Elektrokemisk skrift

Tillhör kategori: elektrokemi, redox, urval reviderat experiment

Författare: Svante Åberg   Medverkande: Anders Särngren

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Elektrokemisk skrift

Irriterande 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Ett filterpapper dränks in med en lösning av kaliumjodid och fenolftalein. Experimentet visar att man kan skriva med olika färg med hjälp av ström och att färgen beror på vilken pol till batteriet man väljer att skriva med. Filterpapperet fungerar som ett indikatorpapper, som ger brun färg vid den positiva polen och mörkrosa färg vid den negativa polen på batteriet.

Riktlinjer

Experimentet kan antingen genomföras som en demonstration av läraren eller som elevförsök.

Säkerhet

Experimentet innehåller inga farliga kemikalier.

Resterna av experimentet kan kastas i soppåsen. Överbliven lösning sparas för senare användning eller spolas ned i avloppet.

Materiel

Förarbete

Bered eventuell indikatorlösningen.

Utförande

Ett 4,5 V batteri fungerar bra.
Bild: © Anders Särngren
  1. Lös en ¼ tsk kaliumjodid i 100 ml vatten.
  2. Tillsätt knivsudd fenolftaleinpulver till kaliumjodidlösningen.
  3. Gör i ordning en pappskiva (c:a 20x20 cm) klädd med aluminiumfolie.
  4. Lägg på filterpapperet och dränk in det med lösningen.
  5. Koppla den ena ledaren från strömkällan till aluminiumfoliet.
  6. Skriv med den andra ledaren. Skriften blir antingen brun eller mörkrosa.
  7. Byt plats på ledarna för att byta färg på skriften.

Variation

Med BTB i stället för fenolftalein blir färgen blå i stället för mörkrosa.
Bild: © Anders Särngren

Experimentet går att variera genom att använda andra indikatorslösningar vilka ger annan färg på skriften, tex. BTB-lösning och lite natriumsulfat. Dessa ger gul färg vid den positiva polen respektive blå färg vid den negativa polen. Den gula färgen blir väldigt svag och svår att se på det BTB-indränkta och grönaktiga filterpapperet. Tydligare blir det om man blandar BTB-vatten och lite kaliumjodid. Där syns den bruna färgen från joden och den blåa färgen från BTB-vattnet tydligt.


Förklaring

Det indränkta papperet leder ström och när det kommer i kontakt med ledarna från strömkällan får man en sluten strömkrets.

Den negativa polen avger elektroner och det ämne som tar emot elektroner i lösningen är vatten. När detta sker bildas hydroxid, som är basiskt. Fenolftalein är en indikator som blir rosa i basisk lösning och ger på så sätt mörkrosa skrift, när man skriver med den negativa polen.

Om man istället skriver med den positiva polen tas elektroner upp och det ämne i lösningen som lättast avger elektroner är jodidjoner. Jodidjoner avger elektroner och jod bildas, som i vattenlösning ger brun färg på skriften.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Indikatorlösning med jodid och fenolftalein

Skrift med positiv pol

Vid anoden, den positiva polen sker en oxidation, jodidjonerna avger elektroner och jod bildas. Den bildade joden ger brun färg i vattenlösning.

positiv pol
oxidation (anod)
2 I- I2 + 2 e-

Skrift med negativ pol

Vid katoden, den negativa polen sker en reduktion, vattenmolekylerna tar upp elektroner och hydroxidjoner bildas med hjälp av syret i luften som behöver vara tillgängligt för att reaktionen skall ske.

negativ pol
reduktion (katod)
O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH-

Den bildade hydroxiden reagerar sedan med fenolftalein så att filterpapperet färgas mörkrosa.

Indikatorlösning med jodid och BTB

Om fenolftalein byts ut mot BTB kommer samma elektrokemiska reaktioner att ske, men färgen som beror på surhetsgraden blir annorlunda.

Vid anoden bildas jod ur jodid. Men med 4,5 V polspänning kan man räkna med att det även bildas vätejoner när vatten oxideras, så att det blir surt. BTB är gul i sur miljö. Det märks emellertid inte i praktiken eftersom det också bildas jod vid anoden. Jodens starka brun färg döljer BTB:S mycket svagare gula färg.

Vid katoden blir färgen av pH-indikatorn däremot tydlig. Fenolftalein är mörkrosa, men BTB blå i basisk miljö.

Indikatorlösning med natriumsulfat och BTB

Om kaliumjodid byts ut mot natriumsulfat och fenolftalein byts ut mot BTB-vatten sker följande reaktioner.

Skrift med positiv pol

Vid anoden, den positiva polen sker en oxidation, vattenmolekylerna avger elektroner och vätejoner bildas. Saltet natriumsulfat (Na2SO4) är stabilt och medverkar inte i reaktionen. De bildade vätejonerna reagerar sedan med BTB så att filterpapperet färgas gult.

positiv pol
oxidation (anod)
2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e-

De bildade vätejonerna reagerar sedan med BTB så att filterpapperet färgas gult.

Skrift med negativ pol

Vid katoden, är reaktionen densamma som med KI och fenolftalein, bortsett från att BTB färgas blå i basisk miljö.

negativ pol
reduktion (katod)
O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH-

Den bildade hydroxiden reagerar sedan med BTB så att filterpapperet färgas blått.

