Jännittävät metallit Opettajan ohje Koonnut Oili Kemppainen Tämän työn tarkoituksena on opettaa sähkökemiaa. Työn tiimellyksessä kerrataan metallien ominaisuudet, tutustutaan hapettumiseen ja pelkistymiseen sekä laitetaan metallit jännitesarjan mukaiseen järjestykseen. Vaikka työohje on suunniteltu siten, että oppilaat pystyvät työskentelemään itsenäisesti, tarvitaan opettajan apua muutamissa demonstraatioissa sekä mitä luultavimmin jännitemittarin käytön opettelemisessa ja muutamien pohdintatehtävien oivaltamisessa. Työ sopii mainiosti sekä yläasteelle että lukioon, kunhan vain oppilailla on riittävät laboratoriotyötaidot hallussaan. Oppikirjaa ja muita tietolähteitä voidaan käytää apumateriaalina. Meitsi on se Mammu, joka tuolla toisellakin paperilla seikkailee. Kertaustehtäviä metalleista ja niiden ominaisuuksista: 20-30 min Monien metallien nimet ovat oppilaille tuttuja niin arkikokemuksen kuin aiempien kemianopintojenkin kautta. Tarkoituksena on muistella metallien nimiä sekä niiden kemiallisia merkkejä. Metallien yhteisiä ominaisuuksia: - kiiltäviä ja kovia (muutamaa poikkeusta lukuunottamatta, esim. Na, Hg) - muokattavia, taottavia, sitkeitä - sähkönjohteita - lämmönjohteita - uloimmalla elektronikuorella yleensä 1 tai 2 elektronia Merkittävin tekijä metallien yhteisille ominaisuuksille on niiden rakenne eli metallisidos. Metallit ovat hyviä sähkönjohteita siksi, että niissä on paljon vapaita elektroneja. Sähkö on elektronien liikettä. Metallisidoksessa atomin ulkoelektronit pääsevät helposti irralleen. Tällöin syntyy positiivisten ionien muodostama hila ja sitä ympäröivä elektronimeri. Elektronimeren vapaat elektronit voivat kuljettaa sähköä.
Tutkimus 1: Metallien palaminen valmistelu 10 + 10 min, toteutus 10 + 10 min Tämä tutkimus tehdään opettajajohtoisena demonstraationa, mutta silti myös oppilaiden on syytä käyttää suojalaseja. Natriumin polttamisen voi jättää pois tai sen voi näyttää videolta, esimerkiksi http://www.youtube.com/watch?v=l9z5-mj8nzk (5.3.2008) on hyvä. A: Natriumin palaminen Välineet: keitinlasi tai muu astia natriumia vettä (kylmää) fenoliftaleiinia (ei välttämätöntä) natrium palaa ärhäkästi vedessä ja ilmassa, joten sen käsittelyssä on syytä olla hyvin varovainen eikä sitä tule käyttää suuria määriä syntyvä liuos on emäksinen, joten sen ihokosktusta on syytä välttää jätteet voi huuhdella viemäriin runsaan veden kera 1: Laitetaan valittuun astiaan kylmää vettä ja haluttaessa fenoliftaleiinoa 2: Leikataan petrolin alla natriumista pieni palanen ja asetellaan se kuivalle paperipyyhkeelle. Lohkaistaan paperipyyhkeellä olevasta palasesta noin nuppineulan pään kokoinen palanen. (Tai pienempi, jos tuntuu hurjalle!) 3: Laitetaan ylimäärä natriumista takaisin petroliin ja purkin korkki kiinni 4: Natriumin ominaisuuksia (pehmeys) ja leikkauspintaa voidaan esitellä oppilaille. Natriumiin ei saa koskea! 5: Laitetaan natriumpala veteen ja tehdään havaintoja Reaktio on seuraava: 2 Na + 2 H 2 O 2 Na + + 2 OH - + H 2 Aluksi vapautuva vety syttyy palamaan, myöhemmin myös natrium. B: Muiden metallien palaminen Välineet: kaasupoltin pillejä / avoimia lasiputkia, kullekin metallille omansa metallijauheita: Cu, Fe, Mg, Zn ovat mainioita
