Metaller – ädla och oädla samt Elektrokemi

Metallers egenskaper Alla metaller har följande egenskaper: Glänser (metallglans) Leder ström Leder värme (och kyla) Är formbara Många får dessutom beläggningar på ytan när de reagerar med fuktig luft, t.ex. järn rostar lätt.

Legeringar Blandningar av metaller som ger materialet nya egenskaper, t.ex.: Rostfritt stål= krom-nickel-järn Brons= koppar-zink Nysilver= koppar-zink-nickel Vittguld= guld-silver-koppar- nickel

Metaller i jordskorpan Aluminium och järn är de vanligaste metallerna i jordskorpan. De flesta metaller finns i kemiska föreningar (som joner), t.ex. järnoxid, aluminiumoxid och natriumklorid. Endast guld, platina, silver, koppar och kvicksilver finns i ren form (som atomer). Brytning och förädling av metaller är ofta mycket energikrävande och påverkar naturen. Aluminiumutvinning i Indonesien.

Livsviktiga eller giftiga metaller? Metaller som är viktiga för växter, djur och människor kallas mineralämnen eller närsalter, t.ex. järn, jod, natrium, kalium, calcium, magnesium, selen och zink. De finns i maten. Metaller som är giftiga för oss är t.ex. aluminium, bly, kvicksilver och kadmium.

Fakta om aluminium (Al) Aluminium är en lätt och smidbar metall som är en användbar till mycket, t.ex. folie, burkar, fälgar, flygplan, båtar m.m. Framställs ur bauxit, en malm som bryts framför i Australien, Guinea och Jamaica. Produktionen har en negativ inverkan på naturen eftersom brytningen sker i dagbrott och stora mängder giftig aluminium läcker ut i grundvattnet. Framställningen kräver dessutom mycket energi.

Varför är aluminium giftigt? I sur miljö (t.ex. surt regn) frigörs aluminiumjoner. Jonerna skadar växternas rötter så att växten inte kan ta upp vatten och näringsämnen lika bra. Fiskarnas gälar blockeras av aluminiumjoner så de dör av syrebrist. Hos alla djur, även människor, påverkas fortplantningsförmågan samt utvecklingen av hjärnan och nervsystemet hos foster och småbarn. Förvara och tillaga inte sura livsmedel (t.ex. bär, frukt, tomat och rabarber) i kärl av aluminium!

Återvinning av aluminium Vid återanvändning av aluminiumskrot åtgår bara 5% av den energi som krävs för att utvinna metallen ur bauxit. Så vi sparar vi en massa energi om vi kan återvinna aluminium. Dessutom kan malmen förbli i jordskorpan till kommande generationer (hållbar utveckling), och: Vi sparar miljön som förstörs vid framställningen. Så: Panta mera!

Fakta om järn (Fe) Järn är en mjuk, seg och böjlig metall som dessutom är magnetisk. Framställs ur järnmalmer, bl.a. i norra Sverige (i Kiruna och Gällivare). Nackdelar med rent järn är att det rostar och är för mjukt. Därför blandas järnet med kol och andra metaller (nickel och krom) till rostfritt stål. Järn och stål har framställts under mer än 1000 år i Sverige och är en av Sveriges största exportvaror.

Järn – ett mineralämne Järn är en livsviktig mineral i vår kropp. De röda blodkropparna innehåller järn (hemoglobin). När blodet passerar lungorna binder syret till järnet. På så sätt transporterar blodet syre till alla våra celler så att förbränningen av socker blir effektiv och cellerna får energi! Brist på järn gör oss trötta (eftersom cellerna inte får energi). Järn finns i bl.a. leverpastej, blodpudding, fisk och broccoli.

Återvinning av järn Allt järn- och stålskrot går att återvinna. På så vis slipper vi bryta ny järnmalm och framställa nytt stål. Stor energibesparing! Så panta konservburkar, kaviartuber, cyklar, bilar, rostiga skruvar m.m.!

Ädla och oädla metaller Metaller delas in i ädla och oädla metaller efter deras förmåga att motstå syraangrepp. T.ex. aluminium och järn är oädla metaller och kommer att frätas sönder av en syra, medan guld, som är en ädel metall, inte påverkas. Aluminium i saltsyra

Hur kan det bli så? Det bestäms av metallens förmåga att omvandlas från en atom till en jon (= frätas sönder), dvs hur lätt den har att ge ifrån sig elektroner. Detta kallas Elektrokemi = elektroner i rörelse. En oädel metall ger lätt ifrån sig sina elektroner. En ädlare metall har svårare att ge ifrån sig elektroner. Den ädlare metallen kan ta elektroner från den oädlare och omvandlas från en jon till en atom.

