Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi

Kemisk bakgrund

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.