Vad händer vid aluminiumelektroden?

När du skriver med spetsen sluts strömkretsen. Vid katoden sker reduktion och vid anoden oxidation. Reduktion och oxidation sker alltid samtidigt eftersom laddningar inte kan lagras någonstans, utan strömmen går samtidigt runt hela den slutna strömkretsen. Varför ser man då inte någon reaktion vid aluminiumelektroden?

Spetsen du skriver med fungerar som arbetselektrod där den intressanta kemiska reaktionen sker. Aluminiumfolien, däremot, fungerar som motelektrod. Motelektrodens funktion är att leverera ström med så liten påverkan som möjligt på de elektrokemiska reaktionerna som studeras. Ett sätt att åstadkomma detta är att göra motelektroden så stor som möjligt. I experimentet har motelektroden tusentals gånger större area än spetsen man skriver med. Det innebär att de kemiska reaktionerna vid motelektroden är tusentals gånger mindre per areaenhet än vid arbetselektroden. Därför blir reaktionerna vid motelektroden inte märkbara, även om de sker. Men om man låter spetsen vila tillräckligt länge mot ytan, så att strömmen ständigt var flyter, så bör med tiden även reaktionen vid motelektroden bli synlig.

I proffesionella system för elektrokemiska mätningar används förutom arbetselektrod och motelektrod även en referenselektrod. Men hjälp av elektronik kan arbetselektrodens potential styras mycket exakt i förhållande till referenselektroden.

Fördjupning

Redoxreaktion

Redoxreaktioner kan delas upp i delreaktionerna oxidation och reduktion.

Oxidation

Med oxidation menar man reaktioner där elektroner avges. Vid en oxidationsreaktion avges energi i de flesta fallen. Flera metaller kan reagera vid rumstemperatur med luftens syre till oxider. Exempel på detta är järn som oxideras av luftens syre och bildar då rost. Oxidationssteget är
Fe → Fe2+ + 2 e

Reduktion

Motsatsen till oxidation är reduktion. Reduktion innebär att elektroner tas upp. Exempel på en reduktion är när syreatomerna tar upp de elektroner som järnet avger när det rostar. Syreatomerna bildar negativa joner. Man säger då att syret har reducerats

O + 2e → O2–

Reduktion och oxidation sker samtidigt

Elektroner kan inte förkomma fria, de kan bara överföras från ett ämne till ett annat. När en reduktion sker, sker samtidigt en oxidation eftersom lika stort antal elektroner avges och tas upp. Vi kallar detta redoxreaktion. I exemplet med oxidation av järn och reduktion av syre balanseras de två delreaktionerna så att lika måna elektroner tas emot som de som avges och man får totalreaktionen

Fe + O → Fe2+ + O2–

Om vi tar hänsyn till att syrgas förekommer som molekyler och att järnjonerna och syrejonerna bildar föreningen FeO och dessutom anger aggregationsformen, så kan vi snygga till reaktionsformeln för totalreaktionen till

2 Fe(s) + O2(g) → 2 FeO(s)

Elektrokemisk redoxreaktion

Redoxreaktioner via direktkontakt eller förmedlade av elektroder

I en vanlig redoxreaktion så hoppar elektronerna över direkt från det ena ämnet till det andra. Det kan bara ske i det ögonblick molekylerna eller atomerna kolliderar med varandra. Det innebär att oxidation och reduktion sker på samma plats.

Men genom att använda sig av elektriska ledare kan vi få elektronerna att ta en omväg så att den elektron som avgivits av en partikel levereras på en annan plats. Denna typ av konstruktion möjliggör elektrokemiska redoxreaktioner.

Elektrokemisk reaktion möjliggör separation av oxidation och reduktion

Elektrokemiska reaktioner bygger på en konstruktion med elektroder och en jonlösning (elektrolyt). Dessutom finns en yttre krets med en elektrisk ledare. I elektriska batterier eller i uppställningar för elektrolys är denna uppbyggnad lätt att se. Men samma princip gäller vid bland annat elektrokemisk korrosion där en punkt på t.ex. järn rostar (anoden) och en annan punkt reagerar med luftens syre (katod). Däremellan fungerar järnet som elektrisk ledare.

I den elektrokemiska redoxreaktionen sker elektronöverföringen via en elektrisk ledare så att avgivande och upptagande av elektroner sker på olika platser. Uppställningen för den elektrokemiska reaktionen innehåller elektroder. Anoden är den elektrod som tar upp elektroner från ämnet som är i kontakt med elektroden, dvs. ämnet oxideras vid anoden. Katoden är den elektrod som levererar elektroner till ämnet vid elektroden, dvs. det ämne som reduceras.

Ibland kan elektroden själv delta i redoxreaktionen. Så är ofta fallet om en metallelektrod används som anod. Anodmaterialet oxideras då till metalljoner som går i lösning. Exempel är en kopparanod:

Anodreaktion: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e

mer material på avancerad nivå kommer

Elektrolysceller

Energin bakom reaktionerna i en elektrolyscell hämtas från en yttre strömkälla som kopplas till elektroderna. Den positiva polen blir anod där oxidationen sker. Den negativa polen blir katod där reduktionen sker. En hjälp för minnet är PANK (Positiv Anod, Negativ Katod), men observera att minnesregeln bara gäller för elektrolys, inte för andra elektrokemiska celler.

