Skämta med en svart kopparslant

Tillhör kategori: elektrokemi, redox

Författare: Svante Åberg

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

Tid för förberedelse: Försumbart

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Kopparslantar brukar ju vara rödbruna i färgen, men tar expediten emot en 50-öring av koppar som är helt svart? I experimentet omvandlar vi ytskikten på slanten så det blir helt svart.

Man kan återställa kopparslanten i ett annat experiment: Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi.

Riktlinjer

Experimentet görs lämpligen som elevexperiment, gärna hemma, men kan också utföras som en demonstration. Det passar bra tillsammans med experimentet Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi.

Säkerhet

I experimentet ingår inga kemikalier, förutom luftens syre. Var försiktig så du inte bränner dig på plattan eller Bunsenbrännaren.

Materiel


Förarbete

Inget förarbete.

Utförande

  1. Lägg slanten på en spisplatta och sätt på högsta värme.
  2. Iakttag slanten och stäng av plattan när slanten börjar mörkna.
  3. Plocka slanten från plattan och låt den svalna.
  4. Prova att gnugga ytan på slanten. Om det svarta ytskiktet vill lossna upprepar du behandlingen på spisplattan.

Variation

Man kan hålla slanten i lågan från en Bunsenbrännare med hjälp av en degeltång. Värm inte för kraftigt bara. Då blir oxidskiktet för tjockt och kan ha en tendens att flagna.

Förklaring

Kopparen i slanten oxideras normalt av luftens syre. Men vid rumstemperatur är processen mycket långsam. Vid upphettning till över 200 °C sker oxideringen snabbt. Det är typiskt för kemiska reaktioner att hastigheten ökar markant när man höjer temperaturen.

Kopparen bildar svart koppar(II)oxid (CuO) på ytan. Mellan koppar(II)oxiden och den rena kopparen bildas ett skikt med högre kopparhalt, nämligen koppar(I)oxid (Cu2O), som är röd. Det skiktet är dock tunt och syns inte under den svarta kopparoxiden.

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.

Reaktionshastigheten ökar med temperaturen

För att en reaktion ska ske måste atomerna kollidera med varandra med tillräcklig hastighet. Det finns nämligen en energitröskel som måste överskridas. Denna tröskel kallas aktiveringsenergi.

Alla atomer och molekyler är i rörelse. Syremolekylerna flyger genom luften och koppartomerna vibrerar i metallen. Vissa rör sig långsamt och andra snabbt. Rörelsen innehåller kinetisk energi (rörelseenergi) som hör nära samman med temperaturen. Ju högre temperaturen är, desto häftigare är rörelserna. Vid högre temperatur har därför ett större antal atomer och molekyler tillräcklig energi för att kunna delta i en reaktion. Reaktionshastigheten, dvs antal reagerande atomer/molekyler per sekund, är därför större.

Kopparmineraler

Kopparbrytning Cirka 90 % av de brytvärda förekomsterna av koppar är i form av sulfider. De viktigaste malmbildande sulfiden är kopparkis (kalkopyrit, CuFeS2), kopparglans (koppar(I)sulfid; Cu2S) och brokig kopparmalm (bornit, Cu5FeS2).

Kopparoxider bildas ur sulfidmineral genom inverkan av luft, vatten och lösta ämnen. Därför ligger kopparoxidmalmerna nära jordytan. Viktigaste är röd kopparmalm (koppar(I)oxid, kuprit; Cu2O), malakit (basisk kopparkarbonat; Cu2(OH)2CO3) och kopparlazur (azurit, Cu3(OH)2(CO3)2).

Koppar har brutits i Sverige sedan länge tillbaka i Falu koppargruva. Numera sker den största produktionen i Rönnskärsverken i Västerbotten av Boliden Mineral.

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 många 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)

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

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.

Korrosion av koppar

Koppar är en rätt ädel metall. Den är därför ganska motståndskraftig, men i närvaro av fukt sker en viss korrosion. Korrosionshastigheten ökar i närvaro av luftföroreningar och joner, speciellt kloridjoner.

