spänningsserien och galvaniska...

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.


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-


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.


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.


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

spänningsserien och galvaniska...

Documents