Rengöra silver

Tillhör kategori: elektrokemi, redox, urval reviderat experiment, vardagens kemi

Författare: Svante Åberg   Medverkande: Monica Björnfot, Malin Taube

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

Irriterande 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Det finns olika sätt att rengöra silver. Experimentet går ut på att pröva olika produkters rengöringsförmåga på silver och se om skillnad finns mellan dem. Hur länge håller sig silvret blankt och fint samt hur påverkas miljön av de produkter man använder är några av frågeställningarna man kan ha inför experimenten.

Man kan också fundera över vilken produkt som är att föredra ur miljösynpunkt.

Riktlinjer

Experimenten kan göras i elevgrupper och är lämpligt på mellanstadiet eller högstadiet.

På högre stadier kan man även gå in på en djupare faktanivå.

Säkerhet

Laborationen är ofarlig men man skall tänka på att tvätta händerna när man varit i kontakt med silverputset.

Inget avfall är farligt i de små mängder det förekommer, vilket medför att man kan skölja och tvätta det man använt på ett normalt sätt.

Materiel

Om man vill kan man dela upp materialet så att olika grupper testar olika produkter för att sedan sammanställa resultatet.

Förarbete

Inga speciella förberedelser förutom att plocka fram materialet och koka upp vatten.

Utförande

Om man vill att silvret skall oxidera snabbt kan man t ex koka ägg och äta det med silversked. Då får man snabbare mer silver att putsa.

Silver angrips ju som vi tidigare nämnt av bl a svavel. Därför skall man undvika gummisnoddar runt silvret, för de innehåller svavel. Silvret oxiderar och det är ofta svårt att få bort, men om man i skolan har små silverbitar (man har kanske inte lust att testa detta på sina bestick) så kan man ju t ex jämföra med ägget hur snabbt silvret oxiderar.

Hitta själv på saker som du vill testa om det fungerar att putsa silver med. Du kanske kommer på ett sätt/produkt som vi inte testat här.

Förklaring

Silver angrips bl a av svavel och syre i den omgivande luften, vilket leder till att silvret får en svart beläggning. Man säger att silvret oxiderar.

Det finns en mängd olika sätt att ta bort beläggningen. I handeln finns det undermedel som på kemisk väg rengör silvret. Ofta består dessa av något pulver och en bit aluminium. Putsningen går fort och lätt, som ett mirakel. Men du kan faktiskt uppnå samma resultat med sådant som alltid finns hemma. Vad som behövs är en gammal aluminiumkastrull eller ett glaskärl och en bit aluminiumfolie, lite bikarbonat och kokande vatten eller varför inte använda ketchup, det finns garanterat i kylen. Även tandkräm fungerar när man vill putsa silver och det kan man jämföra med t ex "Häxans silverputs" som finns att köpa i handeln.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

GDC: Partikeltänkande

Silver, liksom alla annan materia, består av atomer. Mellan atomer finns attraktionskrafter som gör att atomerna kan slå sig samman till kemiska föreningar. De kemiska bindningarna beror på hur atomernas elektronskal ser ut. Vissa atomslag passar särskilt bra ihop när de binder till varandra så att bindningarna blir extra starka. Så är fallet med silveratomer och svavelatomer. Eftersom de binder så hårt till varandra så har de också lätt för att bildas. Silvret har förmågan att rycka loss svavelatomer från andra kemiska föreningar som innehåller svavel.

I ägg, till exempel, så finns svavelföreningar. Det är proteinerna i äggen som innehåller svavel. När ägg ruttnar så sönderfaller de kemiska föreningarna i mindre molekyler. Bland annat bildas vätesulfid. Vätesulfiden har en extremt stark lukt och är det man känner från ruttnande ägg. Om vätesulfid kommer i kontakt med silver, så binder silvret till svavlet och bildar silversulfid. Silversulfiden är svart, vilket gör att silvret mörknar. Silvret har även förmågan att rycka till sig svavelatomer från andra svavelhaltiga ämnen i ägget.