Elektrolyscell
En elektrolyscell drivs av en yttre strömkälla som kopplas till elektroderna.
Bild: © Svante Åberg

I elektrolysen sker elektrokemiska reaktioner, dvs. reaktioner där elektroner avges (oxidation) och tas upp (reduktion). Det som kan reagera är själva elektrodmaterialet och/eller ämnen som finns i elektrolyten.

Alternativa reaktioner vid elektrolys

Om anoden är en metallelektrod finns möjligheten att den oxideras och metallen bildar joner som går i lösning. Om elektrodmaterialet är grafit, en form av kol, så brukar den vara inert och varken oxideras eller reduceras under normala förhållanden.

Elektrolyten är den vattenlösning som innehåller diverse lösta ämnen. I elektrolyten kan vatten reagera både genom att oxideras och reduceras. Vätejoner kan reduceras och hydroxidjoner kan oxideras. Löst syrgas kan reduceras. Metalljoner i lösningen kan reduceras.

När det finns flera alternativa reaktioner är det den reaktion som har lättast att ske som faktiskt sker.

Vid anoden är det ämnet som har lättast att avge elektroner som reagerar. Om till exempel elektrodmaterialet är en oädel metall såsom zink, så är chansen stor att Zn övergår till Zn2+ samtidigt som 2 elektroner avges. Om elektrodmaterialet är grafit så är det troligare att t.ex. kloridjoner i lösningen övergår till klorgas eller att vatten oxideras till vätejoner.

Vid katoden är det ingen risk att elektroden reagerar om den är gjord av metall eftersom metall redan är i reducerad form. Men det kan finnas metalljoner i lösningen som reduceras till metall som grundämne. Det förutsätter att det handlar om en ganska ädel metall. Till exempel reduceras Cu2+ lätt till Cu(s) som faller ut på katoden. Men om det handlar om natriumjoner, så bildas inte natriummetall eftersom natrium är så oädel.

Vätejoner i lösningen reduceras lätt till vätgas. Redoxjämvikten mellan vätejoner och vätgas används som nollpunkt på den elektrokemiska potentialskalan. Redoxpotentialen anger jämviktsläget för jämvikten mellan metall och motsvarande metalljon. Metaller med redoxpotential över noll anses vara ädla och metalljonen reduceras lättare till metall än vätejonen till vätgas. Om redoxpotentialen ligger på negativa sidan är det vätejonerna som lättare reduceras till vätgas än metalljonen till metall.

En alternativ elektrolyt som inte är en vattenlösning är en saltsmälta. Eftersom salter har mycket hög smältpunkt så är sådana elektrolyser ovanliga. Men aluminiumframställning är exempel på elektrolys i en saltsmälta.

Man kan också tänka sig andra lösningsmedel än vatten för elektrolyten. Exempel på sådan lösningsmedel är metanol, dimetylformamid (DMF) och acetonitril (AN).

Indikator

Indikatorn känner av andra kemiska ämnen

En indikator är ett ämne som används för att visa på ett annat ämne. Indikatorns färg påverkas av om det finns mycket eller lite av ämnet i lösningen.

Typiskt är att indikatorer har en mycket stark färg. Tack vare den starka färgen behöver man bara tillsätta en liten mängd av indikatorn. Det har fördelen att man inte påverkar lösningen så mycket. För att indikatorn ska ändra färg krävs nämligen att den reagerar med det ämne som den ska påvisa. Då förbrukas lite av just detta ämne. Men när indikatortillsatsen är liten så blir också denna påverkan liten.

Det finns många sorters indikatorer. Några huvudtyper är:

Indikatorn avslöjar jämviktsläget

Indikatorer deltar i jämviktsreaktioner och därför kan ge information om den kemiska miljön, t.ex. om den är övervägande sur eller basisk, övervägande reducerande eller oxiderande, övervägande rik eller fattig på komplexbildande ämnen.

pH-indikatorer reagerar med vätejoner, H+, i jämvikten
HInd ⇄ Ind- + H+

Principen vid jämviktsreaktioner är att partiklar som finns i stor mängd tenderar att förbrukas i reaktionen. På motsvarande sätt tenderar partiklar som finns i liten mängd att bildas i reaktionen.

I en sur lösning är det gott om vätejoner. Jämvikten ovan förskjuts då åt vänster för att förbruka vätejonerna. Samtidigt bildas formen HInd av indikatorn. Om vi tar BTB (bromtymolblått) som exempel, så är formen HInd starkt gul.

I en basisk lösning är mängden vätejoner mycket liten. Jämvikten ovan förskjuts då åt höger och formen Ind- av indikatorn bildas. I fallet med indikatorn BTB så är denna form starkt blå.

Värdet pKInd

pH-indikatorn BTB slår om vid pH 7,0, dvs. när vattenlösningen är neutral. Vid pH 7 finns det lika mycket av de två formerna, dvs. 50 % IndH och 50 % Ind-, av indikatorn. Färgen blir då grön som är en blandning av gult (IndH) och blått (Ind-).

