Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi

Tillhör kategori: elektrokemi, redox, urval experiment under revidering

Författare: Svante Åberg

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

Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi

Brandfarligt Irriterande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: Försumbart

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Tycker du att kopparslanten är mörk och ful? Här kommer recept på hur du kan göra den skinande blank igen. Receptet tär inte på kopparen och kan därför användas för slantar du är rädd om.

Riktlinjer

Experimentet passar bäst som elevförsök. Det kan utföras av alla, gammal som ung. Den kemiska förklaringen passar dock bäst att ta upp på gymnasiet eller möjligen i högstadiet.

Säkerhet

Remol varningsetikett
Foto: © Svante Åberg
I experimentet används fläckborttagningsmedel, Remol, innehållande natriumditionit (= natriumhydrosulfit). Medlet är märkt som hälsovådligt, men säljs i vanliga affärer och får hanteras i hemmen. Natriumditionit är ett pulver som luktar svagt av svavelhaltiga gaser. När det väl löst sig i vatten försvinner lukten.

Natriumditionit har följande riskgradering enligt The National Fire Protection Association (NFPA), (NFPA 49, Hazardous Chemical Data, 1994; ):

Överblivna kemikalier kan spolas ned i avloppet (Remol är märkt som Bra miljöval).

Materiel

Förarbete

Det krävs inget förarbete.

Utförande

  1. Tvätta bort eventuellt fett från kopparslanten med borste, tvål och vatten.
  2. Tag på skyddshandskar.
  3. Lägg 1 tsk Remol på en bit dubbelvikt hushållspapper.
  4. Fukta med några droppar vatten.
  5. Gnugga den mörka kopparslanten i den fuktiga natriumditioniten tills den blir skinande blank.
  6. Tvätta bort all Remol, även från hushållspapperet, och skölj ned i vasken. Lämna ingen Remol framme - brandfara!

Kommentar: Det mörka skiktet på kopparen kan skapas genom att slanten hålls med degeltång i lågan av en Bunsenbrännare tills den blivit het. Tag sedan ut slanten och låt den svalna. Alternativt kan man värma kopparslanten på en het kokplatta.

Förklaring

Kopparen i slanten reagerar med luftens syre och bildar kopparoxid, CuO. Det är en reaktion som tar lång tid vid rumstemperatur. Kopparoxidskiktet på ytan är ganska tunt. Därför lyser den underliggande kopparen igenom och slanten ser mörkbrun ut.

Remol
Foto: © Svante Åberg
I den svarta kopparoxiden, CuO(s), är kopparen tvåvärt laddad. Man kan skriva formeln Cu2+O2-. Ett sätt att få tillbaka koppar som metall är att tillföra elektroner så att man får reaktionen Cu2+ + 2 e- → Cu(s). Elektronerna måste tas från ett ämne som har förmågan att avge elektroner, dvs från ett reduktionsmedel. Ett sådant ämne är natriumditionit (= natriumhydrosulfit), som finns i Remol som vi använder i experimentet.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Kopparslantens yta oxideras av luftsyret

Syret i luften reagerar med kopparen i två steg. Först bildas koppar(I)oxid (Cu2O), som är röd:
2 Cu(s) + O2(g) Cu2O(s)
koppar syre koppar(I)oxid

Koppar(I)oxidskiktet märks inte eftersom det är så tunt och dessutom snart reagerar vidare till koppar(II)oxid (CuO), som är svart:

Cu2O(s) + ½ O2(g) 2 CuO(s)
koppar(I)oxid syre koppar(II)oxid

Koppar oxideras inte i torr luft. Även i fuktig luft sker oxidationen långsamt. Om man däremot upphettar kopparen till över 200 °C blir oxidationen ganska snabb. Ytan blir först gulröd av Cu2O och sedan svart av CuO.

Om den fuktiga luften innhåller andra ämnen, som t ex svaveloxider, bildas ett grönt skikt av ärg (patina). Även karbonater och klorider kan bildas [1].

Brytvärda förekomster av koppar i jorskorpan är ofta i form av koppar(I)oxid (Cu2O) och kallas röd kopparmalm eller kuprit.

Kopparoxiden kan omvandlas till koppar igen

Koppar(II)oxiden kan reduceras till kopparmetall av ett tillräckligt starkt reduktionsmedel. Det betyder att man inte får något förlust av koppar vid reaktionen. Slanten återbildas därför praktiskt taget till sitt ursprungliga skick. Därför blir slanten också blank som en ny slant.

I experimentet används natriumditionit som reduktionsmedel. Natriumditionit är ett salt av syran ditionsyrlighet. I ditionit, S2O42-, har svavel oxidationstalet III [1]. Ditionit fungerar som ett ganska starkt reduktionsmedel och oxideras själv till sulfit, SO32- [former natriumsulfit (Na2SO3), natriumbisulfit (NaHSO3), svavelsyrlighet (H2SO3)], där svavlet har oxidationstalet IV.