GDC: Energi

Den mörka beläggningen av silversulfid på silverskeden är stabil. Det krävs energi för att skilja svavelatomerna från silvret. I experimentet använder vi en typ av elektriskt batteri för att få den energi som krävs. Det är inget vanligt batteri, men ett galvaniskt element som fungerar som ett batteri. Silvermetallen blir pluspol i det galvaniska elementet och aluminiumfolien minuspol. Ett sådant galvaniskt element får en polspänning på cirka 2,4 volt. Den spänningen ger tillräcklig elektrisk energi för att skilja svavlet från silvret. Eftersom den kemiska reaktion som sker bygger på elektrisk ström, så är det fråga om en elektrokemisk reaktion.

Beläggningar på silver

Silver reagerar med svavelväte (H2S) och syre (O2)som finns i luften. Reaktionen sker enligt
4 Ag(s) + 2 H2S(g) + O2(g) 2 Ag2S(s) + 2 H2O(l)
silver svavelväte syre silversulfid vatten

Silverputs av typ "Häxan"

I detta experimentet ingår det inga "konstiga" kemikalier som du inte har tillgång till hemma. Det enda som innehåller lite "konstiga" kemikalier är just "Häxans silverputs". Den innehåller bland annat kiseldioxid, alkohol, tallolja, vatten, komplexbildare (som har till uppgift att binda metaller) samt organiska föreningar. De organiska föreningarna hindrar troligtvis bildningen av ny silveroxid/silversulfid och det är just det som är fördelen med att putsa silvret med silverputs.

Silverputs är ganska trögflytande och innehåller små partiklar som har en viss slipeffekt på silvret.

Tandkräm och ketchup som silverputs

Tandkräm

På samma sätt är det med tandkräm. Den innhåller små slipande partiklar för att ta bort beläggningar på dina tänder och göra dem vita och fina.

I längden kanske det inte är så bra att putsa silver med tandkräm just av den orsaken. Då är ketchup istället att föredra, då det inte har någon slipande effekt. Här är det istället ketchupens sura ämnen som reagerar med silveroxiden/sulfiden (det svarta på silvret) och gör att det försvinner.

Silverputsning med karbonat/bikarbonat

Om man väljer att putsa sitt silver med hjälp av aluminium, karbonat och vatten gör man det smidigt för sig samtidigt som det går väldigt snabbt och blir ett bra resultat. Det sker en redoxreaktion i lösningen när man lägger ner silvret. Aluminium, som är en oädel metall, oxideras till aluminiumjoner samtidigt som det avger elektroner. Elektronerna vandrar genom den metalliska kontakten mellan aluminiumfolien och silvret till beläggningen på silvrets yta. Där reduceras silversulfiden till gediget silver. Inget silver förloras. Reaktionen är

2 Al(s) + 3 Ag2S(s) + 6 H2O(l) 6 Ag(s) + 2Al3+ + 6 OH- + 3 H2S(g)

Silverputs med bikarbonat
oxidation   2 Al(s) 2 Al3+ + 6 e-
    aluminium   aluminiumjoner   elektroner
reduktion 6 Ag+ + 6 e- 6 Ag(s)
  silverjoner   elektroner   gediget silver

Om man tittar på nettorektionen och dessutom tar hänsyn till att de svavel som kommer från silversulfiden binder till aluminiumjonerna så blir reaktionsformeln:

summareaktion 3 Ag2S(s) + 2 Al  6 Ag(s)  + Al2S3(s)
  silversulfid   aluminium   gediget silver   aluminiumsulfid

Ibland kan man känna en svag lukt av ruttnande ägg. Aluminiumsulfiden kan nämligen reagera vidare med vatten och bilda vätesulfid.

vidare reaktion Al2S3(s) + 6 H2O 2 Al(OH)3 + H2S(g)
  aluminiumsulfid   vatten   aluminiumhydroxid   vätesulfid

Att putsa silvret genom denna redoxreaktion är nog den lättaste metoden och speciellt om man använder sina gamla aluminiumkastruller. Ur miljösynpunkt är det bättre att använda aluminiumkastruller eftersom de går att återanvända och det gör inte folien, som dessutom är energikrävande att tillverka.

Är man rädd om sitt silver och dessutom vill tänka lite på miljön skall man, framför de olika sätt vi tidigare nämnt, använda ketchup. Det har inte någon slipande effekt och tillverkningen av ketchup är miljövänligare än tillverkningen av silverputs och aluminiumfolie. Om silvret har en väldigt stark beläggning eller gravyr är det faktiskt så att bara metoderna med liten slipande effekt fungerar tillfredsställande bra.

