Den elektrokemiska
spänningsserien
Niklas Dahrén
Metaller som reduktionsmedel
ü
Metallerfungeraroftasomreduktionsmedel:Metallerfungeraroftasomreduktionsmedeleftersomdeavger
sinavalenselektronerrelativtlättochdärmedfårandraämnenattreduceras.
ü
Varföravgermetallersinavalenselektronerrelativtlätt?:
§ Metallerharfåvalenselektronerochlågelektronegativitet ochavgerdärförsinavalenselektronertill
andraämnensomärbättrepåattattraheravalenselektroner.
§ Närmetallernagerbortsinavalenselektronerbildasdetmetalljoner,somkanskapastarkajonbindningar
tillnegativajoner(ochdärmedbildasalter),ellerbildastarkajon-dipolbindningar tillvattenmolekyler.
Dentotalaenerginfördeinblandadeämnenablirlägrenärjonbindningarellerjon-dipolbindningar
uppstår(stabilabindningar).Därförskerdetoftaspontantattmetalleravgersinavalenselektronernär
metallernakommerikontaktmedämnensomkanattraheraderasvalenselektroner.
ü
Metallerkanavgeelektronertillandrametaller:Metallerkanocksåavgeelektronertillandrametaller(till
metalljoner avdenandrametallen).Menenspecifikmetallkaninteavgetillvilkenannanmetallsomhelst.
Medhjälpavdens.k.”elektrokemiskaspänningsserien”kanvitaredapåvilkametallersomkanavge
elektronertillvilkametaller.
Den elektrokemiska spänningsserien
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Högförmågaattavgeelektroneroch
bildajoner(brareduktionsmedel)
Lågförmågaattavgeelektroneroch
bildajoner(dåligareduktionsmedel)
ü Denelektrokemiskaspänningsserienvisar:
§ Hurlättolikametalleravgerelektronerochbildarjoner(ävenvätefinnsmedispänningsserien).
§ Vilkametallerochmetalljoner somkanreageramedvilka.
ü Frånvänstertillhöger:Metallersomstårtillvänsterispänningsserienavgerelektronertilljoneravmetaller(eller
väte)somstårtillhöger.Anledningenärattmetallernatillvänsterharhögförmågaattavgeelektronerochbilda
metalljoner.Deärbrareduktionsmedel.Metallertillhögerkandäremotinteavgeelektronertilljoneravmetaller
(ellerväte)somstårtillvänster.Zinkkant.ex.avgetillkopparjonermenkopparkaninteavgetillzinkjoner.
ü Denelektrokemiskaspänningsserienbaserasinteenbartpåelektronegativitetutanävenpåhurbrametallerna
”trivs”ijonform inkl.hurstarkajon-dipolbindningar dekanskapamedvattenmolekyler(redoxreaktionerna sker
vanligtvisikontaktmedvattenlösningaravnågotslag).Metallersom”trivsbra”ijonform ochbindermedstarka
jon-dipolbindningar tillvattenmolekylerkommerbildajoneristörreutsträckningänandrametaller.
Elektroner kan enbart avges till metalljoner
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Högförmågaattavgeelektroneroch
bildajoner(brareduktionsmedel)
ü
Lågförmågaattavgeelektroneroch
bildajoner(dåligareduktionsmedel)
Elektroneravgesalltidtillmetalljoner (ellertillvätejoner):Metalljoner(ochvätejoner)harettelektronunderskott
(jämförtmedgrundtillståndet)ochärdärförpositivtladdade.Metalljoner kandärförattraheraochtaemotnegativt
laddadeelektroner.Metallatomerharingetelektronunderskott(jämförtmedgrundtillståndet)ochärdärför
oladdade.Metallatomerharävenmycketlågelektronegativitet.Dettainnebärattmetallatomerinteharnågon
förmågaatttaemotelektroner.Detäralltsåalltidmetalljoner/vätejonersomtaremotelektronerochi deflestafall
ärdetmetallatomersomavgerelektronernatillmetalljonerna.Detfinnsdocknågrafåundantagdärmetalljoner av
enmetallavgerelektronertillmetalljoner avenannanmetall(t.ex.Fe2++Cu2+à Fe3++Cu+).
