Kemi med zinkjodid, del 2: Återbilda grundämnena elektrokemiskt

Tillhör kategori: elektrokemi, redox, kemiska metoder

Författare: Åke Wännman

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

Irriterande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

I denna laboration skall du sönderdela den kemiska förening du framställde i del 1 av experimentet med hjälp av elektrokemi. Du får alltså tillbaka utgångsämnena du använde vid framställningen av saltet.

Elektrokemi innebär att man driver en kemisk reaktion med hjälp av elektrisk ström. Då kan man själv bestämma åt vilket håll reaktionen ska gå, även om det är i motsatt riktning mot den spontana kemiska processen.

Riktlinjer

Laborationen utförs som elevlaboration i gymnasiets kemikurs A och utföres efter del 1, men direkt kopplad till del 1.

När man första gången tar upp begreppen grundämne - kemisk förening behöver man inte gå in på några jon-formler. Man kan använda experimentet för att bara illustrera skillnaden i egenskaper mellan ett grundämne och en kemisk förening. Man kan redan på detta tidiga stadium införa begreppen exoterm och endoterm reaktion i kemikursen eftersom energiomsättning är et så centralt begrepp.

Sedan kan man använda samma laborationer för att illustrera begreppet joner samt begreppen elektropositiv och elektronegativ samt resonera kring grundämnenas placering i det periodiska systemet.

Laborationerna kan också användas i kapitlet oxidation och reduktion och man kan dela upp reaktionsformlerna i oxidations- och reduktionssteg.

Slutligen kan de inlemmas i kapitlet elektrokemi där även normalpotentialerna för respektive grundämnen införs. Man kan sedan försöka sönderdela magnesiumjodid och med ledning av normalpotentialerna bestämma vilka reaktioner som sker.

Säkerhet

Det förekommer inga farliga moment i laborationen.

De små mängder kemikalier som används och framställs kan spolas i vasken.

Materiel

Förarbete

Du behöver saltet du framställde i del 1 av experimentet. Alternativt kan du använda färdig zinkjodid.

Utförande

  1. Lös upp den zinkjodid du framställde i föregående lab i några cm3 vatten. (Alternativt kan du använda färdig zinkjodid)
  2. Ställ bägaren på ett vitt filtrerpapper och sätt ned doppelektroderna i lösningen.
  3. Iakttag vad som sker vid de båda elektroderna.
  4. Stryk försiktigt av beläggningen på de båda elektroderna mot ett finger.
  5. Hur ser avskrapet ut? Jämför utseendet med jod och zink. Vad har hänt med den kemiska föreningen?

Förklaring

Då grundämnena zink och jod reagerade med varandra i del 1 av försöket skedde en kemisk reaktion. Under reaktionen frigjordes värme, d.v.s. energi. Reaktionen var alltså exoterm. Man kan jämföra situationen med att man rullar en boll utför en backe. Den rullar av sig själv och energi frigörs (bl.a. lägesenergi). Så var fallet då zink och jod spontant reagerade under värmeutveckling och bildade zinkjodid.

I denna andra del av experimentet tillförs zinkjodiden elektrisk energi och då återbildas den grå metallen och den violetta joden. Man kan alltså få en kemisk reaktion att gå åt motsatt håll men då måste man, för en reaktion där energi frigörs, tillföra energi. I det här fallet tillförs elektrisk energi. En reaktion som kräver tillförsel av energi sägs vara endoterm. I exemplet med bollen måste man också tillföra eneregi om man vill få den tillbaka upp i backen igen. Man måste bära upp den eller sparka till den så hårt att den rullar ända upp.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Flamma

En kemisk reaktion kan gå både "fram och tillbaka". Den är emellertid endast spontan åt det ena hållet. Ett vedträ brinner spontant upp. Askan och den avgivna röken återbildas aldrig spontant till ett vedträ. De i reaktionen deltagande ämnena försöker inta så lågt energitillstånd som möjligt. Många grundämnen är instabila. De är då vad man kallar reaktiva, dvs de reagerar lätt pga att de har mycket bunden energi. Man kan likna dem vid bollar som balanserar uppe på en kant. De vill gärna ramla ned på golvet eller i någon grop. Då de ramlar ned frigörs energi. En sådan reaktion sägs vara exoterm.