metallipölyjä ei kannata hengittää magnesiumjauhe palaa kärkkäästi, joten sitä ei kannata käyttää paljoa magnesium palaa hyvin kirkkaalla liekillä, joten sitä ei kannata kauaa katsella 1: Käytä pilli tai lasiputki metallijauheessa, jotta siihen tarttuu metallihippuja 2: Puhalla pillin tai lasiputken läpi kohti kaasupolttimen liekkiä 3: Vertaillaan palamisreaktioiden kiivautta, liekkien väriä yms. Reaktionopeus kasvaa: Cu, Fe, Zn, Mg Metallien palamisessa syntyy metallioksideja, esimerkiksi magnesiumin palaessa syntyy magnesiumoksidia: Mg + 1 2O 2 MgO Hapettuminen ja pelkistyminen Hapettuminen ja pelkistyminen saattavat tuntua oppilaista hankalilta käsitteiltä. Oppilaille voi antaa vinkkejä esimerkiksi palauttamalla mieleen, mikä olikaan ionin ja atomin välinen ero. Esimerkkien vastaukset: Sinkin hapettuminen: Sinkkiatomin varaus on 0 ja sillä on uloimmalla elektronikuorella 2 elektronia. Kun nämä kaksi elektronia poistetaan, saadaan sinkki-ioni. Sinkki-ionin varaus on +2 eikä sillä ole yhtään elektronia uloimmalla kuorella. Kuparin pelkistyminen: Kupariatomin varaus on +1 eikä sen uloimmalla kuorella ole yhtään elektronia. Kun kupari-ioniin lisätään yksi elektroni, saadaan kupariatomi, jonka varaus on 0 ja jonka uloimmalla kuorella on yksi elektroni. Sinkkiatomi pelkistää kaksi kupari-ionia: Alkutilanne: Sinkkiatomin varaus on 0 ja sillä on uloimmalla kuorellaan kaksi elektronia. Kupari-ionien varaus on +1 eikä nillä ole yhtään elektronia uloimmalla kuorellaan. Kun sinkki pelkistä kupari-ionit, se luovuttaa kummallekin ionille yhden elektronin. Lopputilanne: Sinkki-ionin varaus on +2 eikä sillä ole elektroneja ulkokuorellaan. Kupariatomien varaus on 0 ja niillä kummallakin on uloimmalla kuorella yksi elektroni. On hyvä painottaa, että hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat aina yhtä aikaa siksi, ettei elektroneja jää atomeista irralleen.
Tutkimus 2: Raudan hapettuminen ja kuparin pelkistyminen valmistelu 10 min, toteutus 15 min Oppilaat tekevät työn itsenäisesti. Välineet: koeputki ja korkki suodatuslaitteisto: suodatinpaperi, suppilo ja keitinlasi / keittopullo noin 10% kuparisulfaattiliuosta puoli koeputkellista rautajauhetta suurin piirtein teelusikallinen rautajauhe voidaan korvata esimerkiksi sinkki- tai tinajauheella kuparisulfaatti ärsyttää silmiä ja limakalvoja sekä on haitallista nieltynä liuoksen voi kaataa viemäriin runsaan veden kanssa metallihippuset kannttaa ottaa talteen ja käyttää uudelleen 1: Mitataan aineet ja laitetaan ne koeputkeen 2: Suljetaan koeputken korkki tiiviisti 3: Ravistellaan voimakkaasti muutaman minuutin ajan 4: Annetaan metallihippusten laskeutua koeputken pohjalle 5: Havaitaan liuoksen värin muuttuminen 6: Suodatetaan metallihippuset liuoksesta 7: Tutkitaan metallihippusia ja tehdään havaintoja Tyypillisiä havaintoja - kuparisulfaattiliuoksen väri on sininen - kun koeputkeen lisätään rautajauhetta ja ravistellaan, liuos vaikuttaa muuttuvan mustaksi, sillä rautajauhe leijuu liuoksessa - kun metallihippusten annetaan painua koeputken pohjalle, havaitaan, että liuoksen väri on muuttunut vaaleammaksi ja aavistuksen vihertävään suuntaan - kun metallihippusia tutkitaan, havaitaan, että niiden pinnalle on muodostunut punaruskeaa metallia Kuparisulfaatin sininen väri johtuu kupari-ioneista. Ennen reaktiota koeputkessa oli rauta-atomeja (Fe) sekä kupari- ja sulfaatti-ioneja ( Cu +, SO 4 ) ja tietenkin vesimolekyylejä ( H 2 O ). Reaktion jälkeen koeputkessa on kupariatomeja (Cu) sekä rauta- ja sulfaatti-ioneja ( Fe 2+, Fe 3+, SO 4 ) ja edelleen myös vesimolekyylejä ( H 2 O). Jäljelle jää usein myös hapettumattomia rauta-atomeja (Fe).
