Jännittävät metallit

Transkriptio

1 Jännittävät metallit Tästä alkaa tutkimusmatkamme sähkön syntymiseen! Varmaan tiedätkin, että sähköä saadaan sekä pistorasioista että erilaisista paristoista. Pistorasioista saatava sähkö tuotetaan fysikaalisesti, mutta paristojen sähkö syntyy kemiallisesti. Sähkön synnyttämiseen kemiallisesti tarvitaan metalleja. Metalleja on monia erilaisia, mutta niillä on keskenään samanlaisia ominaisuuksia. Olen Mammu ja olen tutkimusapulaisesi. En ehkä tiedä paljoa, mutta ainakin minulla on paljon hyviä kysymyksiä. Alkajaisiksi muistelemme, minkä nimisiä metalleja on olemassa ja teemme niistä listan tähän: Metallin nimi Kemiallinen merkki Metallin nimi Kemiallinen merkki Psst tiesitkö, että elohopea, uraani ja kalsium ovat myös metalleja? Tiedätkö metallien yhteisiä ominaisuuksia? Kerro minullekin! Tiedän vain, että niitä on suurin piirtein viisi. Muistatko vielä, mikä aiheuttaa metallien yhteiset ominaisuudet? Osaatko selittää miksi metallit ovat hyviä sähkönjohteita? Huh! Luulisi näillä tiedoilla homman hoituvan. Milloinkas se välitunti oikein oli?

2 Nyt on aika käydä tutkimaan. Älä sitten ainakaan paljoa hutki, sillä muuten Mammua pelottaa. Muista käyttää suojalaseja ja työtakkia, jotta vahingot eivät olisi vaaraksi! Tarkoituksenamme on tutustua hieman lähemmin seuraaviin metalleihin: kupari, tina, sinkki, magnesium, kulta, hopea, rauta, nikkeli Päämääränämme on laittaa metallit järjestykseen niiden ominaisuuksien mukaan ja samalla löytää sähkön kemiallinen alkuperä. Tutkimus nro 1: Metallien palaminen eli miten saadaan aikaan sähinää Tämä on kyllä sellainen homma, jonka opettaja tekee ja te katsotte! Listaa tähän, mitä metalleja näit poltettavan ja mitä havaintoja teit Oliko metallien palamisreaktioiden nopeuksissa eroja? Laita metallit järjestykseen niiden palamisreaktion kiivauden mukaan. Mitä syntyy, kun metallit palavat? Kirjoita reaktioyhtälö jollekin näkemällesi metallin palamisreaktiolle.

3 Hapettunut metalli on aina ionimuodossa ja pelkistynyt atomimuodossa! Seuraavaksi tutustumme hapettumiseen ja pelkistymiseen. Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat aina yhtä aikaa. Aine hapettuu, kun se luovuttaa elektroneja. Kun aine vastaanottaa elektroneja, sen sanotaan pelkistyvän. Katsotanpa vähän lähemmin muutamaa esimerkkitapausta. Täydennäthän kuviot piirtämällä puuttuvat elektronit ja merkitsemällä atomien sekä ionien varaukset näkyviin. Tässä sinkki hapettuu Psst Kuvioihin on piirretty vain uloimmat elektronikuoret Zn Poistetaan Zn Sinkkiatomi Sinkki-ioni Nyt laitetaan kupari pelkistymään! Lisätään Cu Cu Kupari-ioni Kupariatomi Mitenköhän elektronit liikkuvat, kun yksi sinkkiatomi pelkistää kaksi kupari-ionia? Zn Cu Cu Kappas, yhtään elektronia ei mene hukkaan! Muistithan merkitä alku- ja lopputilanteen varaukset näkyviin?

