Kurs elektrokemi

Skriv ut Träna begrepp Stortest

SPÄNNINGSSERIEN

Elektrokemi handlar om två saker.

  1. Att genom kemiska reaktioner få en elektrisk ström. I kemiska reaktioner så byter elektroner plats och detta fenomen kan man utnyttja för att få en elektrisk ström. Denna händelse används i alla former av batterier.
  2. Att med hjälp av elektrisk ström starta och driva kemiska reaktioner (kallas också elektrolys). Detta används för att framställa grundämnen i ren form (t ex koppar och aluminium) samt skydda olika metaller mot nedbrytning.

Kemiska reaktioner som ger elektrisk ström:

Metaller är olika bra på att bilda joner. En del metaller ger ifrån sig sina valenselektroner väldigt lätt medan andra inte gör det. Metaller som inte gärna bildar joner kallas ädla metaller t ex guld, silver och platina. Metaller som är bra på att bilda joner är ofta oädla metaller. Oädla metaller är ofta reaktiva och finns i många olika kemiska föreningar.

Alla metaller kan rangordnas beroende på hur bra de är på att bilda joner. Denna lista kallas spänningsserien. Oftast visas ett urval av de vanligaste metallerna eftersom det är opraktiskt att ta med alla.

De oädla metallerna befinner sig längst till vänster och de ädla finns längst till höger. Observera att väte finns med i spänningsserien. Det innebär att om du lägger en metall oädlare (till vänster om) än väte i en lösning där väte finns t. ex. metall i en syra så kommer vätejoner sno elektroner från metallen. Resultatet blir att metallen sakta löses upp blir metalljoner medan det bubblar av vätgas i lösningen.

Fördjupning: 

OXIDATION REDUKTION

Oxidation och reduktion är två händelser som handlar om elektroner som byter plats i en kemisk reaktion. Vid en kemisk reaktion inträffar alltid både oxidation och reduktion.

Exempel 1:

En bit stålull (Fe) läggs ner i en bägare med saltet kopparklorid(CuCl2 ). Saltet kommer att dela upp sig i positiva och negativa joner (Cu2+ och Cl). De negativa jonerna har ingen funktion i detta exempel så de lämnas utanför.

Båda metalljonerna vill ha fullt yttersta elektronskal men eftersom kopparjoner är mer ädel än järnjonerna så kommer de att stjäla elektroner från järnet. Detta trots att järnet redan har fullt yttersta elektronskal.

Kopparjonerna kommer att bilda koppar. Kopparen lägger sig som en beläggning på järnet. Järnet kommer att bilda järnjoner och stålullen upplöses. På lösningens färg syns det att något hänt. Kopparsulfatens karaktäristiska ljusa blå färg är borta.

Två reaktioner äger rum. 1) Kopparjoner blir koppar. 2) järnet blir järnjoner. Dessa reaktioner kallas oxidation och reduktion.

Oxidation

Oxidation är en reaktion när det avges elektroner. I detta fall är det järn som avger elektroner. Järnet oxideras.

Fe —> Fe2++ 2e

Reduktion

Reduktion är en reaktion när elektroner tas upp. I detta fall är det kopparn som tar upp elektroner. Kopparn har reduceras.

Cu2++ 2e —-> Cu

För att kunna ta emot elektroner måste ett annat ämne ge ifrån sig sina elektroner. Därför sker alltid oxidation och reduktion rum samtidigt.

Det kallas för en redox-reaktion och vanligtvis skrivs de två reaktionerna i samma formel (utan elektroner).

Fe + Cu2+—-> Cu + Fe2+

En redox-reaktion är ett exempel på elektroner i rörelse. Elektricitet är just elektroner i rörelse. I ett batteri omvandlas den kemiska energin till elektrisk energi och så det går det att använda den.

Exempel 2:

Om en kopparbit läggs i en lösning med järnjoner händer ingenting eftersom kopparen inte vill lämna ifrån sig elektroner till järnet på grund av att järnet är en oädlare metall.