Kemiallinen selitys Liuoksen värimuutoksen syy on se, että sinisyyden aiheuttavat kupari-ionit pelkistyvät kupariatomeiksi rautahippusten pinnalle. Pelkisityneet kupariatomit havaitaan tutkimalla metallihippusia. Samalla liuokseen vapautuu rautaioneja, jotka aiheuttavat liuoksen hennon vaaleanvihreän värin. Väri on heikko, mutta havaittavissa esimerkiksi valkoista paperia vasten tai laittamalla koeputki piirtoheittimen valokeilaan. Se, kuinka pitkälle kemiallisissa selityksissä ja hapetusluvuissa kannattaa mennä, riippuu oppilaiden tasosta. Haluttaessa voidaan tutia myös puolireaktioita yms. Ilmiön selityksen päätteleminen edellyttää, että oppilas oivaltaa kuparisulfaatin olevan liuoksessa kupari- ja sulfaatti-ioneina. Tutkimus 3: Metallit suolahapossa valmistelu 10 min, toteutus 15-20 min Oppilaat tekevät työn pääosin itsenäisesti. Opettaja tekee demonstraation. Välineet koeputkia yksi jokaista testattavaa metallia kohti koeputkiteline tulitikut 10% suolahappoa metallijauheita tai pieniä metallipaloja, mieluiten kaikki samassa muodossa hyviä metalleja ovat magnesium, tina, sinkki, rauta, tina ja kupari opettaja käyttää vain kultaa ja hopeaa, mikäli niitä on saatavilla suolahappo on vahva happo, joten sen käsittelyssä on syytä olla varovainen magnesiumin reaktio on kiivas, joten sitä käytetään vain pieniä määriä 1: Lisätään suolahappoa koeputkiin 2: Laitetaan metallit koeputkiin ja vertaillaan reaktionopeuksia kuplimisvoimakkuuden perusteella 3: Koeputkista kupliva kaasu voidaan tunnistaa tulitikun avulla: kun palava tulitikku viedään varovasti koeputken yläpuolelle, havaitaan vedyn palaminen 4: Opettaja tekee työn kulta- ja hopeaesineellä demonstraatioluontoisesti Metallit liukenevat suolahappoon eri nopeuksilla kuparia, kultaa ja hopeaa lukuunottamatta. Kun reaktionopeuksia verrataan tutkimuksen 1 tuloksiin, havaitaan, että tulokset ovat samansuuntaisia. Esimerkiksi magnesium reagoi kiivaasti ja kupari ei lainkaan.