Fördjupning

Silver

Allmänt och historia

Silver är en ädel metall som är känd sedan länge i historien. Guld och koppar upptäcktes före silver, men under bronsåldern började man använda silver, även om det var sällsynt. I Spanien upptäcktes silvergruvor mycket tidigt, likaså i Östern. Att silvret var värdefullt förstår man av att varianter av ordet argentum, som är det latinska ordet för silver, förkommer i flera språk med betydelsen pengar.

Eftersom silver är en ädel metall kan den förekomma i gedigen form i naturen, men då vanligen som en legering med guld. Silver förekommer också som föreningar med svavel, arsenik, antimon eller klor. Ofta förkommer silvermalmerna tillsammans med kopparmalm.

Silver i gedigen form är inte giftigt. Det förekommer till och med som livsmedelsfärg med E-nummer E 174. Men silversalter är ofta toxiska.

Användning

Förr användes en stor del av det silver som producerades inom fotoindustrin. Den ljuskänsliga kemikalien i fotopapperet eller filmen var silverklorid eller silverbromid. Nu har vi gått över till digitalt foto, så det är bara i undantagsfall som man framkallar foton på kemisk väg.

I silversmycken används silver med olika halter. Vanligt är Sterlingsilver, som innehåller 92,5 % silver och resten koppar och andra metaller. Sterlingsilver märks med talet 925 för att beteckna silverhalten.

Silver har mycket låg elektrisk resistans. Silver kan därför användas i särskilt krävande elektronik. Men det har ett ganska högt pris, så om det handlar om stora strömstyrkor som i t.ex. kraftledningar, så är aluminium ett bättre val.

Oxidation av silver

Silver kan oxideras av luftens syre till silveroxid, Ag2O. Men affiniteten för syre är inte så stor. Silveroxiden kan därför lätt sönderfalla, vilket sker vid så låg temperatur som 160 °C när den upphettas. Mindre ädla metaller bildar oxider när de upphettas, men det gör alltså inte silver. Silver betraktas därför som en ädel metall.

Men silver oxideras lätt av svavelföreningar till silversulfid, Ag2S. Silversulfiden är svart. Ägg innehåller svavelföreningar, liksom lök. Därför blir silverbesticken snabbt mer eller mindre svarta eller bruna på ytan när de kommer i kontakt med sådan mat. Solljus skyndar på reaktionen med svavelföreningar som nästan alltid finns i luften, om än i mycket låga koncentrationer. Därför mörkfärgas silvret lättare om det står i ett solbelyst fönster.

mer material på avancerad nivå kommer

Natriumvätekarbonat

Natriumvätekarbonat kallas också natriumbikarbonat, eller helt enkelt bikarbonat.

Vätekarbonatet i jämvikt med koldioxid och karbonater finns överallt i naturen

Vätekarbonat finns nästan överallt i naturen eftersom det är nära kopplat till koldioxid, som ju finns i atmosfären. Koldioxiden löser sig i vatten och bildar då kolsyra. Kolsyran står sedan i syra-basjämvikt med vätekarbonat.

Vätekarbonatet ingår i kolets kretslopp på grund av jämvikten med kolsyra. Vid matsmältningen bryts maten ned till bland annat koldioxid och vatten. Koldioxiden förs bort med blodet till lungorna. Vi andas sedan ut koldioxiden.

Växterna gör tvärtom. De tar upp koldioxid via sina klyvöppningar och koldioxiden löser sig i cellvätskorna. Där står koldioxiden också i jämvikt med vätekarbonat. I fotosyntesen binds koldioxiden/vätekarbonatet och tillsammans med vatten och solenergi bildas sockerarter som bygger upp växterna.

Kalksten är en bergart av mineralen kalciumkarbonat. Kalciumkarbonat är svårlöslig, men kan reagera med surt vatten. Surt regn får kalkstenen att lösas upp. Då bildas vätekarbonat. I havet finns stora mängder koksalt, som ju innehåller natriumjoner. Man kan därför säga att upplöst kalksten som hamnar i havet finns där i form av natriumvätekarbonat.