4 Olemme valmiita seuraavaan koitokseen Tutkimus nro 2: Rauta vs. kupari eli kiista elektroneista Jos sinulla ei ole kuparisulfaattiliuosta, saat tehdä sen liuottamalla kuparisulfaattia veteen. Tässä työssä tutkitaan metallien hapettumista ja pelkistymistä. Tarvitset koeputken, siihen sopivan korkin sekä suodatuslaitteiston. Täytä koeputki noin puolilleen kuparisulfaattiliuoksella ja lisää vajaa teelusikallinen rautajauhetta. Sulje koeputki tiiviisti ja ravistele. Mitä havaitset? Mikä aiheuttaa kuparisulfaattiliuoksen sinisen värin? Mitä atomeja ja ioneja koeputkessa oli ennen reaktiota? Mitä atomeja ja ioneja koeputkessa on reaktion jälkeen? Suodata metallihippuset pois liuoksesta ja tutki niitä tarkemmin. Mitä huomaat? Selitä havaintosi siten, että Mammukin sen ymmärtää. Voit ottaa metallihippuset talteen. Liuoksen voit kaataa viemäriin runsaan veden kanssa.

5 Katsotaan seuraavaksi, mitä metallit tykkäävät haposta Tutkimus nro 3: Metallit suolahapossa eli liueta vai ei Tässä työssä tarvitset erilaisia metalleja, koeputkia sekä koeputkitelineen. Tulitikutin ovat tarpeellisia. Laita kuhunkin koeputkeen pieni luraus 10 % suolahappoa. Lisää jokaiseen koeputkeen vielä ripaus jotakin metallijauhetta tai pieni pala metallia. Jotta tuloksesi olisivat mahdollisimman tieteellisiä, pyri käyttämään joko metallijauheita tai -paloja. Yritä pitää metallien määrät samoina! Huolehdi, että tiedät aina, mitä metallia missäkin koeputkessa on! Tee havaintoja reaktioiden voimakkuuksista. Yritä tunnistaa koeputkista kupliva kaasu päättelemällä tai viemällä palava tulitikku varovasti koeputken yläpuolelle. Kuvaile eri metallien reaktiota suolahapon kanssa Laita metallit järjestykseen sen mukaan, kuinka kiivaasti ne regoivat suolahapon kanssa ja vertaa tuloksia tutkimuksen 1 tuloksiin. Mitä huomaat? Psst Open pöydällä on perintökoruja happokylvyssä Oletkin varmaan kuullut jalometalleista. Miten ne ovat erilaisia kuin muut metallit? Mitkä tutkimuksessa käytetyistä metalleista olivat jalometalleja? Miten ne reagoivat suolahapon kanssa? Huh! Miksei rauta ole jalometalli?

6 Kirjoita jossakin koeputkessa tapahtuneen reaktion reaktioyhtälö. Mitä metallille on tapahtunut? Entä vedylle? Voit kaataa koeputkien sisällöt viemäriin runsaan veden kanssa. Ota liukenemattomat metallit talteen! Metallit voidaan luokitella kahteen ryhmään eli jaloihin ja epäjaloihin metalleihin. Jos metallit halutaan laittaa tarkempaan järjestykseen, on avuksi otettava jännitemittari. Olemme jo oppineet, että metalliatomien ja -ionien välillä voi liikkua elektroneja. Elektronit siirtyvät aina hapettuvalta metalliatomilta pelkistyvälle metalli-ionille. Jos voisimme ohjata elektronit kulkemaan tiettyä reittiä pitkin, saisimme aikaan sähkövirran. Tämä onnistuu esimerkiksi tällaisella järjestelyllä: Sähkövirta on elektronien liikettä! Jotta elektronit liikkuisivat, tarvitaan jännite. Kaksi metallilevyä Johdin Elektrolyyttiliuos Johdin Tämä on sähkökemiallisen parin kaavakuva. Sähkökemiallisessa parissa kaksi eri metallin palaa ovat ioneja sisältävässä elektrolyyttiliuoksessa, kuten suola- tai happoliuoksessa. Sähkökemiallinen pari toimii vaikka sitruunassa! Metallilevyt yhdistetään toisiinsa johtimilla, joita pitkin elektronit kulkevat. Sähkön kulkua voidaan mitata jännitemittarin avulla tai kytkemällä virtapiiriin pieni lamppu. Seuraavaksi saat itse rakentaa oman sähköparin!