Zinkatomer kangebort
elektronertillkopparjoner:
Zn+Cu2+
Zinkjoner kanintegebort
elektronertillkopparatomer:
Zn2+ +Cu
Zn2+ +Cu
2e2e-
Zn4++Cu2-
2 regler när det gäller spänningsserien
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Högförmågaattavgeelektroneroch
bildajoner(brareduktionsmedel)
Lågförmågaattavgeelektroneroch
bildajoner(dåligareduktionsmedel)
1.
Elektroneravgesfrånvänstertillhöger:Metallertillvänsterispänningsserienavgerelektronertillmetaller
(ellerväte)somstårtillhöger.
2.
Elektroneravgestillmetalljoner (ellertillvätejoner):Elektronerkanenbartavgestillmetalljoner,aldrigtill
metallatomer.
Uppgift 1:
Avgör vilka av nedanstående reaktioner som kan ske
a) Cu2+ + Mg à Cu + Mg2+
b) Mg2+ + Cu à Mg + Cu2+
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Lösning:
a)
Cu2++Mg
Mg2+ +Cu
ReaktionenvisarattMgavgerelektronertillCu2+.Dennareaktionkanske iverkligheteneftersomdenuppfyllerbåda
reglerna;
1.Avgesfrånvänstertillhöger:MgstårtillvänsteromCu.
2.Avgestillmetalljoner: Elektroneravgesfrånatomer(Mg)tilljoner(Cu2+).
b)
Mg2+ +Cu
Mg
+Cu2+
ReaktionenvisarattCuavgerelektronertillMg2+. Dennareaktionkanejske iverkligheteneftersomdeninte
uppfyllerregel1;
1. Avgesfrånvänstertillhöger:CustårtillhögeromMg.CukandärförinteavgeelektronertillMg2+.
En zinkstav placeras i en kopparlösning
och då sker följande reaktion:
Zn+Cu2+
Zn2+ +Cu
2e-
Zn
ü Znfungerarsomreduktionsmedelochreducerarkopparjonernasåattdessa
blirtillkopparatomer.Kopparatomerna”trivs”inteivatten(ingaladdningar=
ejjon-dipolbindningar medvattenmolekyler)utankommeriställetfastnapå
zinkstaven.Zinkstavenfårdärmedenkopparbeläggningochändrarfärg.När
koncentrationenavkopparjonernaminskarilösningenfårlösningenen
ljusblåarefärg.
Cu
Cu2+
Zn2+
Cu
Om vi gör tvärtom sker dock ingen reaktion:
Cu+Zn2+
Cu
+Zn2+
ü Kopparärettsämrereduktionsmedeljämförtmedzink(står
längretillhögeridenelektrokemiskaspänningsserien)ochkan
därförinteavgeelektronertillzinkjoner.Ingenreaktionkommer
därförkunnaske.
Cu
Cu
Zn2+
Zn2+
Med hjälp av spänningsserien kan vi se att
koppar ej kan avge elektroner till zinkjoner
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Högförmågaattavgeelektroneroch
bildajoner(brareduktionsmedel)
Lågförmågaattavgeelektroneroch
bildajoner(dåligareduktionsmedel)
ü Kopparärettsämrereduktionsmedelänzink:Ispänningsserienserviattkopparliggerlängretillhögeroch
därförkanvilistautattkopparärettsämrereduktionsmedeljämförtmedzink.Kopparatomerkommer
därförintekunnareducerazinkjoner(avgeelektronertilldessa).