Vätekarbonat bildar koldioxid tillsammans med syra

Om man har karbonat i någon form, vare sig det är vätekarbonat eller karbonat, så får man koldioxidutveckling om man tillsätter syra. Följande reaktion sker:

H+ + HCO3 → H2CO3(aq) → CO2(g) + H2O(l)

från vätekarbonat, respektive

2 H+ + CO32– → H2CO3(aq) → CO2(g) + H2O(l)

från karbonat.

Detta är ett sätt att testa om ett salt innehåller vätekarbonat eller karbonat.

Vätekarbonat sönderfaller vid 200 C

Förutom att reaktionen med syra kan ge koldioxidutveckling, så kan även vätekarbonat sönderdelas av hög värme. Vid temperaturer över 200 C sker följande:

2 NaHCO3(s) → Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g)

Man får även här koldioxidutveckling. Eftersom natriumkarbonat är ett stabilt ämne, så avges bara en koldioxid av två molekyler vätekarbonat.

Men om temperaturen skulle vara så hög som över 850 C, så fortsätter sönderfallet till natriumoxid, det vill säga även den andra koldioxiden avges:

Na2CO3 → Na2O(s) + CO2(g)

Bikarbonat används vid bakning

Bikarbonat (= natriumvätekarbonat) används som hävningsmedel vid bakning. Bikarbonat ingår också i bakpulver tillsammans med sura ämnen som kan få vätekarbonatet att avge koldioxid. Det är koldioxidgasen som får bakverket att bli poröst.

I recept där bikarbonat används behövs något surt som gör att vätekarbonatet kan bilda koldioxid, till exempel fil. Restprodukten natriumkarbonat är också lite bitter och tvålaktig i smaken. Därför behövs sura ingredienser i bakverket.

Övrig användning av vätekarbonat

Natriumvätekarbonat finns i brustabletter, oftast tillsammans med citronsyra. När tabletten läggs i vatten löses vätekarbonat och syra upp, så att de kan komma i kontakt med varandra och reagera. Resultatet blir kraftig koldioxidutveckling.

En bisarr och rätt grym metod att bli kvitt kackerlackor är att mata dem med bikarbonat. I kackerlackans mage utvecklas koldioxid som får insekten att svälla upp och spricka.

Natriumvätekarbonat sägs också kunna används för att bekämpa svamptillväxt.

Allmänt gäller att ämnen som används för rengöring av icke-feta fläckar är basiska. Även natriumvätekarbonat kan användas för fläckborttagning, till exempel av rostfläckar.

Salt med både sura och basiska egenskaper

Natriumvätekarbonat är ett salt med övervägande basiska egenskaper. Saltet är amfotert, dvs. kan fungera både som syra och som bas. Vätekarbonatet fungerar som bas genom att ta upp en vätejon kring pH 6,35 övergår då till kolsyra. Det kan också fungera som syra genom att avge en vätejon kring pH 10,33 och övergå till karbonat.

kolsyra pKa1,app = 6,35 vätekarbonat pKa2 = 10,33 karbonat
H2CO3(aq) H+ + HCO3 2 H+ + CO32–

Notera: Värdet pKa1,app =6,35 ovan är ett apparent pKa-värde för kolsyra som egentligen avser summan av kolsyra H2CO3(aq) och löst koldioxid CO2(aq) i jämvikt med varandra i lösningen. Mängden löst koldioxid är betydligt större än den faktiska mängden kolsyra.

Syra-basegenskaperna gör vätekarbonat till en pH-buffert

En pH-buffert fungerar så att den förbrukar tillsatt syra eller bas och stabiliserar på så vis pH-värdet. Syra-basreaktionerna för vätekarbonatet sker kring pKa-värdena pH 6,35±1 och pH 10,33±1. Det är kring dessa värden som den buffrande förmågan finns.

Vätekarbonat finns till exempel i blodet, där pH ligger mellan 7,35 och 7,45, det vill säga aningen åt det basiska hållet. Vid pH 7,4 är jämvikten 92 % vätekarbonat och 8 % kolsyra (och 0 % karbonat).

