Spänningsserien och galvaniska
element
Niklas Dahrén
Metaller som reduktionsmedel
ü
ü
ü
Metalleravgergärnasinavalenselektroner0llandraämnenp.g.a.lågelektronega.vitetoch
e3ersomdemetalljonersomuppkommerkanskapastarkajonbindningar.llnega.vajoner(och
därmedbildasalter)ellerbildastarkajon-dipolbindningar.llva>enmolekyler.
Metallerkallasförreduk0onsmedele3ersomdeavgerelektronerochdärmedfårandraämnena>
reduceras.
Menmetallerkanocksåavgeelektroner0llandrametaller:Medhjälpavdens.k.spänningsserien
kanvitaredapåvilkametallersomkanavgeelektroner.llvilkametaller.
Den elektrokemiska spänningsserien
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
Högförmågaa*avgeelektroner
Lågförmågaa*avgeelektroner
ochbildametalljoner
ochbildametalljoner
Frånvänster0llhöger:Metallersomstår.llvänsterispänningsserienavgerelektroner.llmetaller(eller
.llväte)somstår.llhögerommetallen(egentligen.llmetalljoneravdessametaller).
Ejfrånhöger0llvänster:Metaller.llhöger(ellerväte)kaninteavgeelektroner.llmetalljoner(eller
vätejoner)somstår.llvänster.
Exempel:Zinkstår.llvänsteromkopparispänningsserienochzinkatomerkandärföravgeelektroner.ll
kopparjoner.Kopparatomerkandockejavgeelektroner.llzinkjoner.
Zn+Cu2+Zn2++Cu
ü Denelektrokemiskaspänningsserienvisarhurlä>olikametalleravgerelektronerochbildarjoner.
ü
ü
ü
2e-
En zinkstav placeras i en kopparlösning
och då sker följande
reaktion:
2++Cu
Zn+Cu2+Zn
2e-
Zn
Cu2+
Znfungerarsomreduk.onsmedelochreducerarkopparjonernasådessablir
.llkopparatomer.Kopparatomerna”trivs”inteiva>en(ingaladdningar)utan
kommeriställetfastnapåzinkstaven.Zinkstavenfårdärmeden
kopparbeläggningochändrarfärg.Närkoncentra.onenavkopparjonerna
minskarilösningenfårlösningenenljusblåarefärg.
Cu
Zn2+
Cu
Om vi gör tvärtom sker dock ingen reaktion:
2+
Cu+Zn2+Cu+Zn
Kopparäre>sämrereduk.onsmedeljämförtmed
zinkochkandärförinteavgeelektroner.llzinkjoner.
Ingenreak.onkommerdärförkunnaske.
Cu
Cu
Zn2+
Zn2+
Med hjälp av spänningsserien kan vi se att
koppar ej kan avge elektroner
till zinkjoner
ü
ü
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
Högförmågaa*avgeelektroner
Lågförmågaa*avgeelektroner
ochbildametalljoner
ochbildametalljoner
KopparäreNsämrereduk0onsmedelänzink.Ispänningsserienservia>kopparliggerlängre.ll
högerochdärförkanvilistauta>kopparäre>sämrereduk.onsmedeljämförtmedzink.
Nedanståendereak0onkanalltsåinteske:
Cu+Zn2+Cu2++Zn
Uppgift:
Kan följande reaktioner ske spontant?
a) Mg2+ + Ni
Mg + Ni2+
b) Zn + Pb2+
Zn2+ + Pb
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
Lösning:
a) Nej.Vi.>arielektrokemiskaspänningsserienföra>listautsvaret.Magnesiumligger.llvänster
omnickel.Detbetydera>nickelatomerejkanavgeelektroner.llmagnesiumjoner.
b) Ja.Vi.>arielektrokemiskaspänningsserienföra>listautsvaret.Blyligger.llhögeromzink.Det
betydera>zinkatomerkanavgeelektroner.llblyjoner.
Även väte ingår i spänningsserien
ü
ü
ü
Ävenväteingårispänningsseriene3ersomväte(egentligenvätejoner)o3aingåriredoxreak.oner
medmetaller.
Demetallersomstår0llvänsteromvätekanlä>avgeelektroner.llvätejoner(protoner)ochdärmed
kommervätgasa>bildas.Närde>askersålösesmetallenuppe3ersomdenomvandlas.ll
metalljoner(somtrivsiva>en):
2Na+2H+2Na++H2
2e Vätejoner(protoner)avgesavsyror
Natriumstår0llvänsteromväteochavgerdärförelektroner.llvätejoner.Natriumjonerochvätgas
bildasdå.
