4. Metallien jalousjärjestys

Keskeiset käsitteet

2018-11-09T08:56:07+02:00

Sähkökemiallinen jännitesarja on kemiallinen malli, jolla kuvataan metallien
reaktiivisuutta.

Hapettuminen on elektronien luovuttamista toiselle aineelle.

Pelkistyminen on elektronien vastaanottamista.

Jalot metallit kuten Cu, Ag, Au ja Pt eivät reagoi happojen kanssa vetyä vapauttaen.

Epäjalot metallit reagoivat happojen kanssa vetyä vapauttaen. Epäjalo metalli hapettuu ioneiksi.

Sähkökemiallisen jännitesarjan avulla voidaan selvittää, tapahtuuko metallien välinen kemiallinen reaktio vai ei.

Johdanto

2016-12-15T10:24:33+02:00

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

2016-12-15T10:25:41+02:00

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

2016-12-15T10:26:33+02:00

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

2016-12-15T10:27:25+02:00

Alkalimetallit, kuten esimerkiksi natrium, reagoivat voimakkaasti veden kanssa.

4. Reaktio kahden metallin välillä

2016-12-15T11:12:01+02:00

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} $]] tapahtuu hapettumis-pelkistymisreaktio, jossa roolit vaihtuvat: kupari-ioni ottaa vastaan raudalta kaksi elektronia ja pelkistyy alkuainemuotoon rauta-atomi puolestaan hapettuu ionimuotoon. Syynä on että rauta on "mieluimmin" ionimuodossa, kupari atomeina. Toisinpäin, eli [[$ \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} $]]

Johtopäätös

2016-12-15T11:14:27+02:00

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.

Metalli atomi ja metalli-ioni

2018-11-09T08:56:42+02:00

Metalliatomi luovuttaa ulkoelektroninsa itseään jalomman metallin ionille eli pelkistää ionit atomiksi. Jalomman metallin ionit pelkistyy atomiksi epäjalomman metallin pinnalle. Samalla epäjalomman metallin atomi hapettuu ioniksi.

Yleisesti voidaan todeta sääntönä:
Kemiallinen reaktio tapahtuu kun epäjalompi metalli laitetaan liuokseen, jossa on jalomman metallin ioneja.