Vätekarbonat buffrar också naturliga vatten. Koldioxid som finns i atmosfären och som bildas vid nedbrytning av organiskt material kan lösa sig i vattnet. Kolsyran står då i kemisk jämvikt med vätekarbonat. Dessutom finns mineraler som är karbonater, främst kalksten. Kalkstenen kan lösas upp av syror och bilda vätekarbonat. Allt detta tillsammans ger an blandning av kolsyra, vätekarbonat och karbonat där vätekarbonatet är den viktigaste lösta jonen som buffrar pH.

Vätekarbonat finns i tabletter mot sur mage. Den pH-buffrande förmågan gör att en alltför sur mage motverkas.

Man använder också vätekarbonat i pH-buffertar på kemilab. Då används den oftast tillsammans med andra amfotera salter för att utöka den buffrande förmågan över ett större pH-intervall, inte bara kring pH 6,35 och 10,33.

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.

Korrosion av aluminium

Aluminium är en mycket oädel metall, men samtidigt korrosionsbeständig. Det låter som en motsägelse.

Att metallen verkligen är reaktiv kan man se om aluminiumpulver blandas med vatten. Aluminiumet reagerar med vattnet under bildning av aluminiumhydroxid och vätgas. Reaktionen är starkt exoterm, dvs. den sker under stark värmeutveckling:
Al(s) + 3 H2O(l) → Al(OH)3 + 3 H2(g)

En sak att vara uppmärksam på är risken att aluminiumpulver kan självantändas. Om du torkar upp aluminiumpulver med en fuktig pappershandduk och slänger den i papperskorgen så kanske du har förutsättningar för självantändning och eldsvåda.

Men i normala fall skyddas aluminium av en tät oxidhinna som bildas i kontakt med luftens syre eller med vatten. Den täta oxidhinnan passiverar metallen så att vidare reaktion stoppas. Därför är aluminium ett utmärkt konstruktionsmaterial som tål väder och vind.

Atmosfärisk korrosion

Atmosfärisk korrosion sker i luft, men luften kan vara torr eller fuktig, eller innehålla föroreningar som påverkar processerna. Om det finns sprickor i materialet kan fukt som tränger in bli kvar länge och därför påskynda korrosionen.

Allmän korrosion

En allmän, jämt fördelad korrosion sker i vattenlösningar där pH antingen är mycket högt eller mycket lågt. Höga och låga pH skadar det skyddande oxidskiktet så att den underliggande metallen blottas.

Galvanisk korrosion

Galvanisk korrosion uppstår när aluminiumet är i kontakt med en annan mer ädel metall så att det bildas ett galvaniskt element, dvs. en typ av batteri som får en elektrisk ström att orsaka en elektrokemisk reaktion. Aluminiumet blir anod och löses upp när det avger elektroner och bildar joner.

Spaltkorrosion

Spaltkorrosion i aluminium
Bild: © Svante Åberg

Spalter finns oftast där två aluminiumbitar sammanfogas, men kan även uppstå vid spänningar och utmattning i materialet. Spaltkorrosion uppstår när saltvatten tränger in i smala springor. Dessutom behövs syre, men syret reagerar inte inuti spalten, utan på den lätt åtkomliga metallytan.

Det syre som följer med saltvattnet in i sprickan reagerar och förbrukas. Därför sker inte vidare oxidation inuti spalten. I stället sker oxidation av aluminiumet genom att elektroner som avges vandrar genom det metalliska aluminiumet ut till den lätt åtkomliga delen av metallen där syretillgången är god. Oxidationen av aluminiumet sker alltså inuti sprickan:
Al(s) → Al3+ + 3 e

Reduktionen av syre sker på den exponerade ytan av metallen:
O2(aq) + 2 H2O(l) + 4 e → 4 OH

Aluminiumjoner som läcker ut ur sprickan möter hydroxidjonerna som bildas när syret reduceras. Då bildas svårlöslig aluminiumhydroxid:
Al3+ + 3 OH → Al(OH)3(s)

Inuti sprickan måste aluminiumjonernas positiva laddning neutraliseras av lika många minusladdningar. Kloridjoner från saltvattnet utanför spalten migrerar därför in i spalten.

Det finns också en jämvikt mellan aluminiumjoner och vatten som ger vätejoner så att pH i spalten sjunker. Koordinationstalet är 6 vatten i hydratiseringsskalet kring aluminiumjonen. En eller flera av dessa vatten kan avge en vätejon som tillsammans med ett fritt vatten bildar en oxoniumjon H3O+.

