5. Metallien reaktioita

Varhaiset kokeet metalleilla

Yhteiskunnan kehittyminen nykyaikaiseksi tietoliikenneyhteiskunnaksi on suurelta osin metallien kemian ansiota. Esihistoriallisella ajalla tunnettiin kulta, hopea, kupari, tina, lyijy ja rauta. Kultaa arvostettiin ja ihailtiin sen muuttumattomuuden ja kauniin värin ansiosta. Tina oli alkujaan hyvin kallista, jalometallien veroista. Egyptissä se tunnettiin valkoisena lyijynä. Tina on saanut nimensä keltinkielisestä ystaen-sanasta, joka viittaa sen tärkeimpään saantipaikkaan muinaisessa Euroopassa, Britanniaan.

Hopea ja kupari otettiin käyttöön kivikauden loppupuolella. Egyptistä on löytynyt 5000 eaa. kupariesineitä. Pronssia osasivat valmistaa egyptiäiset ja sumerialaiset Kaksoisvirranmaassa 3000 eaa. Messinkiä osattiin valmistaa Persiassa Dareioksen aikaan 500-luvulla ennen ajanlaskun alkua. Pronssia käytettiin niin laajasti koko yhteiskunnassa, että sen perusteella nimettiin kokonainen aikakausi. Hopea oli yleinen käyttömetalli eri valtioiden rahoissa. Myös lyijy oli laajasti käytössä. Rooman valtakunnan aikaan sitä käytettiin yleisesti vesijohtoputkien rakentamiseen. Sen sulattaminen ja valaminen osattiin jo faaraoiden aikaan.

Tekniikoiden kehittyessä rauta yleistyi käyttömetallina ja alkoi nykyaikaisten teknologisten sovellusten esiinmarssi. Nykyinen tietoliikennetekniikka hyödyntää laajaa joukkoa harvinaisia metalleja, joilla on elektroniikkaan liittyviä erityisen sopivia ominaisuuksia. Nykyisin osataan hyödyntää myös radioaktiivisia metalleja. Esimerkiksi radioaktiivista uraania hyödynnetään laajasti sähkön- ja lämmöntuotannossa.

Metallien löytöhistorian rinnalla kehittyi myös metallien muokkaamisen taito. Jo varhain tiedettiin, että jotkin metalleista sopivat paremmin tiettyihin tarkoituksiin kuin jotkin toiset. Jalometalleja arvostettiin niiden passiivisuuden ansiosta. Hopea ja etenkin kulta säilyvät pitkiä aikoja muuttumattomina. Epäjalommilla metalleilla tiedettiin olevan erilainen herkkyys reagoida ilman, veden ja happojen kanssa.

Keskiajalle tultaessa ja uudelle ajalle siirryttäessä tunnettiin jo monia kemiallisia reaktioita. Sähköilmiöt olivat laajaa kiinnostusta herättäviä, mutta vielä ei osattu synnyttää sitä kemiallisesti. Sitä edelsi laajat tutkimukset yksittäisillä metalleilla. Tutkijoita kiinnosti metallien asettaminen jalousjärjestykseen. Sen perusta luotiin tarkastelemalla seuraavia neljää reaktiotyyppiä

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

1. Palaminen

Metallin palaessa se reagoi ilmassa tai vedessä olevan hapen kanssa. Reaktiossa metalliatomi luovuttaa elektroneja happiatomille. Metallista tulee positiivisesti varautunut, hapesta negatiivinen. Sähköinen vetovoima liittää osat yhteen ja muodostuu metallioksidi. Oksidi on yleisnimitys kaikille yhdisteille, jossa happi on toisena osana.

Esimerkiksi magnesiumin ja hapen välisessä palamisreaktiossa magnesiumatomi luovuttaa happiatomille kaksi elektronia. Magnesium saa +2-arvoisen varauksen, ja happi varauksen -2. Ne yhdistyvät magnesiumoksidiksi MgO. Yhdiste on ulospäin varaukseton.

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

Palamisreaktiossa metalli hapettuu ja happi pelkistyy. Yleisesti hapettuessa aine luovuttaa elektroneja ja pelkistyessä vastaanottaa elektroneja.