I experimentet sker följande reaktioner [2]:
Oxidation: S2O42- + 2 H2O(l) → 2 H2SO3 + 2 e-
Reduktion: CuO + 2 e- → Cu(s) + O2-
Neutralisation: 2 H2SO3 + O2- → 2 HSO3- + H2O(l)

Nettoreaktionen för oxidationen, reduktionen och neutralisationen blir:

S2O42- + CuO(s) + H2O(l)  2 HSO3- + Cu(s)
ditionit koppar(II)oxid vatten bisulfit
(= vätesulfit)
koppar

Lägg märke till att ingen koppar går förlorad. Den koppar som reduceras sitter kvar på ytan.

Användning av natriumditionit

Förutom i fläckborttagningsmedel för hushållen används natriumditionit som blekmedel för pappermassa och papper av industrin. Den används också som reduktionsmedel vid färgning med indigo, i tvål med blekande effekt och för att avlägsna färg från färgade textilier. [3]

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)

Redoxreaktion vid kontakt mellan ämnena

Kontakt mellan reaktanterna

I en vanlig redoxreaktion sker elektronövergången i kontakt mellan ämnena som reagerar. Elektronen hoppar över direkt från molekylen (eller atomen) som oxideras till molekylen (eller atomen) som reduceras. Elektronhoppet kan bara ske över mycket korta avstånd och sker därför i samband med att partiklarna kolliderar. Därför sker oxidationen och reduktionen på samma plats.

Elektroner förekommer inte fria i ämnen

Anledningen till att elektronöverföringen sker i direktkontakt mellan ämnena är att elektroner inte kan förekomma fria i ett material eller en lösning. De binder alltid till de atomer eller molekyler som finns i närheten. I icke-metalliska material är elektronens position vanligen fixerad till en bestämd molekyl eller atom.

Däremot är elektronerna fritt rörliga i metalliska material. De kan dock inte lämna metallen, bara röra sig inom metallen. När elektronerna rör sig förbi atomerna i metallgittret handlar det inte om elektronöverföring. I stället har metallen ett enda stort elektronmoln av ledningselektroner som är gemensamma för hela metallkristallen.

Det finns också halvledande material som med viss ledningsförmåga, men där elektronerna i huvudsak är fixerade i vissa positioner.

Litteratur

  1. Gunnar Hägg, Allmän och oorganisk kemi, 1984, Almqvist & Wiksell, Uppsala.
  2. What is Sodium Hydrosulfite?, Olin Corporation
    http://www.olinhydrosulfite.com/hydrosulfite/whatis.asp (2002-12-05)
  3. Safety (MSDS) for sodium hydrosulfite, Oxford University
    http://physchem.ox.ac.uk/MSDS/SO/sodium_hydrosulfite.html (2002-12-05)
  4. Merck Index, 12th edition, 1996, Merck & Co., Inc., USA.
  5. Scandinavian Copper Development Association (SCDA) - Hemsida, SCDA
    http://www.scda.com/sv/las_nyhet.asp?Id=200207051545.txt (2002-12-04)
  6. Materialguiden: Koppar och kopparlegeringar, Riksantikvarieämbetet
    http://www.raa.se/materialguiden/index.asp?page=mat_show&matid=20 (2003-01-02)
  7. Basic Methods of Conserving Underwater Archaeological Material Culture, Nautical Archaeology Program, Department of Anthropology, Texas A&M University
    https://www.denix.osd.mil/denix/Public/ES-Programs/Conservation/Underwater/archaeology.html (2007-10-04)
    • Conservation of nonferrous metals
      https://www.denix.osd.mil/denix/Public/ES-Programs/Conservation/Underwater/5-CU-AG.html (2007-10-04)
    • Metal Conservation
      https://www.denix.osd.mil/denix/Public/ES-Programs/Conservation/Underwater/3-IRON-1.html (2007-10-04)

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
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 experiment under revidering
Badbomber
Bjud din jäst på mat
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den bästa bulldegen
Den tunga koldioxiden
Diffusion av kopparjoner
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Eld - varför brinner det?
Elda stålull
En märklig planta
Gelégodis i vatten
Gör hårt vatten mjukt
Hur gör man kakan porös?
Indikatorpärlor
Kemi i en brustablett
Kemi i en plastpåse
Koka vatten i en spruta
Ljuset under glaset
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
När flyter potatisen?
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Pelargonens färg
pH i kokt mineralvatten
pH-beroende avfärgning av rödkål
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Pulversläckare
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Tvätta i hårt vatten
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening