6. Metallien jalousjärjestys
1. Virittäytyminen – mitä tarkoittaa hapettuminen ja pelkistyminen?
Mitä tarkoittavat käsitteet hapettuminen ja pelkistyminen? Keskustelkaa pareittain tai pienryhmissä, mitä muistatte niistä.
Jalometalli platina liukenee kuningasveteen.
2. Metallien jalousjärjestys
Jos kuparinaula upotetaan rautaioneja sisältävään liuokseen, naulassa ei havaita muutoksia pitkänkään ajan kuluessa. Aineiden välillä ei siis tapahdu reaktioita. Jos rautanaula upotetaan kupari-ioneja sisältävään liuokseen, hetken kuluttua naulan päälle on muodostunut metallista kuparia.
Samaan aikaan tapahtuu raudan liukenemista liuokseen. Metallin liukeneminen voidaan havaita esimerkiksi punnitsemalla. Sen massa on pienempi kuin lähtötilanteessa.
Liukenemista on vaikea havaita katsomalla, paitsi silloin, kun liukenevat ionit muuttavat liuoksen väriä tai tapahtuu kaasun muodostumista. Joissain tapauksissa liuoksen lämpötila muuttuu, ja se voidaan havaita koskettamalla tai lämpömittarilla.
Kuparia sinkki-ioniliuoksessa. Kupari on jalompi metalli, joten reaktiota ei tapahdu.
Sinkkiä kupari-ioniliuoksessa. Sinkki on epäjalompi metalli, joten reaktio tapahtuu.
Metallit voidaan asettaa sähkökemialliseen jännitesarjaan eli jalousjärjestykseen sen perusteella, mikä metalleista saostaa mitäkin metallia pinnalleen. Jos otetaan kahta eri metallia ja niiden ioneja sisältävät liuokset, niin sarjassa oikeammalla oleva metalli saostuu ionimuodosta kaikkien sitä edellä lueteltujen metallien pinnalle.
Päinvastaisessa tilanteessa ei tapahdu reaktiota. Esimerkiksi jos verrataan alumiinia ja lyijyä, lyijyioneja sisältävästä liuoksesta saostuu metallista lyijyä alumiinin pintaan, mutta alumiini-ioneja sisältävästä liuoksesta ei saostu metallista alumiinia lyijyn pintaan. Tämän perusteella sanotaan, että lyijy on alumiinia jalompaa.
Jännitesarja alkaa epäjaloimmasta ja päättyy jaloimpaan metalliin. Listassa on lyijyn ja kuparin välillä vety. Jos vetyä ennen oleva metalli asetetaan vetyioneja sisältävään liuokseen, kuten suolahappoon (HCl), aineet reagoivat keskenään ja muodostuu vetykaasua. Jos vedyn jälkeen olevaa metallia asetetaan suolahappoon, reaktiota ei tapahdu.
Tämän vertailun perusteella metallit nimetään epäjaloiksi metalleiksi ja jalometalleiksi. Epäjalot metallit liukenevat happoihin vetykaasua vapauttaen. Jalometallit liukenevat happoihin vain poikkeustapauksessa. Tästä syystä epäjalot metallit esiintyvät luonnossa pääasiassa ioneina, kun taas jalometallit alkuaineina.
Tästä poikkeuksena on happoseos nimeltä kuningasvesi. Se on väkevän typpi- ja suolahapon seos, joka kykenee liuottamaan jopa kultaa ja platinaa.
Magnesium reagoi suolahapon kanssa vetykaasua vapauttaen. Magnesium on siis epäjalo metalli.
3. Metallien hapettuminen ja pelkistyminen
Metallien reaktioiden yhteydessä käytetään usein sanoja hapettuminen ja pelkistyminen. Hapettuminen on historiallinen nimitys metallien reaktioille, joissa metalli reagoi hapen kanssa, kuten raudan ruostuminen. Sittemmin hapettuminen ja pelkistyminen yhdistettiin yleisempään, kaikille reaktioille yhteiseen ominaisuuteen eli elektronien luovuttamiseen ja vastaanottamiseen.
Metallien reaktioita tutkittaessa hapettuminen ilmenee tavallisesti metallin muuntumisena alkuaineesta ionimuotoon. Pelkistyminen on tälle päinvastainen tapahtuma. Metalli-ionit vastaanottavat elektroneja ja muuntuvat ionimuodosta metallimuotoon.