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
Fördjupning: En metall reagerar med en syra
ü Omviblandarensyramedenmetall(t.ex.zink)kommerenredoxreak.onske.Metallenkommeravge
elektroner.lldevätejoner,H+,somsyranavger.Anledningen.lla>de>askerära>vätejonerna
(protonerna)ärposi.vtladdadeocha>raherarvalenselektronerochsam.digtharmetallerlåg
elektronega.vitetochgerdärförlä>bortsinavalenselektroner.
Zn+2H+Zn2++H2
2e-
ü Vätgasbildas:När2vätejoner,H+,taremotenvarsinvalenselektronsåkandesedanskapaenkovalent
bindningmellanvarandra(deuppnårdåädelgasstrukturochelektronernafårlägreenergi).Vihardåfå>
envätemolekyligasform(alltsåvätgas).Vätgasensynsilösningengenoma>detbildasbubblor.
ü Metallenlösesuppavsyran:Närmetallatomernaharavge>sinavalenselektronerblirde.llmetalljoner.
Metalljonerärposi.vtladdadeochtrivsdärförbraiva>en.Metallenlösesdärförupp(bindermedjondipolbindningmedva>enmolekylernailösningeniställetföra>varakvarsomfastmetall).
Oädla och ädla metaller
++H
2Na+2H+2Na
2
2e-
Natriumärenoädelmetall:Natriumavgerelektroner.llvätejoner(protoner)ochlösesupp(bildar
natriumjoner)ochärdärförenoädelmetall.
Ädlametallerreagerarintemedsyror:Metallerna.llhögeromväteavgerinteelektroner.llvätejoner
ochlösesdärförinteuppavsyror.Dessametallerkallasförädlametaller.Destolängre.llhögeri
spänningsseriendestoädlareärmetallen.
Ädlametaller
Oädlametaller
ü Oädlametallerreagerarmedsyror:Metallerna.llvänsteromväteispänningsserienavgerelektroner.ll
vätejoner.Närde>askerbildarmetallernametalljoner(metallernalösesdåuppe3ersomdetrivsiva>en
ijonform).Dessametallerlösesalltsåuppavsyrore3ersomsyroravgervätejoner,H+.Metallersompå
de>asä>bildarjonerochlösesuppkallasföroädlametaller.
ü
ü
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
Uppgift:
Avgör vilka av påståendena som stämmer
a)
Zinkäre>starkarereduk.onsmedelän
järn.
b) Järnärenädlaremetallänzink.
c) Zinkmetallreagerarspontantmed
silverjoneromdenplacerasien
va>enlösningavsilvernitrat.
d) Kopparmetallreagerarspontantmed
zinkjoner.
e) Läggermansilverisaltsyraskeren
upplösningavmetallen.
f) Nickelkanlösasisaltsyra.
g) Blandarmanenva>enlösningav
zinkkloridmedsaltsyraskerenreak.on
dådetbildasvätgas.
Lösning:
a) Stämmer.Zinkliggerlängre.llvänsterochreducerardåandraämnen
lä>arejämförtmedjärn.
b) Stämmer.Järnliggerlängre.llhögerochavgerdärförinteelektroner
likalä>.
c) Stämmer.Zinkkanavgeelektroner.llmetalljonersomligger.ll
höger,t.ex..llAg+.
d) Fel.Kopparkanbaraavgeelektroner.llmetalljonersomligger.ll
höger.
e) Fel.Silverligger.llhögeromväteochärenädelmetall.Ädelmetaller
avgerinteelektroner.llvätejoner(vätejonernakommerfrån
saltsyran).
f) Stämmer.Nickelligger.llvänsteromväteochkandärföravge
elektroner.llvätejoner.
g) Fel.Izinkkloridfinnsdetzinkjoner.Detärbarazinkatomersomkan
avgeelektroner.llvätejoner.
LiKCaNaMgAlZnCrFeNiSnPb…..H…..CuHgAgPtAu
Den elektrokemiska spänningsserien
utnyttjas i ett galvaniskt
element/cell (batteri)
ü
ü
ü
ü
Olikaanordningarsomskaparelektriskenergiu.frånkemiskareak.oner(redoxreak.oner)kallas
förgalvaniskaelement(ellergalvaniskaceller).