ü Nedanståendereaktionkanalltsåinteske:
Cu+Zn2+Cu2+ +Zn
Uppgift 2:
Kan följande reaktioner ske spontant?
a) Mg2+ + Ni à Mg + Ni2+
b) Zn + Pb2+ à Zn2+ + Pb
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Lösning:
a)
Mg2++Ni
Mg
+
Ni2+
ReaktionenvisarattNiavgerelektronertillMg2+.Dennareaktionkanejske iverkligheteneftersomdeninteuppfyller
regel1;
1.Avgesfrånvänstertillhöger:NistårtillhögeromMg.NikandärförinteavgeelektronertillMg2+.
b)
Zn+Pb2+
Zn2+
+Pb
ReaktionenvisarattZnavgerelektronertillPb2+. Dennareaktionkanske iverkligheteneftersomdenuppfyllerbåda
reglerna;
1. Avgesfrånvänstertillhöger:ZnstårtillvänsteromPb.ZnkandärföravgeelektronertillPb2+.
2. Avgestillmetalljoner:Elektroneravgesfrånatomer(Zn)tilljoner(Pb2+).
Även väte ingår i spänningsserien
ü Ävenväteingårispänningsserieneftersomväte(egentligenvätejoner)oftaingåriredoxreaktionermed
metaller.
ü Demetallersomstårtillvänsteromvätekanlättavgeelektronertillvätejoner(protoner)ochdärmed
kommervätgasattbildas.Närdettaskerlösesmetallenuppeftersomdenomvandlastillmetalljoner(som
trivsochkanlösasivatten):
2Na+2H+
2e-
2Na++H
2
Vätejonernaireaktionenkommer
frånensyra.Gemensamtföralla
syrorärattdeavgervätejoner.
ü Natriumstårtillvänsteromväteochavgerdärförelektronertillvätejoner.Närdettaskerbildasnatriumjoner
ochvätgas.
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Syror avger vätejoner (protoner)
ü Syroravgervätejoner:Definitionenavsyrorärattdeharförmågaattavgevätejoner,H+.
§
§
Starkasyror:Storförmågaattavgevätejoner.
Svagasyror:Kanavgevätejoner,menärintelikabrapådetsomstarkasyror.Anledningenäratt
vätejonensitterhårdarefastoch/ellerdennegativajonsomuppkommerinteärsärskiltstabiloch
därförsnabbttartillbakavätejonen.
H+
HNO3
Salpetersyra
ü
Vätejon
(proton)
+NO3
-
Nitratjon
Vätejonernakallasoftaför
protonereftersomvätejonen
enbartbeståravenproton(den
endaelektronensomväteatomen
harfinnsjuintelängrekvar!).
Syrorgerupphovtilloxoniumjoner ivattenlösningar:Närvätejonenharlossnatfrånsyransåkandenslåsig
sammanmedenvattenmolekyl.Dåbildasenoxoniumjon,H3O+.Suralösningar(lågtpH)innehållerenhög
koncentrationoxoniumjoner.
H+
Vätejon
+H2O
Vatten
H3O+
Oxoniumjon
Oädla och ädla metaller
ü Oädlametallerreagerarmedsyror:Metallernatillvänsteromväteispänningsserienavgerelektronertill
vätejoner.Närdettaskerbildarmetallernametalljoner ochmetallernalösesdåuppeftersomdetrivsivatteni
jonform.Dessametallerlösesalltsåuppavsyroreftersomdetärsyrorsomavgervätejonerna,H+.Metallersom
pådettasättbildarjonerochlösesuppkallasföroädlametaller.Ireaktionenbildasävenvätgas(H2).
2Na+2H+
2e-
2Na+ +H2
Vätejonernaireaktionenkommer
frånensyra.Gemensamtföralla
syrorärattdeavgervätejoner.
ü Natriumärenoädelmetall:Natriumavgerelektronertillvätejonerochlösesdåupp(bildarnatriumjoner)och
räknasdärförsomenoädelmetall.
