Metallien tiivistelmä

Teksti

Metallien kemia

Metallit ovat maaperän kivilajeissa yhdisteinä, mineraaleina.

Malmi on mineraali, jossa on jotain hyötymetallia niin paljon, että sen erottaminen on
taloudellisesti kannattavaa. Malmit ovat yleensä oksideja (magnetiitti, hematiitti) tai
sulfideja (kuparihohde, kuparikiisu). Rikastus on hyötymetallin erottamista malmista ja
sivukiven poistamista.

Rautaoksidi pelkistyy raakaraudaksi kuilu-uunissa, masuunissa hiilen. Hiilimonoksidi CO
riistää hapen oksidimalmista. Hiili poistetaan raakaraudasta (valuraudasta) hapella, jolloin
saadaan terästä, (C <1,7 %). Teräkseen lisätään kromia (ja nikkeliä), kun valmistetaan
ruostumatonta terästä.

Metalliseokset ovat usein käyttökelpoisempia kuin puhtaat metallit esim. kovempia tai
kestävät paremmin korroosiota eli syöpymistä. Pronssi = Cu+Sn, messinki = Cu+Zn,
juotostina = Pb+Sn.

Rauta karkaistaan jäähdyttämällä nopeasti esim. vedellä => kovuus paranee, hauraus lisääntyy.
Päästäminen tapahtuu hitaasti jäähdyttämällä => sitkeys ja muokattavuus lisääntyy.

Metallihila on positiivisten metalli-ionien muodostama tiivis rakenne, jota ympäröi
vapaat elektronit (metalleilla yleensä 1-3 ulkoelektronia, jotka osallistuvat sitoutumiseen).
Posit. ionien ja vapaiden elektronien sähköinen vetovoima aiheuttaa metallisidoksen ja
ominaisuudet: sitkeys eli muokattavuus, sähkön- ja lämmönjohtavuus, metallin kiilto,
melko korkeat sulamis- ja kiehumispisteet sekä tiheydet (raskaita).

Hapettumisessa aine luovuttaa ja pelkistymisessä ottaa vastaan elektroneja.
Palamisessa aine yhtyy happeen muodostaen oksideja.

Epäjalot metallit syöpyvät jo laimeiden happojen vaikutuksesta vapauttaen vetyä.
Reaktiivisimpia ovat alkali- ja maa-alkalimetallit, joista osa reagoi jopa veden kanssa.

Esim. 2 Na + 2 H2O -> 2 NaOH + H2 Mg + 2 HCl -> MgCl2 + H2

Metallien sähkökemiallinen jännitesarja on laadittu kokeellisesti vertaamalla eri
metallien kykyä luovuttaa elektroneja. Sarjan alussa ovat reaktiivisimmat epäjalot metallit
ja viimeisinä vedyn jälkeen jalometallit, jotka eivät reagoi happojen kanssa ja voivat olla
luonnossa metalleina: Cu, Hg, Ag, Pt, Au.

Kun epäjalompi metalli on jalomman metallin ioneja sisältävässä liuoksessa, epäjalompi
hapettuu eli syöpyy ioneiksi liuokseen ja jalomman ionit pelkistyvät atomimuotoon.
Kun jalompi metalli on epäjalomman metallin ioneja sisältävässä liuoksessa, ei tapahdu reaktiota.

Esim. rautanaula kupari-ioniliuoksessa Fe + Cu2+ -> Fe2+ + Cu , rauta hapettuu ja kupari pelkistyy.

hopeasormus kupari-ioniliuoksessa Ag + Cu2+ -> Ag + Cu2+ , ei reaktiota

Elektrolyytti on sähköä johtava, ioneja sisältävä liuos esim. suolaliuos tai –sulate,
happo- tai emäsliuos.

Sähköparissa on kaksi eri metallia elektrolyytissä. Se perustuu metallien erilaiseen
kykyyn luovuttaa elektroneja. Metallien välille muodostuu sähköisen tilan ero eli jännite.
Jännite on sitä suurempi, mitä kauempana metallit ovat toisistaan sähkökemiallisessa
jännitesarjassa. Akuissa ja paristoissa kemiallinen reaktio synnyttää sähkövirtaa (el. liikettä).

Elektrolyysissä sähkövirta aiheuttaa kemiallisen reaktion elektrolyyttiliuoksessa.
Sähköisen vetovoiman vaikutuksesta –ionit vaeltavat +navalle ja +ionit –navalle.
Negatiiviset ionit hapettuvat eli luovuttavat el. ja positiiviset ionit pelkistyvät eli vastaan ottavat el.
Elektrolyysi vaatii tasavirtalähteen. Sitä käytetään esim. metallien puhdistamisessa (Cu)
ja valmistamisessa (I ja II ryhmä), metallilla päällystämisessä (galvanointi, kuparointi, hopeointi,
kultaus), NaOH:n valmistamisessa, veden hajottamisessa vedyksi ja hapeksi.

Kemiallinen korroosio on metallin syöpymistä, hapettumista ilman kosteuden ja hapen
vaikutuksesta. Rauta ruostuu puhki, mutta monien metallien pintaan muodostuu suojaava,
tiivis oksidikerros (Al, Zn, Cr). Vihertävä patina (Cu(OH)2 + CuCO3) suojaa kuparia hapettumiselta.
Korroosiota nopeuttaa mm. elektrolyytit.