Men de flesta pH-indikatorer byter färg vid andra pH än 7. Till exempel slår metylrött om vid pH 5,1. Det har att göra med indikatormolekylens förmåga att binda vätejoner. För att få ett mått på indikatorns omslags-pH har man definierat pKInd så att det är lika med det pH när färgomslaget sker. Vi har därför
pKBTB = 7,0
pKmetylrött = 5,1

Sambandet mellan pH, pKInd och halterna av de två formerna av indikatorn är
pH = pKInd + log10([Ind-]/[IndH]), där de raka parentestecknen [...] anger "koncentrationen av ...".

När [Ind-] = [HInd] förenklas uttrycket till
pH = pKInd + log10([Ind-]/[HInd]) =
pKInd + log10(1) = pKInd + 0 = pKInd

pH-indikatorns jämvikt

Indikatorn bromtymolblått
Bild: ©Svante Åberg

pH är ett mått på halten av vätejoner. Sambandet mellan pH och vätejonhalten är
pH = -log10[H+].

pH-indikatorn används för att ge en färgindikation på vilket pH som råder i lösningen.

En pH-indikator är i sig själv ett syra-baspar. Syraformen HInd och basformen Ind- står i jämvikt med varandra. pH-indikatorns jämvikt kan skrivas

HInd H+ + Ind-
syraform
av indikatorn
vätejon basform
av indikatorn

Övriga syror och baser i lösningen förekommer i mycket större mängder och styr därför lösningens pH. pKIind är det pH då indikatorn byter färg. Beroende på pH förekommer pH-indikatorn i sin syraform eller basform.

pHsyraformen HIndbasformen I-
pH < pKInd-2≈ 100 %≈ 0 %
pH = pKInd= 50 %= 50 %
pH > pKInd+2≈ 0 %≈ 100 %
generell formel
för varje pH
log10{[Ind-]/[HInd]} = pH - pKInd

[Ind-]/[HInd] = 10pH - pKInd

I praktiken förekommer båda formerna av indikatorn bara om pH ligger inom intervallet pKInd±2. Om pH = pKInd så förekommer indikatorn till 50 % som HI och till 50 % som I-. Indikatorns färg är då blandfärgen av syraformen och basformen.

Universalindikator

Genom att blanda indikatorer med olika pKInd så kan man få en färgskala med flera omslag på pH-skalan. Det är då möjligt att påvisa flera olika pH-värden i stället för bara se om pH ligger under eller över ett visst värde.

Yamadas pH-universalindikator från 1933 är en blandning av 0,025 g tymolblått, 0,060 g metylrött, 0,300 g bromtymolblått och 0,500 g fenolftalein löst i 500 ml etanol och sedan spädd med avjonat vatten till 1000 ml.

pH-begreppet


pH-värden för några vanliga ämnen.
"pH scale" av OpenStax College" (CC BY 3.0)

pH är ett mått på surhetsgraden i en vattenlösning. Det som gör vattnet surt är vätejoner, H+. Vätejoner kommer från syror, såsom ättiksyra, svavelsyra eller kolsyra, men jonerna bildas inte förrän syran löser sig i vatten.

pH är definierat bara i vattenlösningar. Man kan alltså inte ange pH för till exempel en etanollösning, även om syran kan lösa sig i etanolen och avge vätejoner på liknande sätt som i vatten.

pH i vardagen

Det är vätejonerna som ger de sura egenskaperna hos lösningen. Till exempel är vätejoner frätande på många ämnen. Vätejonerna ger också en syrlig smak. Faktiskt är mycket av det vi äter mer eller mindre surt. Frukter innehåller fruktsyror av olika slag. Filmjölk innehåller mjölksyra och läsk innehåller kolsyra. Den syrliga smaken är faktiskt uppfriskande.

Vattenlösningar med högt pH innehåller väldigt lite vätejoner. De är basiska. Basiska livsmedel finns nästan inte. Undantag kan vara svagt basiska kakor bakade med bikarbonat eller lutfisk där det finns små rester av luten. Däremot är många rengöringsmedel starkt basiska. I basiska lösningar är halten vätejoner väldigt låg. I stället finns det gott om hydroxidjoner, OH.

pH-skalan

pH-skalan går från cirka pH 0 för starkt sura lösningar via pH 7 för en neutral lösning till cirka pH 14 för mycket basiska lösningar.

Vätejonerna (H+) står i jämvikt med hydroxidjonerna (OH) i vattenlösningen. Vätejoner och hydroxidjoner är som vågskålarna i en balansvåg. När det finns mycket av den ena finns det lite av den andra, och vice versa. Det väger jämnt vid pH 7, när vattnet är neutralt. Så är fallet i alldeles rent vatten.

pH-skalans koppling till koncentrationen av vätejoner

Halten av vätejoner kan variera mycket. I mycket sura lösningar är halten i storleksordningen 1 mol/dm3. I mycket basiska lösningar är halten väldigt låg, ned till cirka 0,00000000000001 mol/dm3. I en neutral vattenlösning är halten 0,0000001 mol/dm3.