7 Tutkimus nro 4: Sähkökemiallinen pari eli sähköä metalleista Tarkoituksenasi on koota sähkökemiallinen pari kupari- ja sinkkilevystä. Tarvitset ainakin johtimia ja hauenleukoja. Mitä muuta tarvitset? Huolehdi, etteivät metallilevyt kosketa toisiaan jännitten mittaamisen aikana! Kun olet koonnut sähkökemiallisen parin, tee tarvittavia kokeita ja selvitä seuraavat seikat: Mikä on metallilevyjen välinen jännite? Riittääkö tämä jännite hehkulampun sytyttämiseen? Miten jännite muuttuu, kun vaihdat hauenleukojen paikkaa metallista toiseen? Mitä jännitteelle tapahtuu, kun levyt koskettavat toisiaan? Miksi? Vertaa jännitettä tavallisen pariston jännitteeseen. Yritä saada lamppu syttymään tavallisen pariston avulla. Mitä huomaat? Huolehdi jätteiden asiallisesta loppukäsittelystä! Metalleista todellakin saadaan sähköä! Se, kuinka suuri jännite metallilevyjen välille saadaan, riippuu metalleista. Metallit on järjestetty jännitesarjaksi sen mukaan, kuinka suuri jännite metallien välille saadaan. Sähkökemiallisessa parissa syntyvä jännite on sitä suurempi, mitä kauempana metallit ovat toisistaan jännitesarjassa. Jestas! Aika hurjalta kuulostaa. Seuraavaksi sinun on tutkittava eri sähköpareja ja järjestettävä metallit jännitesarjaksi sen perusteella, kuinka suuri jännite sähköparissa syntyy.

8 Tutkimus nro 5: Galvaaniset solut eli monenmoisten sähköparien tutkimista pienessä mittakaavassa Tarvitset seuraavia välineitä: kennolevy, johtimia, jännitemittari, hauenleukoja, suodatinpaperia (1x2 cm:n pala riittää mainiosti), pinsetit. Lisäksi tarvitset pieniä paloja metalleja, joita aiot tutkia. Hyviä tutkimuskohteita ovat esimerkiksi sinkki, magnesium, rauta, nikkeli, kupari ja tina. Tarvitset myös metallien suolojen liuoksia, esimerkiksi näitä: ZnSO 4, MgSO 4, CuSO 4, SnCl 2, FeCl 2,NiSO 4. Tämä työ kannattaa suunnitella ja tehdä huolella! Joudut käyttämään myös muutaman pisaran jotain sellaista suolaliuosta, jossa ei ole tutkimaasi metallia, esimerkiksi kaliumnitraattia tai ruokasuolaliuosta. Suunnittele metallien paikat kennolevylle siten, että saat helposti mitattua jokaisen metalliparin välisen jännitteen. Tutkittavien metallien tulee olla vierekkäisissä kennoissa. Tähän voit merkitä, mitä metalleita aiot mihinkin kennoon laittaa. Kun olet valinnut metallien paikat, laita jokaiseen kennoon sen metallin suolan liuosta, jota aiot kennoon laittaa. Esimerkiksi niihin kennoihin, joihin aiot laittaa rautapalan, laitat raudan suolan liuosta. Ole huolellinen, ettet mene sekaisin, mitä suolaa missäkin kennossa on! Seuraavaksi teemme suodatinpaperista suolasillan. Laita suodatinpaperipalanen petrimaljalle ja kostuta se muutamalla pisaralla kaliumnitraattia tai ruokasuolaliuosta. Mittaa jokaisen metalliparin jännite näin: 1: valitse tutkittavat metallit 2: aseta suolasilta tutkittavien metallien kennojen välille pinseteillä ja huolehdi, että suolasilta osuu kumpaankin liuokseen 3: kiinnitä hauenleuat tutkittaviin metalleihin ja aseta ne oman suolansa liuokseen 4: mittaa jännite jännitemittarilla Kun mittaat jännitettä, kytke musta johto mittarin COM-kohtaan ja punainen johto mittarin V-kohtaan. Tiesithän, että mittaat tasajännitettä?