OlikatyperavbaNerierärexempelpågalvaniskaelement.
Igalvaniskaelementskerenredoxreak0ongenoma>elektroneravges(oxida.on)avenmetall
ochgenoma>elektronernatasemot(reduk.on)avmetalljonerfrånenannanmetall.
Närelektronernavandrarfråndenenametallen.lldenandrauppstårelektricitetsomkan
användasföra>drivat.ex.enlampa.
I ett galvaniskt element sker en redoxreaktion
ü ENgalvanisktelement(eNbaNeri)beståravtvå
”sidor”:Pådenenasidanharvienmetallsomär
rela.vtbrapåa>avgeelektroner.Pådenandra
sidanharvienmetallsomärbrapåa>taupp
elektroner(jämförtmedvarandra).Elektroner
”flödar”fråndenenametallen.lldenandravilket
skaparenelektriskström.Ba>erietkandärmeddriva
enlampaellerannanelektriskutrustning.
ü Zinkmetallen:Oxiderasgenoma>denavger
elektroner.Fungerarsomreduk.onsmedelgenom
a>reducerakoppar.
ü Kopparmetallen:Reducerasgenoma>dentaremot
elektroner.Fungerarsomoxida.onsmedelgenoma>
oxiderazink.
Bildkälla:AvGringer-Egetarbete,CCBY-SA3.0,h>ps://commons.wikimedia.org/w/
index.php?curid=4906646
Uppbyggnaden av ett galvanisk element
(zink-kopparelementet)
Elektriskledare
Elektroner
-
Zn
Anod:
Oxida;on
Zn2+
Zn2+
Zn2+
SO42-
Zn2+
Elektroner
Elektrolytlösning(jonlösning)
SO42-
SO42-
2+
Cu
22+
SO4 Cu
2SO4 Cu2+
222+
SO4 SO4 Cu
Poröstmembranellersaltbrygga
Elektrolytlösning(jonlösning)
SO42-
Lampa
+
Cu
Katod:
Reduk;on
Vad består ett galvaniskt element av?
ü
ü
ü
ü
ü
2metallelektroder:Denenakallasföranodochdenandraförkatod.
Anod:Utgörsavdenmetallsomlä>astavdebådametallernaavgerelektroner.Izink-koppar
elementetärdetzink.Härskeroxida.on.
Katod:Utgörsavdenmetallsomlä>astavdebådametallernataruppelektroner.Izink-koppar
elementetärdetkoppar.Härskerreduk.on.
Elektrolytlösningar:Varjemetallelektrodärdoppadienelektrolytlösningsombeståravjonerlöstai
va>en.Iblandärdetenbartenelektrolytlösningsombådametallelektrodernaärdoppadei.
Enelektriskledare:Enelektriskledare(t.ex.enkoppartråd)förbinderanodenmedkatodenvilket
möjliggörförelektronera>vandramellandessaocha>ukörae>arbete,t.ex.drivaenlampa.
ü ENporöstmembran/plaNaellersaltbrygga:Möjliggörförnega.vajoner(anjoner)ochposi.vajoner
(katjoner)a>vandramellandebådaelektrolytlösningarnaoch.lldeolikaelektroderna.
Förklaring över hur zink-kopparelementet
fungerar
ü Zinkelektrodenutgöranoden:Zinkenliggerlängst.llvänsterispänningsserienochavgerdärförlä>astelektroner
avdetvåmetallerna(oxideraslä>ast).Detkommerdärföransamlasflestfriaelektronervidzinkelektroden.
Zinkelektrodenfåre>översko>avfriaelektronerochblirdärförnega.vtladdad.Detblirtrångtmedelektroner
(mycketnega.vladdning)ochdevilldärför”vandraiväg”motområdendärdetfinnsposi.vladdning(ellerialla
fallintelikamycketnega.vladdning).Zinkelektrodenkallasföranode3ersomdetärhäroxida.onensker.
ü Kopparelektrodenutgörkatoden:Vidkopparelektrodenfårviintelikastortöversko>avfriaelektronere3ersom
kopparmetallenharmycketsvårarea>oxiderasjämförtmedzink.Runtkopparelektrodenharviävenmånga
posi.vakopparjoner(ielektrolytlösningen).Kopparelektrodenblirdärförmerposi.vtladdadjämförtmedden
tydligtnega.vtladdadezinkelektroden(anoden)ochkommerdärföra>raheraochdra.llsigdefriaelektronerna
somfinnsdär.