Sähkökemiallisessa korroosiossa epäjalompi metalli syöpyy, kun muodostuu sähköpari.
Sitä voidaan hyödyntää raudan suojaamisessa esim. päällystämällä se epäjalommalla metallilla
(galvanointi Zn:llä) tai käyttämällä uhrimetallia (laivat ja kaasuputket).

Elektrodit ovat sähköä johtavia sauvoja esim. hiiltä tai platinaa. (Anodi posit. ja katodi negat.)

Monet metallit ovat liukoisessa muodossa ympäristömyrkkyjä: Hg, Pb, Cd ja Al.

 



Metallien sähkökemiallinen jännitesarja

Sähkökemiallinen jännitesarja on laadittu kokeellisesti vertaamalla eri metallien
kykyä luovuttaa elektroneja (eli pelkistää toisen metallin ioneja liuoksesta).

Mitä alempana sarjassa metalli on jännitesarjassa, sitä helpommin se hapettuu eli
luovuttaa el. (e-). Alimmat metallit ovat epäjaloimpia ja alttiina korroosiolle.
Tietoa sovelletaan sähkökemiallisten parien valmistuksessa (paristot ja akut).

Jalot metallit eivät reagoi laimeiden happoliuosten kanssa.
Ne voivat esiintyä alkuaineina luonnossa

 

Epäjalot metallit reagoivat happojen kanssa vapauttaen vetyä (H2).
Ne luovuttavat helposti el. ja muodostavat ioneja,
eivätkä esiinny alkuaineina luonnossa

Jalomman metallin ionit riistävät elektronit epäjalomman metallin atomeilta
pelkistyen atomeiksi.
Samalla epäjalomman metallin atomit hapettuvat ioneiksi liuokseen.  


 -> Sähköpari

Sähköpareissa hyödynnetään metallien erilaista kykyä luovuttaa elektroneja.

Sähköparissa on KAKSI ERI metallia elektrolyyttiliuoksessa.
Liuos sisältää ioneja ja johtaa sähköä (esim. suola- tai happoliuos).

Metalleja sanotaan elektrodeiksi.

Reaktiossa epäjalompi hapettuu ioneiksi liuokseen ja jalompi pelkistyy atomeiksi.

 

Sähköparin jännite on sitä suurempi, mitä kauempana toisistaan
metallit ovat sähkökemiallisessa jännitesarjassa.

 

TASAVIRTA
- sähköparit, paristot, akut 

- elektronit kulkevat koko ajan samaan suuntaan ⊖-navalta 

 ⊕-navalle (sähkövirta päinvastoin) 

- lyhenne on DC (direct current) 


VAIHTOVIRTA

- verkkovirta

- napaisuus vaihtuu koko ajan eli elektronit vaihtavat liikesuuntaa
50 Hz:n taajuudella (hertsi)

 - lyhenne on AC (alternating current)


-> Elektrolyysi

Elektrolyysissä sähkövirralla aiheutetaan kemiallinen reaktio ioneja
sisältävässä liuoksessa. Elektrolyyttinä voi olla suolaliuos tai –sulate.

(HUOM! Sähkökemiallisessa parissa kemiallinen reaktio synnyttää sähkövirtaa.)

 

Elektrodit (levyt/sauvat) saavat varaukset ulkoisesta virtalähteestä.
Sähköinen vetovoima aiheuttaa ionien liikkeen sauvoille.

Positiiviset ionit menevät negatiiviselle sauvalle pelkistyen atomeiksi.

Negatiiviset ionit menevät positiiviselle sauvalle ja hapettuvat.

 

KATionit menevät katodille ja ANionit anodille.

ANioni on negatiivinen ioni ja KATioni on positiivinen ioni.

ANODI on positiivinen sauva ja KATODI on negatiivinen sauva eli ELEKTRODI.

 

 Esim. sinkkikloridin elektrolyysi: ZnCl2 → Zn2+ + 2 Cl-.

Negatiivisella elektrodilla:  

Zn2+ + 2 e- → Zn  eli sinkki-ionit pelkistyvät atomeiksi

Positiivisella elektrodilla:

2 Cl- → Cl2 + 2e-  eli kloridi-ionit hapettuvat kaasuksi.

 

Kuparointi / hopeointi

Päällystettävä esine kytketään negatiiviseksi navaksi, että positiiviset kupari-ionit tai hopeaionit siirtyisivät esineelle pelkistymään atomeiksi. Elektrolyyttinä on käytettävä kupari- / hopea-ioneja sisältävää liuosta.

Positiiviseksi navaksi laitetaan kuparilevy tai hopeaesine (syöpyy elektrolyysin aikana).

Sähköä kuparilevyihin

Suodatinpaperi värjäytyy turkoosiksi, koska toinen kuparilevy hapettuu, syöpyy ja vapauttaa Cu2+-ioneja.

Kaliumpermanganaatti

Liuoksen violetin värin aiheuttaa MnO4-. Negatiiviset ionit (väri) vaeltavat positiivista sauvaa kohti sähköisen vetovoiman vetäminä.