För att slippa skriva så många siffror, så kan man uttrycka halterna med hjälp av 10-potenser. Då blir det på följande sätt:

lösning[H+] på vanligt sätt[H+] med 10-potenserpH
mycket sur1 mol/dm3100 mol/dm3 0
neutral0,0000001 mol/dm310–7 mol/dm37
mycket basisk0,00000000000001 mol/dm310–14 mol/dm314

Man använder hakparenteser för att ange att det handlar om koncentrationen av något. Koncentrationen av vätejoner betecknas då [H+].

Genom att definiera pH som exponentens värde med motsatt tecken, så kan vi hantera halter från suraste lösningen till den mest basiska utan att skriva så många siffror. I tabellen finns pH-värdet i kolumnen längst till höger.

När man skriver 10-potenser är exponenten ett mått på storleksordningen hos vätejonhalten. Varje minskning av pH med ett steg motsvarar en multiplikation av vätejonkoncentrationen med faktorn 10, och ökning av pH motsvarar en division av vätejonkoncentrationen med faktorn 10. Att låga pH ger hög halt av vätejoner beror på att man bytt tecken när man definierat pH.

På motsvarande sätt motsvarar 2 steg faktorn 100, 3 steg faktor 1000, och så vidare.

Beräkningar med pH och [H+]

Man får man pH-värdet ur vätejonkoncentrationen med följande formel:
pH = –log [H+]

Omvänt beräknar man vätejonkoncentrationen ur pH-värdet med följande formel:
[H+] = 10–pH

Formell definition av pH


Moln av motjoner bildas kring enskilda joner i lösningen.
"Ionenverteilung inLoesung" av Daniele Pugliesi" (CC BY 3.0)

I praktiken använder man koncentrationer av ämnen i lösningar när man räknar på kemiska jämvikter. Koncentrationen av vätejoner, [H+], stämmer väl med hur stor effekt vätejonerna har kemiskt när de deltar i kemiska reaktioner om lösningen är relativt utspädd. Men om koncentrationen är högre än cirka 0,1 mol/dm3, så börjar man se tydliga avvikelser mellan den faktiska kemiska effekten och den man förväntar sig utifrån koncentrationen.

Orsaken till att kemisk effekt och koncentration inte längre är proportionella vid höga koncentrationer är att det bildas moln av motjoner kring vätejonerna som påverkar deras möjlighet att delta i kemiska reaktioner. Detta beskrivs av Debye–Hückel i deras teori. De kom fram till en korrektionsfaktor som kallas aktivitetskoefficient.

Vätejonens kemiska aktivitet, som betecknas {H+}, får man genom att multiplicera jonkoncentrationen [H+] med aktivitetskoefficienten γ.


Aktivitetskoefficienten γ för lösningar med olika jonstyrkor.
"Debye-Hückel equation" av V8rik" (CC BY 3.0)

Vid låga koncentrationer är aktivitetskoefficienten γ = 1, men vid högre koncentrationer tenderar γ att vara mindre än 1.

Debye–Hückels teori för aktivitetskoefficienten γ bygger på lösningens jonstyrka. Om lösningen bara innehåller envärda joner, så är jonstyrkan lika med koncentrationen av saltet. Men om lösningen innehåller 2-värda, eller till och med 3-värda joner, så blir jonstyrkan betydligt högre. Då sjunker aktivitetskoefficienten betydligt mera.

Den formella definitionen av pH bygger på vätejonens aktivitet:
pH = –log {H+}, där {H+} = γ [H+]

Omvänt får man:
{H+} = 10–pH

Fenolftalein

Fenolftalein är en vanlig pH-indikator i skolan. Den är ofärgad i sura och neutrala lösningar, men blir rosa i basiska lösningar. Omslaget från ofärgad till rosa sker kring pH 9,7. Något som de flesta inte vet är att fenolftalein blir varmt djupröd i mycket sura lösningar där pH är under 0.

Fenolftalein har använts som laxermedel i över ett århundrade. Laxermedel gör avföringen lösare under en tidsperiod på 3-4 dagar. Misstanke om att fenolftalein kan ha en cancerogen effekt gör att man numera undviker den i laxermedel.

Nygjuten betong innehåller kalciumhydroxid, så kallad släckt kalk. I kontakten med luftens koldioxid reagerar den och bildar kalciumkarbonat inom några timmar. Bildningen av kalciumkarbonat gör betongen starkare. För att testa betongen använder man fenolftalein. Kalciumhydroxiden har pH över 8,6 och ger rosa färg med fenolftalein. Men kalciumkarbonatet har pH kring 8,4, vilket gör att fenolftaleinet förblir ofärgat.

Jämvikten för fenolftalein mellan den ofärgade (H2In) och rosa (In2-) formen ovan innebär reaktion med två hydroxidjoner. Det är egentligen en reaktion i två steg med en hydroxid vardera gången, men man ser inte någon färgförändring i det första steget. Eftersom en indikator tillsätts i så liten mängd, så har det ingen praktisk betydelse att det går åt två hydroxidjoner.