Jalometallit kestävät korroosiota sekä happokylpyjä. Ne eivät hapetu suolahapossa pelkistäen vetyä. Tutkimuksessa käytetyt jalometallit olivat kupari, kulta ja hopea. Jalometallit eivät reagoi suolahapon kanssa lainkaan. Rauta ei ole jalometalli, koska se ruostuu ja liukenee suolahappoon. Esimerkki reaktioyhtälöstä: 2 HCl + Mg MgCl 2 + H 2 Magnesiumkloridi on suola, joten siinä magnesium on ionimuodossa. Magnesium on siis hapettunut. Hapon liuetessa veteen vapautuu vetyioneja H +. Koska vetymolekyylit ovat varauksettomia ja ne sisältävät vetyatomeja, on vetyionien täytynyt ottaa elektroneja vastaan eli pelkistyä. Sähköpari Oppilaan ohjeen kaavakuva sähköparista on tarkoituksella yksinkertaistettu. Tarkoituksena on ohjata oppilasta ajattelemaan sähköparia kahden eri metallin muodostamana parina sekä yhdistää hapetus-pelkistys-reaktiossa tapahtuva elektronien liikkuminen sähkövirtaan. Tutkimus 4: Sähkökemiallinen pari valmistelu 15 min, toteutus 20-30 min Oppilaat saavat suunnitella ja toteuttaa työn itsenäisesti Välineet kupari- ja sinkkilevy, myös magnesiumlevy käy (ja on jopa parempi) johtimia, hauenleukoja pieni hehkulamppu (ei välttämätön), jännitemittari 1.5 V paristo (ei välttämätön) keitinlasi, jos käytetään elektrolyyttiliuosta elektrolyyttiliuos: muutama pisara happoa, suolan liuos TAI sitruuna, muu sitrushedelmä, peruna syntyvät virrat ja jännitteet ovat vaarattomia kovin vaarallista elektrolyyttiliuosta ei kannata käyttää elektrolyyttiliuos voidaan kaataa runsaan veden kanssa viemäriin sitruuna tai muu kasvis päätyy biojätteeseen 1: Tutustutaan jännitemittariin ja sen kytkentöihin 2: Valmistellaan elektrolyyttiliuos / tehdään viillot sitruunaan tms 3: Asetetaan metallilevyt siten, etteivät ne kosketa toisiaan 4: Mitataan levyjen välinen jännite ja yritetään saada hehkulamppu syttymään
Jos jännitemittarin käyttäminen ei ole oppilaille ennestään tuttua, tarvitsevat he siinä apua. Jännite on syytä mitata molempiin suuntiin eli vaihtamalla hauenleukojen paikkaa metallista toiseen. Kupari- ja sinkkilevyn välinen jännite on 1.1 V. Kupari- ja magnesiumlevyn välinen jännite on 1.6 V. Jännite on riittävä pienen hehkulampun sytyttämiseen, mutta se ei pala kovin kirkkaasti. Valojen himmentäminen voi helpottaa hehkulampun syttymisen havaisemista. Jos hehkulamppuja ei ole käytettävissä, voidaan tämä päätellä tai arvioida. Kun hauenleukojen paikkaa vaihdetaan metallista toiseen, jännitteen etumerkki muuttuu. Kun metallilevyt koskettavat toisiaan, jännite putoaa nollaan. Tällöin virtapiirissä on oikosulku. Elektronien ei tarvitse kulkea johtimia pitkin ja jännitemittarin / lampun kautta, vaan ne voivat siirtyä suoraan metallista toiseen. Sähköparin jännite on lähellä tavallisen pariston jännitettä. Lamppu syttyy myös tavallisella paristolla. Tutkimus 5: Galvaaniset solut valmistelu 15 min, toteutus 30 min Työn tarkoituksena on mitata useiden sähköparien jännite ja järjestää metallit jännitesarjaksi työn tulosten mukaan. Välineet kennolevy johtimia, hauenleukoja jännitemittari suodatinpaperia pinsetit metallipaloja esimerkiksi rautaa, nikkeliä, kuparia, sinkkiä, magnesiumia, tinaa metallien suolojen liuoksia esimerkiksi ZnSO 4, MgSO 4, CuSO 4, SnCl 2, FeCl 2, NiSO 4 suolaliuosta, jossa ei ole tutkittavaa metallia esimerkiksi kaliumnitraattia tai ruokasuolaliuosta jätteet voidaan huuhdella viemäriin runsaan veden kera syntyvät virrat ja jännitteet ovat vaarattomia
