8 Metallien kemia

Johdanto

Metallien kemia on suurelta osin sähkökemiaa.
Koealue on eritelty happojen yhteydessä

Jännitesarja

Metallien jännitesarja eli reaktiivisuussarja

  • Metallien reaktiot ovat pohjimmiltaan sähkökemiallisia.
  • Siksi reaktiivisuussarjaa kutsutaan jännitesarjaksi.
  • Veden kanssa reagoivat metallit ovat epäjaloja metalleja
    • Suolahappo nopeuttaa reaktiota
  • Jalometallit eivät reagoi suolahapon luovuttaman vetyionin kanssa
    • Silti esim kloori voi syövyttää jopa kultaa
  • Jännitesarjassa metallit järjestetään reaktiivisuuden mukaan epäjaloimmasta jaloimpaan
    • Vety (epämetalli) sijoitetaan epäjalojen ja jalojen metallien väliin

Hapettumisreaktio

Ⓔ Li → Li+ + e−
Ⓔ Mg → Mg2+ + 2e−

  • Metalliatomit luovuttavat reaktioissa ulkoelektroneja ja ionisoituvat
  • Tätä sanotaan hapettumiseksi
  • Metallin rakenne katoaa ja se liukenee tai muodostaa jonkin yhdisteen
  • Mitä epäjalompi metalli, sen helpommin se hapettuu

Pelkistymisreaktio

Ⓔ Li+ + e− → Li
Ⓔ Mg2+ + 2e− → Mg

  • Pelkistyminen on hapettumisen vastakohta
  • Metalli-ioni ottaa vastaan elektroneja ja muuttuu takaisin atomiksi
  • Tuloksena kiinteää puhdasta metallia
  • Mitä jalompi metalli, sen helpommin se pelkistyy

Hapettumis-pelkistymisreaktio

Ⓔ Mg + Cu2+ → Mg2+ + Cu
Ⓔ Mg2+ + 2 Li → Mg + 2 Li+

  • Kaksi metallia reagoi keskenään
  • Epäjalompi metalleista hapettuu, jalompi pelkistyy
  • Joten aluksi:
    • Jalompi metalleista on ioneina (liuoksena), jotta se voi pelkistyä
    • Epäjalompi metalleista on atomeina (kiinteää), jotta se voi hapettua
  • Toisin päin reaktio ei voi edetä
Ⓔ Reaktio Cu + Mg2+ → Cu2+ + Mg ei siis ole mahdollinen, koska kupari on jalompi kuin magnesium.

Sähkökemiallinen pari - muistiinpanot

Sähkökemiallinen pari eli paristo
  • Aina, kun kaksi eri metallia on elektrolyytin välityksellä kosketuksessa toisiinsa, syntyy ns. sähkökemiallinen pari.
  • Elektrolyytti on ioneja sisältävä liuos, yleensä suola- tai happoliuos
  • Kun metallit yhdistetään johtimilla esim lamppuun, sen läpi kulkee sähkövirta ja laite toimii.
  • Kemiallinen energia → sähköenergia


Periaate
  1. Selvitetään, kumpi metalleista on epäjalompi. Se hapettuu eli luovuttaa elektroneja e−
  2. Epäjalommasta metallista muodostuu sähköparin miinusnapa (sisältää elektroneja)
  3. Elektroneja alkaa virrata miinusnavalta johdinta pitkin kohti jalompaa metallia, joka plusnapana vetää elektroneja puoleensa.
  4. Virtapiirin pitää olla suljettu, jotta sähkövirta kulkisi siinä.
    → Elektrolyytin positiiviset metalli-ionit kulkeutuvat liuoksessa kohti epäjalompaa metallia, joka miinusnapana vetää niitä puoleensa.

Ts. hapettumis-pelkistymisreaktio muuttaa kemiallista energiaa sähköenergiaksi. Mitä kauempana metallit ovat toisistaan jännitesarjassa, sitä suurempi jännite niiden välille muodostuu. (Eli miten suuri jalousero niillä on)

Elektrolyysi

  • Ulkoisen jännitelähteen synnyttämä sähkövirta aiheuttaa kemiallisen reaktion
  • Mahdollistaa hapettumispelkistymisreaktion ns. väärään suuntaan
  • Käyttökohteita:
    • puhtaiden metallien tuottaminen
    • metalliesineiden pinnoittaminen
    • molekyylien kuten veden hajottaminen alkuaineiksi

Rautamalmista teräkseksi

  • Epäjalot metallit esiintyvät maankuoressa oksideina ja muina yhdisteinä
  • Ne ovat siis muodostaneet ioniyhdisteitä epämetallien kuten hapen kanssa
  • Ioniyhdisteessä metalli on positiivisena ionina, kun se on luovuttanut ulkoelektroninsa epämetallille
  • Metallien valmistus vaatii siis metalli-ionien pelkistämistä atomeiksi, jotta metalli voidaan erottaa ioniyhdisteestä.
    Ⓔ Esimerkiksi raudan erottaminen rautamalmista
  • Pelkistäminen vaatii paljon energiaa. Siksi terästeollisuus on yksi suurimpia energiankuluttajia.
  • Jalometalleja kuten kultaa voidaan löytää maaperästä puhtaana

Korroosio - muistiinpanot

Korroosio
  • On metallin hapettumista olosuhteiden vaikutuksesta
    • kosteus, likaisuus, hapekkuus ja suolaisuus
  • Uhkaa epäjaloja metalleja
  • Raudan korroosiota kutsutaan ruostumiseksi
  • Jotkin metallit hapettuvat vain pinnastaan Ⓔ alumiini
  • Riippuu myös siitä, onko muodostunut sähkökemiallinen pari.
    Tällöin kahdesta metallista epäjalompi hapettuu eli syöpyy.

Ruoste on ruskea ja hauras yhdiste, joka koostuu pääosin rautaoksidista Fe2O3 ja vedestä. Ruostuminen etenee ruosteen alla hyvin, koska se huokoisena sitoo vettä. Siksi ruoste kannattaa poistaa nopeasti ja suojata pinta asianmukaisesti.

Keinoja estää ruostumista, Ⓔ polkupyörän:

  1. Säilytys kuivassa
  2. Materiaalin valinta (rauta vai alumiini)
  3. Puhdistus ja öljyäminen
  4. Maalaus (tai muu pintakäsittely)
  5. Estää sähkökemiallinen pari
  6. Uhrimetallin käyttö (sinkitty runko)
  7. Poista alkava ruoste