ü Ädlametallerreagerarintemedsyror:Metallernatillhögeromväteavgerinteelektronertillvätejonerochlöses
därförinteuppavsyror.Dessametallerkallasförädlametaller.Destolängretillhögerispänningsseriendesto
ädlareärmetallen.
Oädlametaller
Ädlametaller
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Film: Metaller + stark syra
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Fördjupning över vad som händer när en
oädel metall reagerar med en syra
ü
Omviblandarensyramed enoädelmetall(t.ex.zink)kommerenredoxreaktionske.Metallenkommeravge
elektronertilldevätejoner,H+,somsyranavger.
Zn+2H+
Zn2+
+H2
2eü Vätgasbildas:När2vätejoner,H+,taremotenvarsinvalenselektronkandesedanskapaenkovalentbindning
mellanvarandra.Vihardåfåttenvätemolekyligasform(alltsåvätgas).Vätgasensynsilösningengenomattdet
bildasbubblor.
ü Metallenlösesuppavsyran:Närmetallatomernaharavgettsinavalenselektronerblirdetillmetalljoner.
Metalljonerärpositivtladdadeochtrivsdärförbraivatten,metallenlösesdärförupp(debindermedjondipolbindning medvattenmolekylernailösningeniställetförattvarakvarsomfastmetall).
Uppgift 3:
Avgör vilka av påståendena som stämmer
Lösning:
a)
Zinkärettstarkarereduktionsmedelänjärn.
b)
Järnärenädlaremetallänzink.
c)
Zinkmetallreagerarspontantmedsilverjoner
c)
omdenplacerasienvattenlösningav
silvernitrat.
d)
Kopparmetallreagerarspontantmedzinkjoner.
e)
Läggermansilverisaltsyraskerenupplösning
avmetallen.
f)
Nickelkanlösasisaltsyra.
d)
e)
f)
g)
BlandarmanenvattenlösningavCaCl2 med
saltsyraskerenreaktiondådetbildasvätgas.
a)
b)
g)
Stämmer.Zinkliggerlängretillvänsterochreducerardåandraämnen
lättarejämförtmedjärn.
Stämmer.Järnliggerlängretillhögerochavgerdärförinteelektroner
likalätt.
Stämmer.Zinkkanavgeelektronertillmetalljonersomliggertillhöger,
t.ex.tillAg+.
Stämmerinte.Kopparkanbaraavgeelektronertillmetalljonersom
liggertillhöger.
Stämmerinte.Silverliggertillhögeromväteochärenädelmetall.
Ädelmetalleravgerinteelektronertillvätejoner(vätejonernakommer
frånsaltsyran).
Stämmer.Nickelliggertillvänsteromväteochkandärföravge
elektronertillvätejoner.
Stämmerinte.ICaCl2 finnsdetkalciumjonersomärfulltoxiderade
(Ca2+). Detärbarakalciumatomersomkanavgeelektronertillvätejoner.
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Uppgift 4:
I vilken riktning går nedanstående reaktioner?
a) 2Ag+ + Pb __ 2Ag + Pb2+
b) Mg2+ + Zn __ Mg + Zn2+
c) Mg2+ + H2 __ Mg + 2H+
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Lösning:
a) 2Ag+ +Pb à 2Ag+Pb2+
Pb liggerlängretillvänsterjämförtmedAg.Pb-atomerkanavgetillAg-joner(Ag+).
b) Mg2++Zn ß Mg+Zn2+
MgliggerlängretillvänsterjämförtmedZn.Mg-atomerkanavgetillZn-joner(Zn2+).
c) Mg2+ +H2 ß Mg+2H+
MgliggerlängretillvänsterjämförtmedH.Mg-atomerkanavgetillH-joner(H+).
SegärnaflerfilmeravNiklasDahrén:
http://www.youtube.com/Kemilektioner
http://www.youtube.com/Medicinlektioner
