Elektrokemi och metallernas kemi

Del 1. Elektrokemi och metallernas kemi

Innehåll

V. Metallernas kemi

1. Metallers egenskaper (kap 21)
2. Metallernas spänningsserie (kap 22)
3. Oxidation och reduktion
4. Galvaniska element (kap 23)
5. Elektrolys
6. Reaktion med syre (kap 25)
7. Från mineral till metall (kap 24)

VI. Organisk kemi

1. Organiska föreningar (kap 26)
2. Grundämnet kol
3. Molekylstruktur
4. Kolväten (kap 27)
5. Alkoholer (kap 29)
6. Karboxylsyror (kap 30)

VII. Livets kemi

1. Fetter (kap 31)
2. Kolhydrater (kap 32)
3. Proteiner (kap 33)

Laborationer

V. Metallernas kemi

• Vilka metaller reagerar med saltsyra?
• Reagerar metallerna?
• Tre okända pulver (rapport)
• Batteri med fruktsallad
• Kopparnyckeln
• Reduktion av metaller
• Rosta metallspikar (hemmalabb)
• Laga guldmynt

VI. Organisk kemi

• Bygga molekyler
• Bygga molekyler (molview)
• Doftar du Ester?

VII. Livets kemi

• Undersöka fetter?
• Undersöka kolhydrater
• Undersöka proteiner

Bedömningsmetoder

• Aktivitet: lektionsaktivitet, förseningar, läxor m.m.
• 2 st prov
• 2-3 st förhör
• Laborationsvitsord – Medeltal av alla labbar (Godkänd = 7, Bra = 8, Utmärkt = 10)
• Laborationsrapport 1 st – Använder bedömningsmatris
• Längre rapport 2-5 sidor – Beskrivning, forskningsfråga, hypotes, material, utförande, observationer, resultat, teori, analys, ämnesbegrepp, reflektioner

Bedömningsgrunder

• Grunderna för bedömningen (bedömningsgrunderna) utgår från läroplanen:
• Bedömningskriterier för slutbedömningen i den grundläggande utbildningen (31.12.2020, 1.8.2021)
• Läroplansmål M1-M15 (M-mål)
• Finns skrivna på alla prov, förhör och laborationer
• https://www.oph.fi/sites/default/files/documents/Bed%C3%B6mning%20skriterier%20f%C3%B6r%20slutbed%C3%B6mningen%20i%20kemi.pdf

Påminnelse för i år!

• 1 lektion/vecka i period 2 och 2 lektioner/veckan period 3
• Totalt ca. 30 lektioner
• Vid laborationer välj själv vilken nivå: Godkänt, Bra eller Utmärkt
• Laborationsvitsord – Medeltal av alla labbar (Godkänd = 7, Bra = 8, Utmärkt = 10)
• Samarbete med din labbpartner är OK men alla lämna in egna labbar, alla får egna labbvitsord!
• Finns en kemihemsida på Classroom
  • Lektionsmaterial, lektionsvideon, labbinstruktioner
  • Digi-övningar
  • Övningsprov
  • Rapport laddas upp hit

Regler i kemisalen

• Mobiltelefoner måste vara i röda lådan
• Jackor och väskor sätts bort
• Man får inte äta eller dricka i kemisalen
• Rör inte kemikalier eller kemiutrustning utan lov
• Man får inte springa eller kasta saker, inte rulla med stolar
• Man får inte byta sittordning utan lov
• Man följer instruktionerna när man labbar, om man är osäker så frågar man
• När man labbat färdigt diskar man undan och hänger upp labbrocken
• När lektionen är slut städar man undan

Elektrokemi

Definition och centrala koncept

• Inom elektrokemi undersöker man sambandet mellan kemiska reaktioner och elektricitet (elektrisk energi).
• Centralt inom elektrokemi är metallernas kemi, inklusive
  • Metallframställning
  • Batterier
  • Korrosion
• Historiska figurer:
  • Galvani (groda)
  • Volta (batteri)

Statisk elektricitet

• Bärnsten och päls bildar statisk laddning då de gnids mot varandra.
• Samma effekt fås när man gnider en ballong mot håret.
• Antik Grekland (500 f.Kr):
  • ἤλεκτρον (ēlektron) från bärnsten
• Elektricitetens historia

Metallers egenskaper

• Metallers egenskaper inkluderar:
  • Få ytterelektroner (1-3 st)
  • Metallatomer avger lätt elektroner och blir positiva metalljoner.
  • Metallföremål har metallbindningar: metalljoner i ett "hav av fria elektroner".
  • Hög konduktivitet (ledningsförmåga för elektricitet) och värmeledningsförmåga.
  • Smidbar, töjbar, och utdragbar.
  • Hög densitet och hög smältpunkt.
  • Metallglans.