9 Voit kirjata tutkimustuloksesi tähän taulukkoon Metallit kiinni punaisessa johtimessa Zn Mg Cu Ni Fe Sn Zn Metallit kiinni mustassa johtimessa Mg Cu Ni Fe Sn Miksi samalle metalliparille saadaan kaksi eri jännitettä? Mikä on näiden kahden jännitteen ero? Mitä merkitystä on suolasillalla? Kokeile mitata jonkin sähköparin jännite ilman suolasiltaa. Metallien jännitesarjassa metallit on asetettu järjestykseen sen mukaan, kuinka suuri jännite niiden välille saadaan. Mitä suurempi jännite metallien välillä on, sitä kauempana ne ovat toisistaan jännitesarjassa. Järjestä tutkimasi metallit mittaamiesi jännitteiden perusteella jännitesarjaksi. Pitkälle ollaan jo päästy, mutta vielä pitäisi hieman pinnistellä. Jätteet viemäriin runsaan veden kanssa!

10 Metallien hapettumista ja pelkistymistä voidaan tutkia jännitesarjan avulla. Toisessa päässä jännitesarjaa ovat jalometallit, jotka pelkistyvät mielellään ja reagoivat hitaasti. Mitä enemmän jännitesarjassa edetään kohti toista päätä, sitä helpommin metalliatomit hapettuvat ja sitä kiivammin ne reagoivat. Voimmekin siis todeta, että mitä epäjalompi metalli on, sitä helpommin se hapettuu, ja mitä jalompi metalli on, sitä paremmin se pelkistyy. Reaktionopeus kasvaa Jalous kasvaa Mg Zn Fe Ni Sn Cu Ag Au Epäjalot metallit Hapettuvat helposti Liukenevat suolahappoon Jalot metallit Pelkistyvät mielellään Eivät liukene suolahappoon Jos sähköparissa metallien välillä on positiivinen jännite, mustassa johtimessa kiinni oleva metalli pelkistää punaisesa johtimessa olevan metallin ionin. Jos sähköparissa metallien välillä oleva jännite on negatiivinen, mustassa johtimessa kiinni oleva metalli ei voi pelkistää punaisessa johtimessa kiinni olevan metallin ionia. Tämä nähdään helpommin tutkimalla jännitesarjaa. Metalli-ionin vasemmalla puolella oleva metalli voi pelkistää metalli-ionin, mutta oikealla puolella oleva ei. Esimerkiksi sinkki voi pelkistää kupari-ionin, sillä sinkki on kuparin vasemmalla puolella. Kupari sen sijaan ei voi pelkistää sinkki-ionia, sillä kupari on sinkin oikealla puolella. Tutki jännitesarjaa ja päättele, ovatko seuraavat reaktiot mahdollisia: Tina pelkistää magnesiumionit Rauta pelkistää hopeaionit Magnesium pelkistää nikkeli-ionit Onpas monimutkaista. Minä kyllä ajattelisin niin, että epäjalompi metalli pelkistää jalomman metallin ionin. Sinkki pelkistää kupari-ionit Sinkki pelkistää kultaionit Nikkeli pelkistää kupri-ionit Rauta pelkistää sinkki-ionit Mikäs nyt olikaan syy sille, että epäjalot metallit reagoivat jalometalleja nopeammin? Hopea pelkistää kultaionit Kulta pelkistää hopeaionit

11 Tutkimus nro 6: Metallien suolaliuosten tunnistaminen eli jännitesarja kovassa käytössä Saat eteesi kolme koeputkellista metallisuolojen liuoksia. Tehtävänäsi on selvittää, minkä metallin suolaa missäkin koeputkessa on. Liuokset voivat olla hopean, tinan, sinkin ja kuparin liuoksia. Selvitystyössäsi saat käyttää apuna ainoastaan metallien jännitesarjaa sekä rauta- ja kuparipalasia. Suunnitele tutkimuksesi huolellisesti ja kirjaa havaintosi ylös. Ole huolellinen, ettet mene koeputkissa sekaisin! Osasin, osasin! Mammu osasi melkein ihan itse!