Reaktionsstegen mer i detalj är följande:
H3In+ (varmröd) ⇄ H2In (ofärgad), pK0 = 0
H2In (ofärgad) ⇄ HIn- (ofärgad), pK1 = 9,05
HIn- (ofärgad) ⇄ In2- (rosa), pK2 = 9,5
In2- (rosa) ⇄ In(OH)3- (ofärgad), pK3 = 12

(Notera att uppgifter om pK-värdet för fenolftalein varierar något beroende på källa. Vanligen anges pK = 9.7, men i referensen till denna lista anges pK2 = 9.5: Se Acid–base reactions of phenolphthalein)

Det kan också verka konstigt att vi talar om hydroxidjoner i pH-jämvikten i stället för vätejoner. Det är fullt möjligt att skriva jämvikten som en reaktion med vätejoner, men det stämmer bättre med verkligheten att tala om hydroxid eftersom vattnet vid omslaget pH = 9.5 är basiskt.

Jod

Jod är ett grundämne

Jod är ett grundämne som i ren form består av blåsvarta glänsande kristaller. Den kemiska beteckningen är I, som kommer av det grekiska ordet ioeidēs, som betyder violett. Som grundämne bildar joden tvåatomiga molekyler, I2(s), som även tål uppvärmning till gasform, I2(g).

Jod sublimerar i rumstemperatur, dvs. övergår direkt mellan fast form och gasform utan mellansteget vätskeform. Det fasta ämnet övergår till en violett gas som har en irriterande lukt och är mycket irriterande för ögon och slemhinnor. När jodgasen kondenserar igen bildar den lätt kristaller.

Förekomst

Jod förekommer sparsamt i form av i nitrathaltig jord, i olje- och saltbrunnar och i havsvatten. Grundämnet anrikas naturligt i bland annat tång, men i havssalt är halterna generellt sett låga. Man kan också framställa ren jod bl a genom att låta kaliumjodid reagera med koppar(II)sulfat.

Jod är desinficerande

På grund av sin oxiderande förmåga är jod antiseptiskt, dvs. bakteriedödande. Jodlösningar används för att tvätta sår. Förr använde man det ofta på människor, men nu är det vanligast i samband med djurhållning. Det finns att köpa på apoteket som 1 %-ig lösning under namnet Jodopax. Då använder man en lösning av jod och kaliumjodid i vatten. Jodid reagerar med joden till trijodid, som har mycket högre löslighet i vatten än ren jod. På så vis får man en mer koncentrerad och effektiv bakteriedödande lösning.

Det vanligaste saltet av jod är kaliumjodid med formeln KI (eller K+I). I den desinficerande jodspriten har man blandat jod och kaliumjodid för att bilda trijodid:
I2 + K+I ⇄ K+I3

Jod i ögat är däremot allvarligt och kan skada hornhinnan och till och med orsaka blindhet. Skölj genast ögat i rinnande vatten och tag kontakt med läkare. Inandning av jodgas är inte heller bra.

Löslighet i vatten och organiska lösningsmedel

Lösligheten av I2 i vatten är dålig, men på grund av sin starka färg kan man ändå se en svag brunfärgning i vattnet av löst jod. Lösligheten i organiska lösningsmedel är mycket större och jod antar där en intensivt violett färg.

Man kan enkelt demonstrera löslighetsfördelningen genom att till en vattenlösning av jod tillsätta en liten mängd bensin eller annat organiskt lösningsmedel. Praktiskt taget all jod kommer då att samla sig det organiska lösningsmedlet, vilket syns tydligt på färgen.

Jod löser sig i kroppsfett

Om man får jod (grundämnet, I2) på huden blir huden brunfärgad och fläckarna går inte att ta bort. Joden löser sig lätt i hudens fett, men med tiden försvinner fläcken av sig själv. Mindre fläckar är inte hälsofarliga, men man bör undvika kontakt med jod så långt som möjligt. Joden kan irritera huden.

Framkalla fingeravtryck

Genom att jod både är kraftigt färgad och har hög löslighet i fett, så kan jod användas för att framkalla fingeravtryck. Det räcker med att trycka fingret mot ett skrivpapper för att få ett avtryck i fett som går att framkalla. Framkallningen görs genom att hålla papperet över lite jod som får förånga till gas. Fingeravtrycket blir genast synligt när det brunfärgas av joden som löser sig i fettet.

Undvik att jodångor sprid så att man riskerar att andas in dem. Tänk också på att det väldigt lätt blir smutsigt av jod som kondenserar på kalla ytor. En bra idé är att värma joden i en liten bägare där man också lägger papperet med fingeravtrycket. Lägg ett lock på bägaren när du värmer försiktigt. Det räcker med en enda jodkristall och ganska svag värme.

Jodtillsats i koksaltet förhindrar struma

Man måste skilja på grundämnet jod (I2) och jod i form av joner, t.ex. i saltet kaliumjodid (K+I). Jodidjonerna är inte alls farliga, utan är tvärtom något som vi behöver i kroppen, om än i liten mängd.

Jodbrist (egentligen jodidbrist) är vanlig i delar av värden. Det yttrar sig som struma och kretinism. Struma är när sköldkörteln blir förstorad och man kan få svårt att svälja, heshet och andra obehag. Kretinism är en form av utvecklingsstörning. För att motverka jodbrist säljer man jodberikat koksalt.

