Kemi med zinkjodid, del 2: Återbilda grundämnena elektrokemiskt

Kemisk bakgrund

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.

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.

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^– → 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^–

Elektrokemisk cell

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

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.

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.

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.