1: Suunnitellaan metallien paikat kennolevylle siten, että jokaisen metalliparin välinen jännite voidaan mitata. Tämä onnistuu, jos kennojen välille voidaan asetella suolasilta. Diagonaaliset kennot käyvät myös hyvin! 2: Täytetään kennot puolilleen valittujen metallien suolojen liuoksilla 3: Tehdään suolasilta suodatinpaperista kostuttamalla se kaliumnitraatilla tai ruokasuolaliuoksella. Suolasiltaa käsitellään pinsettien avulla. 4: Mitataan kunkin metalliparin jännite molempiin suuntiin Samalle metalliparille saadaan kaksi eri jännitettä: miinus- ja plusmerkkinen. Plusmerkkinen jännite saadaan, kun jännitettä mitataan oikein eli kun matalamman potentiaalin elektrodi on kytkettynä mustaan kaapeliin (COMsisäänmeno) ja korkeamman potentiaalin elektrodi on kytkettynä punaiseen kaapeliin (V-sisäänmeno). Oppilaille voidaan puhua epäjalommasta ja jalommasta metallista. Huomataan, että jänniteparin itseisarvo on kuitenkin aina sama. Suolasilta tekee virtapiiristä suljetun ja mahdollistaa positiivisten ionien liikkumisen. Virta kulkee vain suljetussa virtapiirissä. Tämä voidaan todentaa mittaamalla sähkökemiallisen parin jännite ilman suolasiltaa. (Tulos 0 V.) Metallipareille saadaan laskennallisesti seuraavat jännitteet: Mg-Cu 2.72 V Zn-Cu 1.10 V Fe-Cu 0.78 V Ni-Cu 0.59 V Mg-Sn 2.24 V Zn-Sn 0.62 V Fe-Sn 0.30 V Ni-Sn 0.11 V Mg-Ni 2.13 V Zn-Ni 0.51 V Fe-Ni 0.19 V Cu-Sn 0.48 V Mg-Fe 1.94 V Zn-Fe 0.32 V Mg-Zn 1.62 V Metallien laittaminen jännitesarjan mukaiseen järjestykseen voi olla hankalaa. Tässä muutamia vinkkejä, joita oppilaille voi antaa: kupari on jännitesarjan toisessa päässä magnesium on jännitesarjan toisessa päässä Jännitesarjaa kannattaa käsitellä jatkumona: samalla kun metallien jalous kasvaa, niiden reaktionopeus pienenee; mitä epäjalompi metalli, sitä halukkaammin se luopuu elektroneistaan eli reagoi. Pelkistymistehtävien vastaukset: Tina ei pelkistä magnesiumioneja. Rauta pelkistää hopeaionit. Magnesium pelkistää nikkeli-ionit. Sinkki pelkistää kupari-ionit. Sinkki pelkistää kultaionit. Nikkeli pelkistää kupari-ionit. Rauta ei pelkistä sinkki-ioneja. Hopea pelkistää kultaionit. Hopea ei pelkistä kultaioneja. Oppilailla on usein vaikeuksia hahmottaa sitä, mikä atomi voi pelkistää minkäkin metallin ionin. Edellisen tehtävän vastaukset kannattaa käydä huolella läpi ennen viimeisen tutkimuksen tekemistä.
Tutkimus 6: Metallien suolaliuosten tunnistaminen valmistelu 15 min, toteutus 25 min Oppilaat suunnittelevat työn itsenäisesti. Tarkoituksena on tunnistaa kolmen eri metallin suolaliuos käyttämällä apuna rauta- ja kuparipalaa, metallien jännitesarjaa sekä aiemmin opittuja tietoja. Välineet: kolme koeputkea koeputkiteline : hopeanitraattiliuosta sinkkikloridiliuosta tinakloridiliuosta rauta-ja kuparipalasia hopeanitraatti on syövyttävää jätteet runsaan veden kanssa viemäriin 1: Oppilaille kerrotaan, että koeputkissa on jotakin seuraavista liuoksista: kuparisulfaattia, hopeanitraattia, tinaklorida, sinkkikloridia 2: Oppilaat yrittävät tunnistaa liuokset rauta- ja kuparipalan avulla ja tekevät tutkimussuunnitelman - kuparisulfaatti putoaa heti pois: yksikään liuoksista ei ole sininen - rautalangan avulla selviää sinkkikloridiliuos: sinkkikloridissa raudan pintaan ei synny pinnoitetta - tutkitaan jäljelle jääneet koeputket kuparilangan avulla: hopeanitraattiliuoksessa kuparilanka pinnoituu, tinakloridissa ei Itsearviointi Monivalinnoista voi valita useammankin vaihtoehdon Lähteet: Chemistry in Microscale Aine ja energia: Kemian työkirja 3, opettajan opas WSOY 2003 http://dwb.unl.edu/chemistry/dochem/dochem046.html (5.3.2008)