa in olika metaller i citronen får man på det viset ett galvaniskt element
Hur fungerar då ett vanligt batteri?
Jo, precis som jag visat ovan. Alla batterier måste ha någon form av elektrolytlösning. Salmiak är vanlig i dag då det är miljövänligt. Dock har man blandat i gelatin för att den inte skall vara rinnande. Som pluspol brukar batterier ha en kolstav och som minuspol ett tunnt hölje av zink. När man använder batteriet t.ex. i en ficklampa, kommer atomerna i zinkhöljet att övergå till joner i salmiaklösningen. När zinkhöljet sedan är slut, är batteriet också slut. I ett batteri finns det flera lager av olika material för att innehållet i batteriet inte skall läcka ut.
Skyddande ytbehandling/Elektrolys
För att skydda t.ex. bilplåt eller annan metall från att oxidera kan man ytbehandla med hjälp av elektrolys. En metall man ofta använder är förzinkning. Man brukar också kalla denna metod för galvanisering. Vanlig spik brukar täckas med ett lager zink. Det underliggande järnet blir på detta vis skonat från korrosion under lång tid framöver. Vill man bekläda oädla metaller med en finare yta av t.ex. guld eller silver går det också bra. Då använder man silverjoner eller guldjoner i stället för zink. Så här går metoden till.
Vid en elktrolys har man positiva och negativa joner i lösning. Genom att sätta på spänning kommer jonerna att dra sig till motsatta laddning. I exemplet ovan låter jag järnstavar bada i en elktrolytlösning av silverjoner och klorjoner. När jag kopplar på spänning får jag två poler. De negativa klorjonerna kommer att vandra till den positiva polen medans de positivt laddade silverjonerna vandra till den negativa polen. Vid den positiva polen kommer klorjonerna att lämna en elektron och det bildas då klorgas. vid den negativa polen kommer silverjonerna att ta upp en elektron och då bilda silveratomer på ytan av järnstaven. På detta vis kan jag tvinga jonerna att övergå till atomer även vid mindre ädla metaller.
REDOX reaktioner
Vid korrosion, rostprocesser, lämnar atomer från sig elektroner och blir joner. Vid samma reaktion blir joner till atomer. För att detta skall ske måste två reaktioner ske samtidigt.
Oxidation = givande av elektroner
reduktion = Tagande av elektron
Dessa båda reaktioner sker samtidigt. Därför kallar man reaktionen för REDOX-reaktion |
