20. Metallien reaktiot ja sähkökemiallinen sarja

Keskeiset käsitteet

2013-07-10T21:56:21+03:00

hapettuminen
jalometalli
pelkistyminen
sähkökemiallinen jännnitesarja

Tehtäväkirjaan

2013-08-06T13:01:28+03:00

Ihmettelyä

2013-06-13T14:44:30+03:00

Miksi rauta ruostuu ilman hapen ja kosteuden vaikutuksesta, mutta kulta ei? Miksi magnesium reagoi niin kiivaasti laimean suolahapon kanssa, mutta kupari ei? Tai miksi natriumin reaktio veden kanssa on niin kiivas, mutta raudan paljon hitaampi? Metallien reaktiivisuuksissa on siis suuria eroja.

Tarkastellaan näiden erojen syitä tarkemmin. Metallien reaktiokykyä voidaan vertailla neljällä eri reaktiolla:

palaminen eli reaktio hapen kanssa
reaktio laimean suolahapon kanssa
reaktio veden kanssa
reaktio toisen metallin kanssa.

Näiden reaktioiden avulla metallit saadaan tiettyyn järjestykseen.

1. Palaminen

2013-08-30T08:43:01+03:00

Osa metalleista palaa eli yhtyy kemiallisesti happeen. Osa metalleista on palamattomia. Palava metalli, kuten esimerkiksi magnesium Mg, luovuttaa elektroneja happiatomille. Tällöin metalli saa positiivisen + -merkkisen varauksen ja vastaavasti happi negatiivisen – -merkkisen varauksen.

Kaksi alun perin alkuaineena olevaa ainetta ovat muuttuneet ioneiksi. Reaktiossa on muodostunut ionirakenteinen yhdiste, magnesiumoksidi.

[[$ 2\text{Mg}+\text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO} $]]

Sanotaan, että palamisreaktiossa metalli hapettuu ja happi pelkistyy. Yleisesti, kun aine luovuttaa elektroneja se hapettuu, ja kun aine ottaa vastaan elektroneja se pelkistyy.

2. Reaktio laimean suolahapon kanssa

2013-08-30T08:43:10+03:00

Aivan kuten hapen kanssa, vain osa metalleista reagoi laimean suolahapon kanssa muodostaen vetyä.

[[$ \text{Mg} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{Mg}^{2+} + \text{H}_2 $]]

Jos metalli reagoi suolahapon kanssa, se luovuttaa elektroneja hapon vesiliuokseen tuottamille oksonium-ioneille eli metalli hapettuu ja muuttuu positiiviseksi ioniksi. Oksoniumionit ottavat elektroneja vastaan eli ne pelkistyvät ja hajoavat samalla vetykaasuksi ja vedeksi.

Esimerkiksi magnesiumin ja vedellä laimennetun suolahapon välinen reaktio on:

[[$ \text{Mg} + 2\text{H}_3\text{O}^+ + 2\text{Cl}^- \rightarrow \text{H}_2 + \text{Mg}^{2+} + 2\text{Cl}^- + 2\text{H}_2\text{O} $]]

3. Reaktio veden kanssa

2013-08-30T08:43:15+03:00

Alkalimetallit, kuten esimerkiksi natrium, reagoivat voimakkaasti veden kanssa.

4. Reaktio kahden metallin välillä

2013-08-30T08:44:18+03:00

Kaksi eri metallia voivat reagoida keskenään, kunhan toinen niistä on alkuainemuodossa (ei varausta) ja toinen positiivisena ionina (varaus + -merkkinen). Esimerkiksi reaktiossa

[[$ \text{Fe + Cu}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{Cu} $]]

tapahtuu hapettumis-pelkistymisreaktio, jossa roolit vaihtuvat:

kupari-ioni ottaa vastaan raudalta kaksi elektronia ja pelkistyy alkuainemuotoon
rauta-atomi puolestaan hapettuu ionimuotoon.

Syynä on että rauta on "mielummin" ionimuodossa, kupari atomeina.

Toisinpäin, eli [[$ \text{Fe}^{2+} + \text{Cu} \rightarrow \text{Fe} + \text{Cu}^{2+} $]] , reaktiota ei tapahdu.

Aivan vastaavalla tavalla osat vaihtuvat, kun hopeaioneja laitetaan alkuainemuodossaan olevan kuparin sekaan.

[[$ \text{Cu + 2 Ag}^{+} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + \text{2 Ag} $]]

Johtopäätökset

2013-06-13T19:25:19+03:00

Metallit ovat alkuaineena sitä reaktiokykyisempi, mitä helpommin ne voivat luovuttaa elektronejaan toisille aineille. Reaktiossa metallit siis hapettuvat positiiviseksi ioniksi metalli-ioneiksi. Tämän havainnon perusteella metallit voidaan asettaa järjestykseen. Tätä järjestystä kutsutaan metallien sähkökemialliseksi jännitesarjaksi eli niiden jalousjärjestykseksi. Jännitesarja alkaa epäjaloimmasta ja päättyy jaloimpaan metalliin.

Metallien jännitesarjassa ennen vetyä sijaitsevat metallit ovat epäjaloja ja vedyn jälkeen sijaitsevat jaloja metalleja. Vety toimii “vedenjakajana” vaikka se ei olekaan metalli, koska epäjalon metallin ja hapon välisessä reaktiossa syntyy vetykaasua. Jaloilla metalleilla näin ei tapahdu.