Det livsviktiga grundämnet jod finns i två hormoner; tyroxin och trijodtyronin. Hormonerna reglerar ämnesomsättningen och sköter kroppens tillväxt och utveckling. De bildas i sköldkörteln och brist i barndomen leder till att den mentala och fysiska tillväxten hämmas och kan resultera i dvärgväxt. Brist på jod senare i livet kan orsaka struma och därför bestämdes på 1920-talet att hushållssaltet skulle berikas med jod. Rekommenderat intag för vuxna är 150 mikrogram per dag.

Den jod som tillsätts koksaltet i Sverige är i form av kaliumjodid, KI, ett vitt salt som till utseendet liknar koksalt. Kaliumjodid avdunstar inte, men jod i molekylform, I2 sublimerar, dvs. avdunstar. Om koksalt får stå öppet, särskilt om det blir något fuktigt, så kan jodiden oxideras till jod. Den bildade joden kan då avdunsta. Koksalt som förvaras fel kan alltså förlora innehållet av jod.

I en del länder är jodinnehållet i salt av vissa varumärken mycket lågt. Det kan leda till hälsoproblem. Unicef har därför ett program för att upplysa befolkningen om behovet av jod och hur man kan agera för att få sitt jodbehov täckt. Eleverna i skolorna får lära sig att testa om det koksalt man använder innehåller jod. Sedan informerar eleverna sina föräldrar om detta så att man fortsättningsvis väljer att köpa salt som man vet innehåller jod.

Radioaktiv jod

123I är en radioaktiv isotop av jod som används inom den medicinska diagnostiken. Radioaktiv jod som intas ansamlas i sköldkörteln. Den gammastrålning som utsänds registreras och man får en bild av organet. Stråldoserna som används är så låga att de inte är farliga för patienten.

Vid radioaktiva utsläpp kan ibland jodisotopen jod-131 (131I) spridas. Den tas upp av kroppen och ger strålskador. För att hindra jod-131 att tas upp kan man mätta kroppen med den vanliga icke radioaktiva jodisotopen. Därför delar man ut jodtabletter till människor i riskområden. Flera isotoper bildas vid atomkärnklyvning, men det är endast 131I som har en sådan halveringstid (8 dygn) att den får större betydelse. Denna isotop spreds över stora områden vid kärnkraftsolyckan i Tjernobyl 1986.

Jod bryter ned ozonskiktet

Klorerade kolväten är ett miljöproblem eftersom de bidrar till att det livsviktiga skyddet av ozon på hög höjd bryts ned. Nu har man funnit att även jod bidrar till denna nedbrytning. Det har visat sig att jodmolekyler kan följa med enorma åskmoln som snabbt stiger uppåt mot stratosfären.

Jod är en halogen

Jod är en halogen, nära besläktad med klor och brom i grupp 7 i periodiska systemet. Jod är därför ett starkt oxidationsmedel. Jod verkar korroderande på metaller. Fläckar av jod på kläderna kan tas bort med hjälp av ett reducerande medel, t.ex. natriumtiosulfat.

Som alla grundämnena i grupp 7 tar jod lätt upp elektroner och bildar envärda joner:
I2 + 2 e → 2 I

Jod är en halogen, nära besläktad med klor och brom i grupp 7 i periodiska systemet. Halogener kallas de grundämnen som finns i grupp 7, näst längst till höger i periodiska systemet. Fluor, klor, brom och jod har 7 elektroner i sitt yttersta skal och är starka oxidationsmedel. De här grundämnena tar gärna upp en åttonde elektron och bildar envärda, negativa joner.

De har en stark, genomträngande lukt, är giftiga och frätande. Halogenernas reaktivitet avtar nedåt i gruppen, den är störst för fluor och minst för jod.

Mer fakta på avancerad nivå om jod kommer.

Aluminium

Allmänt och historia

Grundämne Massprocent
Syre (O) 49,4 %
Kisel (Si) 16,3 %
Aluminium (Al) 7,5 %
Järn (Fe) 4,7 %

Aluminium är den vanligaste metallen i jordskorpan, och det tredje vanligaste grundämnet. Trots att metallen är vanlig har man inte använt den så länge. Järn, som är mindre vanlig har ju använts sedan forntiden.

Först 1825 lyckades dansken Örsted renframställa aluminium. Det var länge en dyr och exklusiv metall. Mot slutet av 1800-talet började man framställa aluminium elektrokemiskt (på liknande sätt som idag), och så småningom blev aluminium en användbar vardagsmetall. Metoden är dock mycket energikrävande, varför man bör återvinna aluminiummetall av miljöskäl. Aluminium framställs ur ett aluminiummineral, bauxit, som fått namn efter Les Baux i södra Frankrike. Bauxiten består av AlO(OH).

Egenskaper

Aluminium är en mycket användbar metall, den har låg densitet, den är mjuk och lätt att forma. Den har hög elektrisk ledningsförmåga och den kan lödas och svetsas. För att öka hållfastheten legeras den ofta med små mängder av andra metaller, t.ex. mangan, zink eller magnesium. Aluminium är dessutom beständig mot korrosion. Syret i luften bildar ett oxidskikt på metallytan. Det är 1·10-8 m tjockt, men är så tätt att det skyddar bra mot korrosion.

Användning

De goda egenskaperna gör aluminium mycket användbar.