Fördjupning: 

GALVANISKA ELEMENT

Ett galvaniskt element är ett samlingsnamn för  olika typer av batterier. I galvaniska element omvandlas kemisk energi till elektrisk energi.

Det är en konstruktion med två olika metaller i en jonlösning. Mellan metallerna är en ledare kopplad så att elektroner kan vandra emellan. I galvaniska element kallas jonlösningen för elektrolyt.

Trots att båda metallerna har fullt elektronskal kommer kopparn (mer ädel) att stjäla elektroner från zink. Det kommer att åka elektroner i ledaren och en ström uppstår. Strömmen kan få t.ex. en lampa att lysa.

Koppar som tar emot elektroner blir en positiv pol och zink som avger blir en negativ. Minnesregel kan vara att zink avger elektroner eftersom den har så många och därför är den negativ pol.

Zinken oxideras (avger elektroner) och zinkjoner går ut i jonlösningen (elektrolyten).

Zn(s) —>Zn2+ + 2e

(s står för solid = zink i fast form)

Kopparbiten borde då reduceras men det gör den inte eftersom den är solitt metall. Kopparen har egentligen inget behov av elektroner. I stället leds elektronerna vidare genom kopparen till något i lösningen som reduceras. Om finns kopparjoner i lösningen så reduceras de.

Cu+2+ 2e —->Cu (s)

Den polen där det sker oxidation kallas för anod och den pol där reduktion sker kallas katod.

Det finns många faktorer som påverkar hur stor ström man får. Vilka metaller man har, hur stora, hur nära de sitter varandra, hur mycket joner det finns i jonlösningen med mera.

Ett galvaniskt element som har haft stor betydelse för utvecklingen av batterier är Daniells cell.

Fördjupning: 

KORROSION

Korrosion innebär att en metall löses upp genom en kemisk reaktion. Vanligtvis reagerar metall med syre och bildar oxider. Utomhus går reaktionen snabbare och det händer lite olika saker med metallerna. Några exempel:

  • Järn rostar till olika varianter av järnoxid. Järnoxid är poröst och har väl något börjat rosta så går det ganska snabbt för resten järnet att reagera.
  • När aluminium reagerar med syre får metallen en hinna av aluminiumoxid. Detta lager skyddar mot alla reaktioner så aluminium håller sig fint länge så släng inga aluminiumburkar i naturen.

  • Koppar ärgar och blir vackert grön. Tänk på hur fina gamla kyrktak kan vara. Precis som i exemplet ovan med aluminium, lägger sig ett lager kopparoxid på ytan av metallen och skyddar den. Det tar det lång tid för kopparen att brytas ner i naturen.

Om metaller blandas är det möjligt att omedvetet bygga galvaniska element som gör att metaller löses upp (korroderar). Ett klassiskt exempel är att använda järnspik för att spika ett koppartak. Regnvatten kommer bli en jonlösning. Det gör att järnet (oädlare än koppar) kommer avge elektroner till kopparen och järnet försvinner iväg som joner. Järnet löses upp.

För att skydda sig mot korrosion orsakad av elektrokemi går det att sätta dit oädla metaller på utsatta metallföremål t ex skrov på metallfartyg.

I havet finns det många joner (3,5 procent) och det gör det till en jonlösning. En metallbåt kommer alltid riskera att korrodera när ädlare joner snor elektroner från båtens skrov. Därför sätts en väldigt oädel metall fast i skrovet t ex magnesium.  Magnesiumet kommer att lösas upp i första hand. Denna metall kallas offeranod. När det sedan är slut får man sätta dit nytt. Denna typ av skydd används också när metalltankar grävs ner i jorden. T ex på bensinstationer.

Ytterligare ett sätt att skydda metaller som lätt reagerar med syre är att dra över ett lager med en metall som är mindre reaktionsbenägen. T ex så doppas järnspikar i flytande zink. Det kallas för att de förzinkas.