Pelkistyminen: metalli-ioni + elektroni → metalli
Yleisemmin hapettumisessa on kyse elektronien luovuttamisesta ja pelkistymisessä vastaanottamisesta. Olennaista on, että reaktiot tapahtuvat aina yhtä aikaa. Jos jokin aine hapettuu, jonkin toisen pitää pelkistyä.
Hapettumis-pelkistymisreaktiossa on kyse siis elektronien siirtymisestä aineelta toiselle. Tilanne on vastaava kuin happo-emäsreaktiossa, jossa vety-ionin siirtyy aineelta toiselle.
Metallien reaktioiden kohdalla on yleistä, että hapettuminen ja pelkistyminen kirjoitetaan puolireaktioina. Kirjoitustavalla halutaan korostaa muodostuvien ionien varauksia ja siirtyvien elektronien lukumääriä.
Puolireaktio 1: A → A+ + e−
Puolireaktio 2: B + e− → B−
Kokonaisreaktio: A + B → A+ + B−
- A hapettuu.
- B pelkistyy.
Yksittäinen puolireaktio on teknisesti mahdollista toteuttaa, mutta se vaatii erikoiset reaktio-olosuhteet. Metalli voidaan esimerkiksi kuumentaa niin kuumaksi, että metalliatomi menettää elektronin. Tällöin sanotaan, että metalliatomi ionisoituu. Se on eri asia kuin hapettuminen, koska mikään kappale ei vastaanota vapautunutta elektronia. Lämpötilan laskiessa elektroni liittyy takaisin metalli-ioniin ja muodostuu alkuperäinen metalliatomi.
4. Sähkökemiallisia reaktioita kuvataan pelkistetyillä reaktioyhtälöillä
Asettamalla rautanaula kuparisulfaattiliuokseen tapahtuu reaktio, jossa metallista rautaa liukenee kuparisulfaattiliuoksen joukkoon ja vastaavasti liuoksesta poistuu kupari-ioneja ja ne saostuvat rautanaulan pintaan. Olennaista on metallien välillä tapahtuva reaktio, joten muut liuoksessa olevat aineosat, kuten sulfaatti-ionit, tai aineiden olomuodot jätetään yleensä merkitsemättä.
Pelkistetty reaktioyhtälö on siten [[$ \text{Fe + Cu}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{Cu} $]].
Atomi- ja ionimalleilla reaktio voidaan kuvata seuraavasti.
Reaktioyhtälö kuvaa tilannetta, jossa harmaa metallinen rauta upotetaan siniseen kuparisulfaattiliuokseen. Metallinen rauta liukenee nesteeseen ja nesteestä saostuu metallista kuparia raudan pintaan. Rauta luovuttaa kuparille kaksi elektronia ja hapettuu. Kupari-ionit vastaanottavat kaksi elektronia ja pelkistyvät.
Vastaavalla tavalla tapahtuu elektronien luovuttaminen ja vastaanottaminen kuparin ja hopean välillä. Erona ainoastaan se, että yksi kupariatomi luovuttaa yhden elektronin kummallekin hopeaionille.
Pelkistetty reaktioyhtälö on siten [[$ \text{Cu} + 2 \thinspace \text{Ag}^{+} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2 \thinspace \text{Ag} $]].
Atomi- ja ionimalleilla reaktio voidaan kuvata seuraavasti.
Kupariatomi luovuttaa kaksi elektronia. Kupari hapettuu kupari-ioniksi ja liukenee. Hopeaioni ottaa vastaan yhden elektronin, pelkistyy hopeaksi ja saostuu.
Tiivistelmä
- Metallit voidaan asettaa sähkökemialliseen jännitesarjaan eli jalousjärjestykseen sen perusteella, mikä metalleista saostaa mitäkin metallia pinnalleen.
- Sähkökemiallisen jännitesarjan perusteella metallit nimetään epäjaloiksi metalleiksi ja jalometalleiksi.
- Epäjalot metallit liukenevat happoihin vetykaasua vapauttaen.
- Hapettumis-pelkistymisreaktiossa on kyse elektronien siirtymisestä aineelta toiselle.
- Hapettuminen tarkoittaa elektronien luovuttamista.
- Pelkistyminen tarkoittaa elektronien vastaanottamista.