Den elektrokemiska
spänningsserien
Niklas Dahrén
Metaller som reduktionsmedel
ü
Metalleravgergärnasinavalenselektronertillandraämnenp.g.a.lågelektronegativitet och
eftersomdemetalljonersomuppkommerkanskapastarkajonbindningartillnegativajoner(och
därmedbildasalter)ellerbildastarkajon-dipolbindningar tillvattenmolekyler.
ü
Metallerkallasförreduktionsmedeleftersomdeavgerelektronerochdärmedfårandraämnenatt
reduceras.
ü
Metallerkanavgetillandrametaller:Metallerkanocksåavgeelektronertillandrametaller(till
metalljoner).Menenspecifikmetallkaninteavgetillvilkenannanmetallsomhelst.Medhjälpav
dens.k.”elektrokemiskaspänningsserien”kanvitaredapåvilkametallersomkanavgeelektroner
tillvilkametaller.
Den elektrokemiska spänningsserien
ü Denelektrokemiskaspänningsserienvisarhurlättolikametalleravgerelektronerochbildarjoner.
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Högförmågaattavgeelektroneroch
bildametalljoner(brareduktionsmedel)
Lågförmågaattavgeelektroneroch
bildametalljoner(braoxidationsmedel)
ü Frånvänstertillhöger:Metallersomstårtillvänsterispänningsserienavgerelektronertillmetaller(eller
väte)somstårtillhögerommetallen.
ü Ejfrånhögertillvänster:Metallertillhöger(ellerväte)kandäremotinteavgeelektronertillmetaller(eller
väte)somstårtillvänster.
ü Denelektrokemiskaspänningsserienbaserasinteenbartpåelektronegativitetutanävenpåhurbra
metallerna”trivs”ijonform (hurstabiladeär).Metallersom”trivsbra”ijonform kommerinteviljataupp
elektronerigenochbildametallatomer.
Elektroner kan enbart avges från metallatomer
till metalljoner
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Högförmågaattavgeelektroneroch
bildametalljoner(brareduktionsmedel)
ü
Lågförmågaattavgeelektroneroch
bildametalljoner(braoxidationsmedel)
Detmåstevaraenmetallatomsomavgerelektronertillenmetalljon:Metallatomerharkvarsina
valenselektroner.Dessavalenselektronerhardemöjlighetattavge.Metallatomerkanalltsåoxideras.
Metalljoner hardäremotredanförloratsinavalenselektronerietttidigareskede,deäralltsåredani
oxideradform,ochkandärmedinteavgenågravalenselektroner(deelektronersomnusitterytterstsitter
fastbetydligthårdare).
Zinkatomer kangebort
elektronertillkopparjoner:
Zn+Cu2+
Zinkjoner kanintegebort
elektronertillkopparatomer:
Zn2+ +Cu
Zn2+ +Cu
2e-
Zn4++Cu2-
2 regler när det gäller spänningsserien
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Högförmågaattavgeelektroneroch
bildametalljoner(brareduktionsmedel)
Lågförmågaattavgeelektroneroch
bildametalljoner(braoxidationsmedel)
1.
Elektroneravgesfrånvänstertillhöger:Ämnentillvänsterispänningsserienavgerelektronertillämnen
somstårtillhöger.Anledningenärattämnenatillvänsterharhögreförmågaattavgeelektroneroch
bildametalljoner.Deärbrareduktionsmedel.Zinkkant.ex.avgetillkoppar(frånvänstertillhöger)men
kopparkaninteavgetillzink.
2.
Elektroneravgesfrånmetallatomtillmetalljon:Detmåstevaraenmetallatomsomavgerelektronertill
enmetalljon.Metallatomerharkvarsinavalenselektroner.Dessavalenselektronerhardemöjlighetatt
avge.Dessakanalltsåoxideras.Metalljoner hardäremotredanförloratsinavalenselektroneriett
tidigareskede,deäralltsåredanioxideradform,ochkandärmedinteavgenågravalenselektroner.Zn
kant.ex.avgeelektronertillCu2+ menZn2+ kaninteavgetillCu.
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.Frånvänstertillhöger:MgstårtillvänsteromCu.