Sammanfattning av metallers egenskaper

• Töjbara (smidbara)
• Metallglans
• Bra konduktivitet (strömledande)
• Bra värmeledning
• Hög densitet och smältpunkt
• Få ytterelektroner: 1-3 st, avges lätt (blir positiva joner), bildar aldrig negativa joner.

Metallbindning

• Definition av metallbindning: Bindning mellan metalljoner som skapar ett hav av delokaliserade elektroner
• Simuleringar kan användas för att illustrera metallbindningar

Tungmetaller

• Tungmetaller är miljöfarliga och ofta skadliga för hälsan.
• Många av dessa metalljoner anrikas i kroppen och är giftiga. Exempelvis
  • Koppar (Cu)
  • Bly (Pb)
  • Kvicksilver (Hg)
  • Kadmium (Cd)

Metallernas spänningsserie

• I den elektrokemiska spänningsserien är metallerna ordnade från mest reaktiva (oädla) till minst reaktiva (ädla).
• Oädla metaller:
  • Mer reaktiva
  • Finns ofta som mineraler (jonföreningar) i naturen.
  • Reagerar med syror (frigör vätgas, plopp-ljud).
• Ädla metaller:
  • Mindre reaktiva
  • Kan hittas i ren metallform.
  • Reagerar ofta inte med syror (undantag ex. kungsvatten avger lättare elektroner).

Exempel på mineraler

• Järnoxid, $Fe<em>2O</em>3$ (rödrost eller hematit)
• Rena metaller ex. Guld $Au$

Övning: Vilka ämnen reagerar med syror?

• a) Järn: Ja
• b) Tenn: Ja
• c) Koppar: Nej
• d) Natrium: Ja
• e) Silver: Nej

Reaktion mellan två metaller

• Två metaller reagerar med varandra om:
  1. Ena är metallatom, andra metalljon.
  2. Ädlare är jon, oädlare är atom.

Exempel

• a) Kopparmutter i järnklorid-lösning: Ingen reaktion
• b) Järnspik i kopparklorid-lösning:
  • Oädlare metallämne avger elektroner (oxidation).
  • Ädlare metalljon mottar elektroner (reduktion).

Redoxreaktioner (oxidation och reduktion)

• Definition av oxidation: En kemisk reaktion där ett ämne avger elektroner.
• Definition av reduktion: En reaktion där ett ämne mottar elektroner.
• Viktigt att notera att metallatomer inte kan reduceras.

Minnesregel för oxidation och reduktion

• Oxidation = Avger (vokal), Reduktion = Mottar (konsonant). Exempel:
• Oxidation: Mg
  ightarrow Mg^{2+} + 2e^-
• Reduktion: Cu^{2+} + 2e^-
  ightarrow Cu

Sammanfattning av redoxreaktioner

• Redoxreaktioner (oxidation och reduktion) sker alltid i par där ett ämne avger elektroner, och ett annat ämne mottar. Det kallas en reduktion och oxidation-reaktion (totalreaktion).
• Två metaller reagerar (redox) med varandra endast om:
  1. Den ädlare metallen är en jon.
  2. Den oädlare är en atom.

Exempel på redoxreaktion mellan järn(II)klorid och aluminium

• 2Al + 3Fe^{2+}
  ightarrow 2Al^{3+} + 3Fe (obalanserad reaktion)
• Delreaktioner:
  • Oxidation: 2Al
    ightarrow 2Al^{3+} + 6e^-
  • Reduktion: 3Fe^{2+} + 6e^-
    ightarrow 3Fe

Vanliga jonladdningar för metalljoner

• Huvudgrupper:
  • H+: 1+
  • Li+: 1+
  • Na+: 1+
  • Be²+: 2+
  • Mg²+: 2+
  • Ca²+: 2+
  • Al³+: 3+
• Övergångsmetaller kan variera, ex:
  • $Fe^{2+}$ eller $Fe^{3+}$
  • $Cu^{2+}$, $Pb^{2+}$, $Zn^{2+}$, $Ni^{2+}$, osv.