Energinivåer vid reaktion
Bild: © Svante Åberg

Grundämnena zink och jod är reaktiva, instabila ämnen som vill inta ett lägre energitillstånd. För att en reaktion skall komma igång måste man emellertid tillföra en viss "tändenergi", som med ett finare ord kallas "aktiveringsenergi". Jämför situationen när du skall göra upp eld. Ibland krävs väldigt lite aktiveringsenergi. Det kan räcka med rumstemperaturen. I så fall sker vad man kallar för självantändning. I de flesta fall krävs dock litet mer, dvs någon form av tändsticka. Detta för att atomerna skall hamna på toppen av energikullen.

Då väl reaktionen kommit igång och atomerna "trillar ned" utför energibacken frigörs mer energi än vad som tillförts med tändstickan. Jämför med hur mycket energi som frigörs då ett vedträ brinner upp jämfört med den energimängd som tillförs med tändstickan. Detta är vad som sker då vatten sätts till blandningen av zink och jod. Atomerna kommer i nära kontakt med varandra och rumstemperaturen räcker som "tändsticka".En häftig reaktion sker och energi frigörs i form av värme.

Om man vill "rulla upp" bollen för backen tillbaka till toppen igen måste man tillföra energi. Lika mycket energi som frigjordes då bollen rullade ner. Det räcker emellertid inte med att tillföra värme. Man måste tillföra energi av en högre kvalitet dvs elektrisk energi. Detta är ett bra exempel på att olika energiformer har olika kvalitet. Då man tillför elektrisk energi till lösningen av zinkjodid går reaktionen tillbaka och de energirika grundämnena återbildas. Bollen "rullas" upp igen. En sådan reaktion sägs vara endoterm.

Att det inte räcker med att tillföra värmeenergi för att reaktionen skall gå tillbaka förstår man då man vet att då zinkjodid bildades flyttade elektroner sig från kopparmetallen till joden. Den reaktionen var spontan. Skall man få reaktionen at få tillbaka måste man på något sätt få elektronerna att årterta sina ursprungliga platser. Detta kan bara ske med tvång, t. ex. om man leder in elektrisk ström i vätskan.

Elektrolys av zinkjodid
Bild: © Svante Åberg

Jod används i medicinen som bakteriedödande medel. Det ingår även i vissa mediciner mot reumatism. Ett annat användningsområde är som kemikalie vid för fotografering samt framställning av visssa färgämnen.

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

Elektrokemisk cell

Oxidation och reduktion sker samtidigt så att lika många elektroner avges och tas upp. Elektroner kan nämligen inge anhopas någonstans.

Elektrokemisk cell
Laddningstransporten i en elektrokemisk cell
Bild: © Svante Åberg

I elektrokemiska celler sker oxidationen och reduktionen i varsin halvcell. En halvcell består av en elektrod av ett fast material som är i kontakt med en lösning, oftast vattenlösning. Elektronöverföringen sker mellan elektroden och lösningen. Tillsammans bildar de två halvcellerna den elektrokemiska cellen där reduktionen sker vid katoden i den ena halvcellen och oxidationen vid anoden i den andra halvcellen.

Dessutom behövs en elektrisk ledare för transport av elektroner mellan elektroderna och en saltbrygga för jonledning mellan lösningarna. Det ger en sluten strömkrets.

För att det hela ska fungera måste elektroner som tas upp i anoden transporteras till katoden där elektroner avges. Elektroner kan nämligen inte anhopas på ett ställe. De kan inte skvalpa omkring fritt i metallen, utan binder alltid till varsin atom. Det är alltså ett fixt antal platser där elektroner kan hålla till.

Elektrontransporten måste å andra sidan kompenseras av att joner transporteras på ett sådant sätt att laddningarna utjämnas. Negativa joner vandrar mot anoden och kallas därför anjoner. Positiva joner vandrar mot katoden och kallas katjoner. Saltbryggan mellan halvcellerna möjliggör denna jonvandring.

mer om elektrokemiska celler 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).