Fördjupning:

ELEKTROLYS

Elektrolys innebär att starta och driva kemiska reaktioner med elektricitet. Detta används för att framställa grundämnen i ren form (t ex koppar och aluminium) samt skydda olika metaller mot nedbrytning (korrosion).

Till detta behöver du två stavar som leder ström (ofta metall eller kol) och en jonlösning. Stavarna kallas elektroder och jonlösningen elektrolyt. Det behövs också en strömkälla med likström. Det innebär att strömmen går i samma riktning hela tiden. På bilden visas en enkel uppställning.

När en spänning läggs på kommer i det här fallet den vänstra elektroden bli minuspol och det högra pluspol. De positiva jonerna dras till minuspolen och de negativa jonerna till pluspolen. Oxidation sker vid den positiva polen  och den  kallas då anod. Reduktion sker negativa polen som kallas katod. En minnesregel är  AORK  (Anod – oxidation, reduktion-katod). Den regeln fungerar både vid elektrolys och galvaniska element.

Jonerna i jonlösningen lägger sig ofta som en beläggning på elektroderna. Om det bildas gas bubblar det vid den elektroden. Om det bildas alkalimetaller, t ex natrium, reagerar det genast med vattnet i jonlösningen och gör den basisk.

Eftersom det finns en strömkälla som driver den kemiska reaktionen är det viktigt att elektroderna leder elektricitet bra. Därför är de ofta gjorda av koppar. Båda alltså. Ibland finns det risk för att kopparelektroden oxideras d.v.s. att den själv blir joner och vandrar ut i elektrolyten. Då kan man byta ut dem mot en kolelektroder istället. Kol har molekylbindning och håller hårdare i sina elektroner.

Med hjälp av elektrolys går det att göra:

  1. Sortera jonerna i en jonlösning eftersom de åker till olika poler. Detta sker vid framställning av vissa metaller. Det går också att framställa gaser. Det gäller bara att samla upp dem när de bildas.
  2. Det går att lägga metallbeläggningar på andra metallföremål. Det kallas för att galvanisera och skyddar metaller som lätt korroderar.
  3. Det går att reducera (lösa upp) en vald elektrod så de blir joner och går används för att samla upp gas. Gasen kommer ut i de små rören.

Fördjupning: 

Film – Kemikalendern: Elektrolys (youtube, svenska, 3.17)

BATTERIER

Ett av de första kända exemplen på ett galvaniskt element är Voltas stapel. Volta staplade många plattor av zink och silver i lager och hade svavelsyra som elektrolyt. Denna kombination seriekopplade han och kom upp i 100 volt drygt.

Idag finns det många olika typer av batterier. Beroende på vilka metaller och typ av jonlösning blir batterier olika effektiva och kostar olika mycket.

I mitten av 1800-talet uppfanns ett batteri med metallen zink som minuspol och jonföreningen manganoxid som pluspol. Elektrolyten är salmiak. Manganoxid kallas också för brunsten och denna typ av batterier kallas brunstensbatterier. Idag är ett slags brunstensbatterie, det alkaliska batteriet, den absolut vanligaste batteritypen. De går inte att ladda upp och kallas AA eller AAA-batterier. De har en spänning på 1,5 volt.

Ett dyrare batteri som räcker längre är litiumbatterier. De sitter i mobiltelefoner, bärbara datorer och annan modern teknisk utrustning. Ett motsvarande litiumbatterier ger dubbelt så hög spänning än ett brunstensbatteri och går att ladda upp.

Alla batterier ska lämnas in på en miljöstation när de tagit slut men några är extra farliga.

  • Knappscellsbatterier innehåller en del kvicksilver som mycket giftigt.

  • Gamla laddningsbara batterier innehåller också giftiga grundämnen (kadmium).

  • Bilbatterier innehåller stora mängder bly som också inte får lämnas i naturen.

Batterier som går att ladda upp kallas ackumulatorer. När de laddas upp används elektricitet för att få den kemiska processen i batteriet att gå baklänges.

Fördjupning: 

Info om sidan Träna begrepp Stortest