Galvaniska element

• En apparat som består av två olika metallelektroder och en elektrolytlösning där en redox-reaktion sker mellan metallerna och elektrolyten, vilket producerar elektricitet (elektrisk energi).
• Exempel: Ett batteri, sker vid korrosion. Ju längre metallerna är från varandra i spänningsserien, desto större spänning.
• Negativ pol (anod): Oädlare metall (oxidation, förbrukas).
• Positiv pol (katod): Ädlare metall (reduktion, växer).

Elektrolys

• En process där man använder två elektroder (ofta grafit) och en elektrolytlösning där man tillför elektricitet (elektrisk energi) från en yttre strömkälla för att orsaka en redox-reaktion.
• Med elektrolys kan man:
  • Ytbelägga metaller (ex. förkoppring av nyckel, smycken).
  • Rengöra metaller.
  • Framställa rena grundämnen (ex. aluminium).
  • Syreframställning i u-båtar.

Anod och katod vid elektrolys

• Positiva joner rör sig mot katoden (reduktion sker där).
• Negativa joner rör sig mot anoden (oxidation sker där).
• Minnesregel: I den elektrolytiska cellen förstärker katoden negativitet och anoden positivitet.

Korrosion

• Korrosion är en process där en metall reagerar (redox) med syre och vatten, vilket leder till bildning av ett oxidskikt på metallens yta.
• Kemi bakom korrosion:
  • Metall + syre + vatten → korrosion.
• Exempel: Rost $Fe<em>2O</em>3 \bullet nH_2O$ (rödbrunt).
• Korrosionsskydd:
  • Användning av ädlare metaller (legeringar som Cr)
  • Måla eller olja metallytan för att skydda mot korrosion (ex. plast, kedjor, billack)
  • Anodisering, galvanisering (förzinkring).
  • Offermetaller, som zink eller magnesium.

Från mineral till metall

• Mineraler är metaller och metallföreningar som finns i olika bergarter.
• Oädla metaller finns främst som metallföreningar, huvudsakligen metalloxider och metallsulfider (ex. hematit $Fe<em>2O</em>3$ och zinkblände $ZnS$).
• Ädla metaller kan hittas i ren form (ex. $Au$, $Ag$, $Cu$, $Pt$).

Malm

• Endast mineraler som innehåller tillräckligt av metallerna utvinns, kallas malm.
• Exempel på geologi:
  • ca 300 kg $Fe$/ton malm (30%).
  • ca 20 g $Au$/ton malm (0,002%).

Utvinning av metall

1. Utvinna malm från dagbrott eller gruva.
2. Krossa malmen.
3. Anrika malmen (t.ex. med magnet).
4. Reducera malmen i masugn med kol.
5. Förädla metallen (sänka kolhalten) med syre i schaktugn.

Sammanfattning av metallernas kemi

• Metaller har få ytterelektroner och bildar metallbindningar.
• De leder elektricitet och värme, har hög densitet och smältpunkt, samt uppvisar metallglans.
• Oädla metaller är reaktiva och reagerar med syror, medan ädla metaller är mindre reaktiva och kan hittas som rena metaller.

Redoxreaktioner

• Oxidation avger elektroner, exempel: Mg
  ightarrow Mg^{2+} + 2e^-.
• Reduktion mottar elektroner, exempel: Cu^{2+} + 2e^-
  ightarrow Cu.
• Dessa processer sker alltid i par, i angivelsen av oxidation och reduktion, således kallas det redoxreaktioner.
• Galvaniska element ger spänning genom redoxreaktioner mellan olika metaller.
• I elektrolys förbrukas ström där redoxreaktioner mellan joner i elektrolyten utförs.

Korrosion

• Korrosion kan ske när metaller reagerar med O₂ och H₂O, vilket kan generera metalloxidskikt. Till exempel är bildandet av rost en indikator på ett oönskat korrosionsskede.
• Det är viktigt att skydda metaller mot korrosion genom olika metoder som att använda skyddande oxidskikt eller offermetaller.