Varning för PANK - gäller ej galvaniska celler

I skolan får man ibland lära sig ordet "PANK", vilket står för Positiv = Anod, Negativ = Katod. PANK är en regel som endast gäller elektrolysceller, dvs när en yttre spänningskälla driver den kemiska reaktionen. I Galvaniska element är förhållande det motsatta.

En regel som dock alltid gäller är följande: Oxidationen sker vid anoden, reduktionen sker vid katoden.

Uppladdningsbart batteri som exempel

Att elektrolysceller och galvaniska celler har motsatta processer kan man förstå om man tänker på ett uppladdningsbart batteri. Vid laddning trycker man på ström från en yttre spänningskälla. Man laddar upp batteriet när den yttre spänningskällan är mer positiv vid batteriets pluspol och mer negativ vid batteriet minuspol än batteriet självt. Strömriktningen är sådan att oxidation (anod) sker vid batteriets pluspol och reduktion (katod) vid dess minuspol.

När man kopplar bort laddaren behåller batteriet sin spänning mellan polerna. Då går ingen ström och det går inte att avgöra vad som är anod eller katod eftersom varken oxidation eller reduktion sker.

Om man sedan använder batteriet för att t.ex. driva en lampa så tar man ut ström. Strömriktningen är omvänd, vilket betyder att oxidation och reduktion har bytt plats i batteriet. Nu sker reduktion (katod) vid pluspolen och oxidation (anod) vid minuspolen. Anod och katod har alltså bytt plats och PANK-regeln stämmer inte.

Litteratur

  1. Christie L. Borgford och Lee R. Summerlin, Chemical activities, Teacher edition, 1988, sid 64-67, American Chemical Society, Washington, DC.
  2. Nationalencyklopedin, band 20, sid 298, 1994,Bokförlaget Bra Böcker AB, Höganäs.
  3. Nationalencyklopedin, band 10, sid 139, 1994 Bokförlaget Bra Böcker AB, Höganäs.
  4. Lexikon i kemi, 1990, sid. 265, Liber förlag, Uppsala.
  5. Materialguiden: Zink, Riksantikvarieämbetet
    http://www.raa.se/materialguiden/index.asp?page=mat_show&matid=35 (2003-01-02)
  6. Zinc, Web elements
    http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Zn/key.html (2002-12-10)
  7. Index for Zinc, Web elements
    http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Zn/index.html (2002-12-10)
  8. Oxidation/Reduction, Internet Chemistry
    http://library.kcc.hawaii.edu/external/chemistry/ (2007-09-25)
  9. Discovering Electrochemical Cells, Scott A. Sinex, Prince George's Community College
    http://academic.pg.cc.md.us/~ssinex/E_cells.pdf (2002-12-10)
  10. Electrolytic Cells, Purdue University
    http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch20/faraday.php (2007-09-25)
  11. Synthesis and Decomposition of Zinc Iodide, CH185 Home Page
    http://ch185.semo.edu/synthzinc/enter.html (2002-12-10)
  12. The Synthesis and Characterization of Zinc Iodide, Steve Marsden
    http://chemtopics.com/unit01/pcomp.pdf (2002-12-10)

Fler experiment


elektrokemi, redox
Anodisering och färgning av aluminium
Att göra bly
Citronbatteri
Diffusion av kopparjoner
Elda stålull
Elektrofores av grön hushållsfärg
Elektrokemisk skrift
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
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

kemiska metoder
Att göra bly
Att vara kemisk detektiv
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Blev disken ren?
Bränna papper
Elektrofores av grön hushållsfärg
Framkalla fingeravtryck med jodånga
Framkalla fotopapper
Framställ låglaktosmjölk
Förtenning
Gör hårt vatten mjukt
Identifiera plasten
Indikatorpärlor
Innehåller koksaltet jod?
Kemisk vattenrening
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
Syrehalten i luft
Testa C-vitamin i maten
Tillverka en ytspänningsvåg
Tillverka fotopapper
Tvätta i hårt vatten
Vad innehåller mjölk?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel