Elektrokemisk skrift

Kemisk bakgrund

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^– → O^2–

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⁺ + O^2–

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^–

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.

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.

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:

• pH-indikatorer
• redox-indikatorer
• komplex-indikatorer

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.

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.

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.

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.

• Alla känner igen aluminiumburkar för drycker, det används också till vissa hushållsprodukter.
• Inom byggnadsindustrin används aluminium till fönsterlister, tak och fasader.
• Flygplan byggs av starka och lätta legeringar. Cirka 80 % av ett flygplans massa utgörs av aluminium.
• Den höga elektriska ledningsförmågan gör att aluminium används inom elektrotekniken, t.ex i högspänningsledningar.

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.