Spänningsserien - ädla och oädla metaller I spänningsserien ordnas metaller efter hur ädla de är. Ju längre till höger i spänningsserien en metall står, desto ädlare är den. Väte (H) representerar en syra, och ligger mellan de oädla och ädla metallerna. K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au Ädla metaller Oädla metaller

Varför finns väte i spänningsserien? Om man lägger en oädel metall i en syra så fräts metallen sönder = metallen omvandlas till metalljoner och fria elektroner. En syra innehåller vätejoner (H+). Två vätejoner tar upp två fria elektronerna från metallen och det bildas vätgas (H2). T.ex.: Fe → Fe2+ + 2e- och 2 H+ + 2e- → H2 Det bildas alltså alltid explosiv vätgas när en oädel metall kommer i kontakt med en syra! Viktigt att tänka på!

Vad händer om man lägger en järnspik i en kopparlösning? Järnspiken kommer att frätas upp och det bildas koppar på botten av bägaren. Varför då? Jo, koppar är ädlare än järn! (Kopparjonerna tar elektroner från järnatomerna, och det bildas kopparatomer och järnjoner.)

Varning! Kopplar du ihop metaller av olika slag kommer den oädlare metallen att avge elektroner och frätas sönder. Så spika t.ex. aldrig ett plåttak med kopparspik, eller skarva ett kopparrör med ett järnrör. Det börjar garanterat att läcka…

Korrosion – när oädla metaller reagerar med fuktig luft När oädla metaller utsätts för syre och fukt kommer de att avge elektroner och frätas sönder. T.ex. järn rostar. (från franska ordet corrodere = gnaga sönder)

Hur skyddas järn från korrosion? Det finns olika rostskydd: Rostfritt stål = En legering av järn + krom + nickel Galvanisering = Ett ytlager av en metall som är oädlare än järn, t.ex. zink (förzinkning av spik) Offeranod = På utombordsmotorer och på stora fraktbåtar av järn sätter man ofta på plattor av zink som ”offrar” sig så att inte järnet ska rosta.

Finns det någon nytta med oädla metaller? Ja, när elektroner rör sig från en oädlare till en ädlare metall uppstår elektricitet! Elektricitet = en ström av elektroner. Det kan man utnyttja för att skapa ett batteri. e- e-

Ett batteri är ett s.k. galvaniskt element Galvaniskt element = två olika metaller som sänks ner i en jonlösning. Mellan de båda metallerna får man en elektrisk spänning, spontan reaktion. Galvanism = elektriska strömmar som bildas när två olika metaller binds samman av en jonlösning. -

Hur bygger man ett batteri? Man använder sig av två olika metaller. Metallerna är nedsänkta i en jonlösning. Metallerna är förbundna med kopplingssladdar via t.ex. en lampa eller något annat som kräver ström. Jonlösningen behövs för att elektronerna ska ha en lösning att ”vandra i”.

Hur fungerar ett batteri? Exempel Zn – Cu-batteri: Vid minuspolen: Den oädlare metallen (zink) omvandlas från atomer till joner och fria elektroner som går genom lampan och den lyser. Zn→ Zn2+ + 2e- Vid pluspolen: Elektronerna som gått genom lampan fortsätter genom den ädlare metallen (koppar) och ut i lösningen. Där tas de upp av positiva joner som omvandlas till atomer. Cu2+ + 2e- → Cu

Vilka metaller ska man använda i ett batteri? En spänningsmätare talar om hur mycket ström som produceras. Om man vill ha mycket ström ska de bägge ingående metallerna ligga långt ifrån varandra i spänningsserien. Men ju längre ifrån varandra metallerna ligger, desto snabbare fräts den oädlare sönder =batteriet tar slut fortare. Så det gäller att hitta en balans mellan strömstyrka och hållbarhet!

Det finns olika slags batterier Alkaliska batterier till bärbara bandspelare och cd-skivor, kameror (t.ex. AA, AAA) Knappceller till armbandsur, miniräknare, hörapparater Olika litiumbatterier till t.ex. mobiltelefoner

Akumulator (latinska ordet ackumulera betyder samla) Ett laddningsbart batteri kallas ackumulator Litiumjonbatteri i bärbara datorer, mobiltelefoner, digitalkameror Blyackumulator i bilar

Galvanisk historia Luigi Galvani, 1737-179898 gjorde experiment med grodlår och elektricitet. Alessandro Volta, 1745-1827 konstruerade det första ”riktiga” batteriet.