2.Frånatomtilljon:Elektroneravgesfrånatom(Mg)tilljon(Cu2+).
b)
Mg2+ +Cu
Mg
+Cu2+
ReaktionenvisarattCuavgerelektronertillMg2+. Dennareaktionkanejske iverkligheteneftersomdeninte
uppfyllerregel1;
1. Frånvänstertillhöger:CustårtillhögeromMg.CukandärförinteavgeelektronertillMg2+.
En zinkstav placeras i en kopparlösning
och då sker följande reaktion:
Zn+Cu2+
Zn2+ +Cu
2e-
Zn
Znfungerarsomreduktionsmedelochreducerarkopparjonernasådessablir
tillkopparatomer.Kopparatomerna”trivs”inteivatten(ingaladdningar)utan
kommeriställetfastnapåzinkstaven.Zinkstavenfårdärmeden
kopparbeläggningochändrarfärg.Närkoncentrationenavkopparjonerna
minskarilösningenfårlösningenenljusblåarefärg.
Cu
Cu2+
Zn2+
Cu
Om vi gör tvärtom sker dock ingen reaktion:
Cu+Zn2+
Cu
+Zn2+
Kopparärettsämrereduktionsmedeljämförtmed
zinkochkandärförinteavgeelektronertillzinkjoner.
Ingenreaktionkommerdärförkunnaske.
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
bildametalljoner(brareduktionsmedel)
Lågförmågaattavgeelektroneroch
bildametalljoner(braoxidationsmedel)
ü Kopparärettsämrereduktionsmedelänzink:Ispänningsserienserviattkopparliggerlängretill
högerochdärförkanvilistautattkopparärettsämrereduktionsmedeljämförtmedzink.
Kopparatomerkommerdärförintekunnareducerazinkjoner(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.Frånvänstertillhöger:NistårtillhögeromMg.NikandärförinteavgeelektronertillMg2+.
b)
Zn+Pb2+
Zn2+
+Pb
ReaktionenvisarattZnavgerelektronertillPb2+. Dennareaktionkanske iverkligheteneftersomdenuppfyllerbåda
reglerna;
1. Frånvänstertillhöger:ZnstårtillvänsteromPb.ZnkandärföravgeelektronertillPb2+.
2. Frånatomtilljon:Elektroneravgesfrånatom(Zn)tilljon(Pb2+).
Även väte ingår i spänningsserien
ü Ävenväteingårispänningsserieneftersomväte(egentligenvätejoner)oftaingåriredoxreaktioner
medmetaller.
ü Demetallersomstårtillvänsteromvätekanlättavgeelektronertillvätejoner(protoner)ochdärmed
kommervätgasattbildas.Närdettaskerlösesmetallenuppeftersomdenomvandlastillmetalljoner
(somtrivsochkanlösasivatten):
2Na+2H+
2e-
2Na++H
2
Vätejonernaireaktionenkommer
frånensyra.Gemensamtföralla
syrorärattdeavgervätejoner.
ü Natriumstårtillvänsteromväteochavgerdärförelektronertillvätejoner.Närdettaskerbildas
atriumjoner ochvätgas.
LiKCaNaMgAlZnCr FeNiSn Pb …..H…..CuHgAgPtAu
Syror avger vätejoner (protoner)
ü Syroravgervätejoner:Definitionenavsyrorärattdeharförmågaattavgevätejoner,H+.
§
§
Starkasyror:Storförmågaattavgevätejoner.
Svagasyror:Kanavgevätejoner,menärintelikabrapådetsomstarkasyror.Anledningenäratt
vätejonensitterhårdarefastoch/ellerdennegativajonsomuppkommerinteärsärskiltstabil
ochdärförsnabbttartillbakavätejonen.
H+
HNO3
Salpetersyra
ü
Vätejon
(proton)
+NO3
-
Nitratjon
Vätejonernakallasoftaför
protonereftersomvätejonen
enbartbeståravenproton(den
endaelektronensomväteatomen
harfinnsjuintelängrekvar!).
Syrorgerupphovtilloxoniumjoner ivattenlösningar:Närvätejonenharlossnatfrånsyransåkanden
slåsigsammanmedenvattenmolekyl.Dåbildasenoxoniumjon,H3O+.Suralösningar(lågtpH)
innehållerenhögkoncentrationoxoniumjoner.