På koppar i luft och i marken bildas beläggningar av ärg, som utfällningar av kopparsalter. Ärgen har en grönaktig färg som kommer från kopparjonerna.

Bildningen av ärg börjar med att kopparen reagerar med luftens syre och bildar kopparoxid. Det finns två kopparoxider.

Närmast den rena kopparen hittar man ett tunt skikt av av röd Cu(I)oxid, Cu2O, som också kallas kuprit. Den envärda kopparoxiden har lågt innehåll av syre eftersom den ligger närmast kopparmetallen.

Nästa lager innehåller svart Cu(II)oxid, CuO. Innehållet av syre är större än i den röda kopparoxiden. Anledningen är att ytan har utsatts för mer syre från atmosfären.

Ytterst ligger den gröna ärgen. Den är ofta en 1:1-blandning av kopparhydroxid och kopparkarbonat som kallas basisk kopparkarbonat, Cu2CO3(OH)2. Karbonatet bildas från luftens koldioxid och vatten.

För länge sedan tillverkade man ärg av koppar. Receptet är mycket gammalt. Det finns beskrivet i ett dokument som har daterats till ca 200 e Kr. Enligt receptet skulle en kopparbit hängas i luften ovanför en tunna med vinäger (ättiksyra). Den gröna ärgen av kopparacetat, Cu(CH3COO)2, som bildades skrapades sedan av och användes för att tillverka falska smaragder, som ju är gröna precis som ärgen.

Korrosionen i väder och vind

Koppar som utsätts för väder och vind korroderar. Ett nylagt koppartak blir ofta först svart av koppar(II)sulfid. Grön ärg bildas sedan genom att sulfiden oxideras vidare till koppar(II)hydroxidsulfat, Cu4(OH)6SO4. Tillsammans med sulfatet finns ofta också koppar(II)hydroxidkarbonat, Cu2CO3(OH)2. I områden nära kuster med saltvatten kan ärgen innehålla stora mängder koppar(II)hydroxidklorid, Cu2Cl(OH)3. Kopparföremål som legat i marken kan ha fått en beläggning av kopparfosfat.

Korrosion av koppar i havsvatten

Koppar i havsvatten är utsatt för kraftig korrosion på grund av den närvarande kloriden i koksaltet. Drygt 4 % av havsvattnet är ju koksalt, NaCl. Första reaktionerna är följande:

Cu(s) → e- + Cu+
Cu+ + Cl-(aq) → CuCl(s)

Men koppar(I)klorid (CuCl) är inte stabil i luften. När man tar upp föremålen reagerar koppar(I)kloriden med luftens syre (O2) och luftfuktigheten (vatten, H2O) vilket kan leda till "bronssjukan". Basisk koppar(II)klorid (CuCl2·3 Cu(OH)2) bildas samtidigt som saltsyra (HCl).

4 CuCl(s) + 4 H2O(l) + O2(g) → CuCl2·3 Cu(OH)2(s) + 2 HCl(aq)

Saltsyran reagerar sedan vidare med okorroderad kopparmetall under bildning av mera koppar(I)klorid under avgivande av vätgas (H2).

2 Cu(s) + 2 HCl(aq) → 2 CuCl(s) + H2(g)

På så sätt fortsätter processen till dess all koppar korroderat. För att få stopp på korrosionen måste kloriden avlägsnas.

Litteratur

  1. Hägg, G. (1989). Allmän och oorganisk kemi. (9. uppl.) Stockholm: Almqvist & Wiksell.
  2. P-O Quist, Kemi på Jesu tid i Kemisk Tidskrift, 1995, Nr 4, s. 44-49, Svenska Kemistsamfundet.
  3. Falu rödfärg, Stora Kopparberg
    http://www.falurodfarg.com/ (2003-05-24)

Fler experiment


elektrokemi, redox
Anden i flaskan
Anodisering och färgning av aluminium
Att göra bly
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
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
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