Den hydratiserade aluminiumjonens protolyssteg pKa
[Al(H2O)6]3+ + H2O [Al(H2O)5(OH)]2+ + H3O+ 5,00
[Al(H2O)5(OH)]2+ + H2O [Al(H2O)4(OH)2]+ + H3O+ 5,10
[Al(H2O)4(OH)2]+ + H2O Al(H2O)3(OH)3 + H3O+ 6,80
[Al(H2O)3(OH)3]+ + H2O [Al(H2O)2(OH)4]- + H3O+ 5,80

Oxoniumjonen betecknas ofta förenklat med H+. Ju längre spaltkorrosionen pågår, desto surare blir miljön inne i spalten. Det låga pH-värdet skyndar på korrosionen, vilket gör att spaltkorrosionen är ett accelererande problem.

Gropfrätning

Gropfrätningen påminner mycket om spaltkorrosionen. Den uppstår på passiverade aluminiumytor som är täckta av det täta skyddande oxidlagret, men där en liten skada ger kloridjoner i vattenlösningen kontakt med metallen. Ofta är det i gränsen mellan kristallkorn i materialet eller inslag av partiklar med annat material som skapar dessa defekter där korrosionen kan börja.

Gropen fördjupas och vidgas av korrosionen, som sänker pH och tillsammans med ytterligare kloridjoner accelererar angreppet. Kloridjoner bidrar till korrosionen genom att de bildar komplex med aluminiumjonerna. Drivkraften att bilda aluminiumkloridkomplex bidrar till att ”slita loss” joner ur metallen.

För att gropfrätning på aluminium ska ske måste den elektrokemiska potentialen ligga över den så kallade ”pitting potential”.

Utfällningskorrosion

Om vattenlösningen som är i kontakt med aluminiumet innehåller metalljoner av en ädlare metall än aluminium så sker en utfällning av den ädlare metallen samtidigt som aluminium löses upp. Om till exempel vattenlösningen innehåller kopparjoner sker följande:
Oxidation: Cu2+ + 2 e → Cu(s)
Reduktion: Al(s) → Al3+ + 3 e

När redoxreaktionen balanseras så att lika många elektroner avges och tas upp blir totalreaktionen:
3 Cu2+ + 2 Al(s) → 3 Cu(s) + 2 Al3+

När den ädlare metallen faller ut på ytan av aluminiumet skapas ett galvaniskt element som sedan ger galvanisk korrosion. Det räcker med att mycket små mängde av den ädlare metallen ska falla ut på aluminiumet för att den galvaniska korrosionen ska orsaka mycket stora problem.

Vanliga ädla metaller som kan orsaka utfällningskorrosion är koppar, bly, kvicksilver, nickel och tenn. Jonerna av dessa metall är lättlösliga vid låga pH, men svårlösliga vid höga pH. Högt pH kan därför sänka halten av dessa metalljoner så att utfällningskorrosionen inte sker. Men vid låga pH är utfällningskorrosion sannolik på grund av högre halter av den ädlare metallen.

Övrig korrosion

Det finns många fler varianter av korrosion. Många av dem är besläktade med dem som beskrivits ovan. Till exempel kan utmattning i materialet ge sprickor som ger spaltkorrosion. Spänningar i materialet ger energi som kan bidra till korrosionsreaktionen. Olika material och varierande koncentrationer kan ge former av galvanisk korrosion.

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.

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

Galvaniskt element

Ett galvaniskt element är en elektrokemisk cell där den inre kemiska energin utgör drivkraften för den reaktion som ger upphov till en elektrisk ström. Polspänningen bestäms av vilka material elektroderna består av. Även koncentrationen hos de lösta ämnena som deltar i reaktionerna inverkar på spänningen. Med två halvceller i respektive halvcell

Galvaniskt element
Ett galvaniskt element fungerar som ett batteri.
Energin kommer från de kemiska ämnen som elementet innehåller.
Bild: © Svante Åberg

För att det ska flyta en ström måste en elektrisk ledare kopplas mellan polerna. Tillsammans med saltbryggan blir det då en sluten strömkrets.