H+
Vätejon
+H2O
Vatten
H3O+
Oxoniumjon
Oädla och ädla metaller
ü Oädlametallerreagerarmedsyror:Metallernatillvänsteromväteispänningsserienavgerelektronertill
vätejoner.Närdettaskerbildarmetallernametalljoner ochmetallernalösesdåuppeftersomdetrivsi
vattenijonform.Dessametallerlösesalltsåuppavsyroreftersomdetärsyrorsomavgervätejonerna,H+.
Metallersompådettasättbildarjonerochlösesuppkallasföroädlametaller.Ireaktionenbildasäven
vätgas(H2).
2Na+2H+
2Na+ +H2 Vätejonernaireaktionenkommer
frånensyra.Gemensamtföralla
2e-
syrorärattdeavgervätejoner.
ü Natriumärenoädelmetall:Natriumavgerelektronertillvätejonerochlösesdåupp(bildar
natriumjoner)ochräknasdärförsomenoädelmetall.
ü Ädlametallerreagerarintemedsyror:Metallernatillhögeromväteavgerinteelektronertillvätejoner
ochlösesdärförinteuppavsyror.Dessametallerkallasförädlametaller.Destolängretillhögeri
spänningsseriendestoädlareärmetallen.
Oädlametaller
Ädlametaller
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.Metallenkommer
avgeelektronertilldevätejoner,H+,somsyranavger.
Zn+2H+
Zn2+
+H2
2e-
ü Vätgasbildas:När2vätejoner,H+,taremotenvarsinvalenselektronkandesedanskapaenkovalent
bindningmellanvarandra(deuppnårdåädelgasstrukturochelektronernafårlägreenergi).Vihardåfått
envätemolekyligasform(alltsåvätgas).Vätgasensynsilösningengenomattdetbildasbubblor.
ü Metallenlösesuppavsyran:Närmetallatomernaharavgettsinavalenselektronerblirdetillmetalljoner.
Metalljonerärpositivtladdadeochtrivsdärförbraivatten.Metallenlösesdärförupp(bindermedjondipolbindning medvattenmolekylernailösningeniställetförattvarakvarsomfastmetall).
Uppgift 3:
Avgör vilka av påståendena som stämmer
Lösning:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Zinkärettstarkarereduktionsmedelän
järn.
Järnärenädlaremetallänzink.
Zinkmetallreagerarspontantmed
silverjoneromdenplacerasien
vattenlösningavsilvernitrat.
Kopparmetallreagerarspontantmed
zinkjoner.
Läggermansilverisaltsyraskeren
upplösningavmetallen.
Nickelkanlösasisaltsyra.
Blandarmanenvattenlösningav
zinkkloridmedsaltsyraskerenreaktion
dådetbildasvätgas.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Stämmer.Zinkliggerlängretillvänsterochreducerardåandraämnen
lättarejämförtmedjärn.
Stämmer.Järnliggerlängretillhögerochavgerdärförinteelektroner
likalätt.
Stämmer.Zinkkanavgeelektronertillmetalljonersomliggertill
höger,t.ex.tillAg+.
Fel.Kopparkanbaraavgeelektronertillmetalljonersomliggertill
höger.
Fel.Silverliggertillhögeromväteochärenädelmetall.Ädelmetaller
avgerinteelektronertillvätejoner(vätejonernakommerfrån
saltsyran).
Stämmer.Nickelliggertillvänsteromväteochkandärföravge
elektronertillvätejoner.
Fel.Izinkkloridfinnsdetzinkjoner.Detärbarazinkatomersomkan
avgeelektronertillvätejoner.
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+
1.Pb liggerlängretillvänsterjämförtmedAg.2.Pb-atomerkanavgetillAg-joner(Ag+).
b)Mg2++Zn ß Mg+Zn2+
1.MgliggerlängretillvänsterjämförtmedZn.2.Mg-atomerkanavgetillZn-joner(Zn2+).
c)Mg2+ +H2 ß Mg+2H+
1.MgliggerlängretillvänsterjämförtmedH.2.Mg-atomerkanavgetillH-joner(H+).
SegärnaflerfilmeravNiklasDahrén:
http://www.youtube.com/Kemilektioner
http://www.youtube.com/Medicinlektioner