2. Reaktio laimean suolahapon kanssa

Metallien reaktiot happojen kanssa tunnettiin jo varhain. Keskiajalla kehitettiin lukuisia tekniikoita rikki- ja typpihappojen valmistamiseen. Näillä saatiin liuotettua metalleja malmista. Jalometallit säilyttivät erikoisen asemansa, koska ne eivät helposti reagoineet happojen kanssa. Happojen kanssa reagoimista pidettiin rajana jalojen ja epäjalojen metallien välillä. Epäjalot metallit reagoivat laimean suolahapon kanssa vetyä muodostaen.

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

Metallin ja suolahapon reaktiossa metalli luovuttaa elektroneja hapon vesiliuokseen tuottamille oksonium-ioneille (H₃O⁺). Metalli hapettuu ja muuttuu positiiviseksi ioniksi. Oksoniumionit ottavat elektroneja vastaan eli ne pelkistyvät ja hajoavat samalla vetykaasuksi ja vedeksi. Suolahaposta jääneet kloridi-ionit ovat negatiivisesti varautuneita. Ne muodostavat magnesiumionien kanssa magnesiumkloridia, kun liuoksessa oleva vesi haihdutetaan pois. Magnesiumin ja laimean suolahappoliuoksen reaktio on siten seuraava:

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

3. Reaktio veden kanssa

Metallien reaktio veden kanssa oli ollut tuttu ilmiö ihmisille vuosisatoja. Suojaamaton rauta ruostui nopeasti ja metallinen kupari vihertyi. Myöhemmin 1800 luvun alkuvuosina opittiin valmistamaan metalleja, joiden reaktio veden kanssa oli kiivaampi. Esimerkiksi natrium ja kalium reagoivat voimakkaasti veden kanssa.

Natrium-metallia lumihangessa.

Metallien reaktioissa huomattiin yhteisenä piirteenä se, että reaktiossa muodostui emäksinen liuos. Tämä johti alkalimetallien nimeämiseen. Alkalinen on vanha arabian kielinen sana al-Quili, joka tarkoittaa hehkutettua tuhkaa. Hehkutetun tuhkan vesiliuokset tiedettiin emäksiksi. Maa-alkalimetallien ryhmä sai nimensä samasta reaktiosta veden kanssa. Maa-etuliite johtui siitä, että tämä ryhmän alkuaineita oli maaperässä yleisesti.

4. Kahden metallin reaktio

Metallien keskinäiset reaktiot olivat runsaan tutkimuksen kohteina 1700-luvun lopulla. Niitä oli hyödynnetty jo vuosisatoja aikaisemminkin jalompien metallien valmistuksessa, mutta ilmiöiden tarkempi kemiallinen perusta oli vielä monilta osin selvittämättä. Metallien keskinäisten vertailujen perusteella kuitenkin tiedettiin, että metallit voidaan asettaa jalousjärjestykseen niiden reaktiivisuuden perusteella.

Luigi Galvanin ja Alessandro Voltan tutkimukset alkuainemuotoisilla metallipareilla olivat käänteentekevä vaihe kemian historiassa. Galvani oli sattumalta havainnut sähköilmiöitä, kun kaksi eri metallia olivat kosketuksessa toisiinsa. Niiden perusta oli sama tapahtuma kuin palamisessa ja metallien reaktioissa happojen tai veden kanssa. Toinen metalleista hapettui, toinen pelkistyi. Hapettuva metalli luovutti elektroneja pelkistyvälle metallille.

Galvani ja Volta kuitenkin ideoivat laitteistoja, joilla siirtyvät elektronit voitiin ottaa hyötykäyttöön sen sijaan, että ne olisivat siirtyneet suoraan metallilta toiselle. Heidän ansiokseen katsotaan sähkökemian tutkimuksen käynnistäminen.

Öljyvärimaalaukset Luigi Galvanista (vasemmalla) ja Alessandro Voltasta (oikealla).

Tiivistelmä

Metallien reaktioita on hyödynnetty jo vuosisatoja tietämättä niiden kemiallista taustaa.
Metallien reaktiotutkimusta on ajanut tutkijoiden kiinnostus asettaa ne jalousjärjestykseen.
Metallien reaktioissa on neljä reaktiotyyppiä: 1) palaminen eli reaktio hapen kanssa, 2) reaktio laimean suolahapon kanssa, 3) reaktio veden kanssa ja 4) reaktio toisen metallin kanssa.