Mijöaspekter

Aluminium är en metall som kräver stora energimängder för att framställas. Men energiåtgången vid återanvändning (omsmältning) är betydligt mindre, bara 5 % av det totala energibehovet för processen. Aluminium har många bra egenskaper som gör den användbar och hållbar. Dessutom är den lätt, vilket ger energivinster t.ex. vid konstruktioner och transporter. Anodisering av aluminium ger ytterligare fördelar som ökar användningsområdet och livslängden. T.ex ett ökat korrosionsskydd, bättre motstånd mot slitage, ett attraktivt utseende.

Jämfört med andra ytbehandlingsmetoder har anodisering mindre miljöpåverkan, under förutsättning att spillvatten från processen och färgningen tas om hand och renas. En anodiserad aluminiumbit som blir liggande i naturen har inte någon påverkan på omgivningen. Om insamling och omsmältning av aluminium fungerar bra, så är anodiserad aluminium ett material som är både miljövänligt och resursbevarande.

Framställning av aluminium

Bauxitmineralet AlO(OH) överförs till aluminiumoxid Al2O3,(smältpunkt 2050 °C). Aluminiumoxiden löses i en smälta av kryolit, Na3AlF6. Där sker en smältelektrolys med kolstavar som anod och ugnsbotten som katod (även den av kol).

vid katoden (reduktion): Al3+ + 3 e- Al
vid anoden (oxidation): 2 O2- + C(s) CO2(g) + 4 e-
Totalreaktion: 2 Al2O3 4Al + CO2

Genom denna elektrolys får man en aluminiumhalt på 99,5 %.

Framställning av alumiunium genom elektrolys i Hall-Héroult-processen
Bild: © Svante Åberg

Processen är mycket energikrävande och för att framställa ett kg aluminium behövs 14 kWh elenergi. I Sverige produceras aluminium enbart i Sundsvall, och den industrin använder elenergi motsvarande 1,2 % av Sveriges elkonsumtion.

Eftersom aluminium är en så lätt metall gör man stora energivinster genom att använda den, jämfört med andra tyngre metaller, t.ex. järn. Dessutom är den mycket lätt att återanvända. För omsmältning krävs bara 5 % av den energi som behövs till framställningen. Det är därför viktigt att insamlingen av t.ex. burkar fungerar bra.

Litteratur

  1. Eletrochemical Writing and Printing: Overhead Projector Demonstration, Sani Demiri
    http://khimiya.org/volume15/Experiment_2_06.pdf (2016-03-24)
  2. Electrolytic Cells, Purdue University
    http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch20/faraday.php (2016-03-19)
  3. Electrolytic Cells, ChemWiki
    http://chemwiki.ucdavis.edu/Core/Analytical_Chemistry/Electrochemistry/Electrolytic_Cells (2016-03-24)
  4. Electrochemistry Basics, ChemWiki
    http://chemwiki.ucdavis.edu/Core/Analytical_Chemistry/Electrochemistry/Basics_of_Electrochemistry (2016-03-24)
  5. Main Page, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page (2016-03-17)
    • Redox, Wikipedia
      https://en.wikipedia.org/wiki/Redox (2016-03-24)
    • Electrolysis, Wikipedia
      https://en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis (2016-03-17)
    • Electrolyte, Wikipedia
      https://en.wikipedia.org/wiki/Electrolyte (2016-03-24)
    • Electrode, Wikipedia
      https://en.wikipedia.org/wiki/Electrode (2016-04-15)
    • Anode, Wikipedia
      https://en.wikipedia.org/wiki/Anode (2016-04-15)
    • Cathode, Wikipedia
      https://en.wikipedia.org/wiki/Cathode (2016-04-15)
  6. Huvudsida, Wikipedia
    http://sv.wikipedia.org/wiki/Portal:Huvudsida (2016-04-15)

Fler experiment


elektrokemi, redox
Anodisering och färgning av aluminium
Att göra bly
Citronbatteri
Diffusion av kopparjoner
Elda stålull
Elektrofores av grön hushållsfärg
Guldpeng av mässing
Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi
Indikatorpapper för plus och minus på batteriet
Innehåller koksaltet jod?
Kemi med zinkjodid, del 1: Framställning
Kemi med zinkjodid, del 2: Återbilda grundämnena elektrokemiskt
Kemisk klocka med jod
Permanenta håret
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Rostindikator visar var järnet rostar
Saltkristaller av en aluminiumburk
Självantändning med glycerol och permanganat
Skämta med en svart kopparslant
Svantes testexperiment
Syrehalten i luft
Tag bort rost med elektrisk ström
Testa C-vitamin i maten
Tillverka tomtebloss
Varför rostar järn och hur kan man förhindra det?
Ärg på en kopparslant

urval reviderat experiment
Anodisering och färgning av aluminium
Avdunstning och temperatur
Citronbatteri
Den brinnande sedeln
Den tillknycklade plåtburken
DNA ur kiwi
Ett glas luft
Gasvolym och temperatur
Indikatorpapper för plus och minus på batteriet
Innehåller koksaltet jod?
Luftfuktighet och rostbildning
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Rostindikator visar var järnet rostar
Syrehalten i luft
Tag bort rost med elektrisk ström
Testa C-vitamin i maten
Vad händer när degen jäser?
Åka hiss