ü
Elektronernakommervandrafrånzinkatomernaianoden.llkopparatomernaikatodenp.g.a.laddningsskillnaden
(spänningsskillnaden;-och+).Närelektronernakommerfram.llkopparatomernapåkatodenkommerdetsnabbt
blifulltdärmendåa>raherasdeavdeposi.vakopparjonernasomfinnsruntkatodenielektrolytlösningen.
Kopparjonernailösningenplockaruppelektronernaochreducerasdå.llkopparatomer.Kopparatomerärinte
lösligaiva>enochkommerdärförfastnapåkopparelektrodensomdåökarivikt(sam.digtminskarzinkelektroden
iviktnärzinkatomernaomvandlas.llzinkjoner).Kopparelektrodenkallasförkatode3ersomdetärhär
reduk.onensker.
Varför behövs det en saltbrygga (eller poröst
membran) och elektrolytlösningar?
ü
ü
JonernaielektrolytlösningarnahartvåavgörandeuppgiZer:
1. Posi.vajonervidkatodena>raherarochtaremotdeelektronersomkommerfram.llkatoden.Om
detinteskulleskeskulledetsnabbtblifulltpåkatodenmedelektronerochdåskulle
elektronvandringenupphöra.
2. Denega.vajonernavandrarmotanodenmedandeposi.vavandrarmotkatodenochdåkan
spänningsskillnaden(laddningsskillnad)upprä>hållasmellananodenochkatoden.Detmåstehela
.denvaraenspänningsskillnadmellanelektrodernaföra>fåelektronernaa>vandrairä>riktning.
Saltbryggan(ellermembranets)uppgiZäraN0llåtajonvandringmellandebådasidorna.
Fördjupning: Elektrolytlösningarna upprätthåller
spänningsskillnaden
ü Närelektronernavandrarfrånanoden0llkatodengenomdenelektriskaledarenkandeukörae>arbete,
t.ex.drivaenlampa.
ü Närelektroneravgesvidanodenbildasposi.vazinkjonersomansamlasielektrolytlösningenruntanoden.
Förmycketposi.vladdningruntanodenmotverkarelektronernasvandringe3ersomzinkjonernadåkan
a>raheraochbindaelektronernaigen.Detblirdåfärrefriaelektronerpåanodenvilketinnebärminskad
nega.vladdningpåanoden.
ü
ü
Närkopparjonertaruppelektronervidkatodenminskarantaletposi.vajonerruntkatoden.Deelektroner
somkommerfram.llkatodenkommerdåintea>raheraslikamycketavelektrolytlösningenruntkatoden
ochdärförkommerantaletfriaelektronerökapåkatoden.De>aleder.llökadnega.vladdningpåkatoden
oche>översko>avelektroner.
Tillsammanslederdethär0llaNspänningsskillnadenmellananodenochkatodenminskar.Elektronernas
slutardärmedvandra.Mentackvarea>denega.vajonernaielektrolytlösningarnavandrarmotanoden,
ocha>deposi.vajonernavandrarmotkatodensåkanspänningsskillnadenupprä>hållasochelektronerna
kanfortsä>avandramellananodenochkatoden.
Reaktionerna som sker i zink-kopparelementet:
Katodreak0on(reduk0on):
Anodreak0on(oxida0on):
Cu2++2e-Cu
ZnZn2++2e-
Totalreak0on(redoxreak0on):
2+
Zn+Cu Zn2++Cu
Reaktionerna som sker i ett galvaniskt element
(cell) kan beskrivas med ett cellschema
ü Cellschema:E>cellschemabeskriverpåe>överskådligtsä>e>galvanisktelementochde
reak.onersomskeride>a.
ü Nedanståendecellschemaärförzink-koppar-elementet:
2+
2+
-Zn(s)Zn (aq)Cu
(aq)Cu(s)+
ü ENgalvanisktelement(galvaniskcell)beståravtvå”halvceller”:Denenahalvcellenärdär
oxida.onsker(anoden)ochdenandrahalvcellenärdärreduk.onsker(katoden).
SegärnaflerfilmeravNiklasDahrén:
hNp://www.youtube.com/Kemilek0oner
hNp://www.youtube.com/Medicinlek0oner