Galvaniska element fungerar som batterier

När strömmen flyter utvecklas energi i form av värme i ledningen. Man kan dra nytta av energin genom att t.ex. koppla in en lampa. Den effekt som utvecklas är produkten av ström gånger spänning.

För att få hög effekt bör man välja elektrodmaterial som ger hög polspänning. Dessutom bör elektroderna ha stor area så att strömstyrkan kan bli hög.

Litteratur

  1. Putsa silver (YouTube), LTH
    https://www.youtube.com/watch?v=r1_cLpbZQqo (2017-03-06)
  2. Kemidoktorns bästa silverputs, Ny Teknik, Lars Anders Karlberg
    http://www.nyteknik.se/teknikrevyn/kemidoktorns-basta-silverputs-6424190 (2017-03-06)
  3. Borgford, C.L. & Summerlin, L.R. (1988). Chemical activities. (Teacher ed.) Washington, DC: American Chemical Society.
  4. Put a Shine on it, Science is Fun in the Lab of Shakhashiri, Bassam Z. Shakhashiri
    http://scifun.chem.wisc.edu/HOMEEXPTS/TARNISH.html (2017-03-03)
  5. Removing Tarnish from Silver, Compound Interest, Andy Brunning
    http://www.compoundchem.com/2013/12/16/removing-tarnish-silver/ (2017-03-03)
  6. The Chemistry of Silver Tarnish, Educational Innovations, Ted Beyer
    http://blog.teachersource.com/2014/01/18/chemistry-of-tarnished-silver/ (2017-03-03)
  7. Tarnish Phenomena of Silver, Progold
    http://www.progold.com/gb/files/publications/sfs2007_eng.pdf (2017-03-03)

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
Kemi med zinkjodid, del 2: Återbilda grundämnena elektrokemiskt
Kemisk klocka med jod
Permanenta håret
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
Elektrokemisk skrift
Ett glas luft
Gasvolym och temperatur
Indikatorpapper för plus och minus på batteriet
Innehåller koksaltet jod?
Luftfuktighet och rostbildning
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

vardagens kemi
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Bestäm CMC för diskmedel
Blev disken ren?
Coca-Cola vs Coca-Cola light
Den bästa bulldegen
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Diska med äggula
Eld - varför brinner det?
Eldprovet
Enzymaktivitet i ananas
Enzymer i Tvättmedel
Ett gammalt tvättmedel, del 1: Salt ur björkaska
Ett gammalt tvättmedel, del 2: Tvål ur saltet
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Framställ en detergent
Framställ låglaktosmjölk
Fruktköttet får solbränna
Färga ullgarn med svampar
Färgämnen i M&M
Gore-Tex, materialet som andas
Gör din egen limfärg
Gör din egen tandkräm
Gör ditt eget läppcerat
Gör hårt vatten mjukt
Göra lim av kasein
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur gör man kakan porös?
Hur moget är äpplet?
Hur smakar salmiak?
Håller bubblan?
Karbidlampan
Kemi i en brustablett
Kemisk vattenrening
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Modellmassa av mjölk
Myggmedel - hur funkar det?
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Optiska Vitmedel
Osmos i ett ägg
Osynlig gas
Pektin och marmeladkokning
Pelargonens färg
Permanenta håret
Pulversläckare
Rostbildning och rostskydd
Skär sig majonnäsen?
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Superabsorbenter i blöjor
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Såpbubblor
Tillverka din egen deodorant
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka din egen tvål, del 1: Själva tvålen
Tillverka din egen tvål, del 2: Parfymera och färga tvålen
Tillverka ditt eget läppstift
Tillverka Falu rödfärg enligt gammalt recept
Tillverka papperslim
Tillverka rengöringskräm
Tvätta i hårt vatten
Utfällning av aluminium
Utvinna järn ur järnberikade flingor
Vad händer då något brinner?
Vad händer när degen jäser?
Vad innehåller mjölk?
Vad är det i saltet som smakar salt?
Vad är skillnaden mellan maskin- och handdiskmedel?
Varför färgas textiler olika?
Varför kan man steka i smör och olja men inte i lättprodukter?
Varför mörknar en banans skal?
Varför rostar järn och hur kan man förhindra det?
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Ägget i flaskan
Ärg på en kopparslant
Äta frusen potatis