2. Elektrokemi

Centralt innehåll

Kapitlet handlar om:

  • ädla och oädla metaller
  • metallernas elektrokemiska spänningsserie
  • oxidation och reduktion
  • hur kemiska reaktioner kan ge upphov till elektrisk spänning (galvaniskt element) 
  • korrosion av metaller samt skydd mot korrosion
  • hur elektrisk spänning kan ge upphov till kemiska reaktioner (elektrolys).

Undervisningstips och tilläggsinformation

s. 35 Kan du putsa silver med aluminiumfolie?

Syftet med experimentet är att introducera eleverna till tanken om att metaller kan bilda föreningar med andra ämnen samt att processen kan också omvändas.

Silver kan med tiden reagera med föreningar som innehåller svavel och bilda silversulfid som ger föremålet en mörk beläggning på ytan. I reaktionen oxideras silver och bildar därmed positiva silverjoner. Under experimentet kommer den oädlare metallen aluminium att oxideras varpå aluminiumjonerna reduceras. När saltet löser sig i vatten bildas en elektrolyt som hjälper till med elektronöverföringen mellan aluminium och silver.

Den tekniska delen av skeendet behöver inte tas upp i detta skede utan eleven kan återkomma till detta experiment vid ett senare tillfälle.

s. 36 Hur reagerar metaller med saltsyra?

Syftet med detta experiment är att eleven ska se att det finns synbara skillnader i hur olika metaller reagerar med saltsyra. Efter genomfört experiment är det mycket lättare för eleven att förstå uppbyggnaden av metallernas spänningsserie.

I experimenet märker eleverna att den mest oädla metallen, magnesium, reagerar kraftigast medan den enda ädla metallen koppar inte reagerar alls. Efter undersökningen är det bra att diskutera deras resultat i anslutning till spänningsserien. Läraren kan fråga t.ex. om det på basen av undersökningsresultaten och med hjälp av spänningsserien går att dra en slutsats om vilken reaktion natrium och guld skulle ha med saltsyra.

Eleven kan återkomma till detta experiment senare när hen läst mera om oxidation och reduktion. De elever, som så vill, kan försöka skriva de olika reaktionernas reaktionslikheter.

s. 39 Vad händer i bägarna?

Syftet med experimentet är att eleverna ska lära sig att metaller kan reagera med andra metaller. En reaktion sker i det fall att den oädlare metallen är i atomform och den ädlare metallen i jonform. Dessa kriterer uppfylls t.ex. då en järnbit doppas i kopparsulfat. Den oädlare metallen järn oxideras och avger sina elektroner till kopparjonerna i lösningen som reduceras. Som en följd bildas rent koppar som kommer att synas som en rödbrun beläggning på järnbiten. Efter ett tag kommer den turkosa färgen i lösningen att avta i styrka vartefter mängden kopparjoner minskar.

s. 41 Kan två metaller ge en elektrisk spänning?

Syftet med experimentet är att eleven ska se kopplingen mellan kemiska reaktioner och elektrisk spänning. Det här är en viktig del av kapitlet eftersom eleven för första gången ser med egna ögon hur kemi hänger ihop med elektricitet.

Om det är möjligt kan eleverna uppmuntras till att använda så många olika metaller som finns till förfogande och mäta spänning på så många kombinationer de kan. Resultaten kan också sammanställas i ett delat kalkylprogram så att eleverna kan se om deras resultat överensstämmer med andra elevers resultat.

I undersökningen kan eleverna märka att multimetern ibland visar positiva och ibland negativa värden. Genom att byta plats på kablarna kan förtecknet ändras. Läraren kan ställa en bonusfråga i stil med: Kan du på basen av spänningens förtecken lista ut vilken metall som är ädlare och vilken som är oädlare? Eleven har kommit långt om hen vet orsaken till detta.

Orsaken är att multimetern är konstruerad så att den svarta kabeln (COM) alltid ska kopplas till minuspolen t.ex. hos ett batteri. I ett galvaniskt element är det den oädlare metallen som blir minuspol eftersom där sker oxidationen, elektroner avges. Om multimetern visar en positiv spänning betyder det att svarta kabeln är korrekt kopplad till den oädlare metallen.

Undersökningen är en ypperlig chans att tillsammans med eleverna gå igenom kunskapskraven för de olika vitsordsnivåerna i läroplanen för målen 5–7. 

En elev har goda förutsättningar för höga vitsord om hen:

  • undrar vad som skulle hända med spänningen mellan magnesium och guld i en motsvarande undersökning
  • har en välformulerad hypotes baserad på tidigare inhämtade kunskaper
  • kan arbeta säkert tillsammans med andra
  • kan sammanställa resultaten med hjälp av digitala verktyg
  • kan dra slutsatser och ge exempel på hur undersökningen kunde förbättras.

Detta kan uppmuntra och stärka självbilden hos elever som fungerar väl i experimentsituationer och utgående från praktisk erfarenhet kan dra slutsater även om hen har svaga teoretiska kunskaper, språkproblem eller inlärningssvårigheter.

s. 42 Gör ett eget batteri

Syftet med experimentet är att se tillämpningsmöjligheter för den teori som de tidigare lärt sig. Batteriteknologin utvecklas hela tiden och är högaktuell i skrivande stund (2024). Eleven har kommit långt ifall hen vet vilka metaller som borde väljas samt kan förklara vilken funktion frukten har i experimentet.

Även om eleverna lyckas få en tillräckligt hög spänning mellan metallerna kan det hända att lysdioden ändå inte lyser. Det kan bero på att lysdioden är kopplad fel väg eller på den höga inre resistansen i fruktbatteriet. Eleverna kan ändå uppmuntras till att hitta lösningen genom att tänka på hur fruktbatterierna kunde kopplas ihop för att få ännu högre spänning. Ifall eleverna har läst ellära kan de klara av att seriekoppla fruktbatterierna. I annat fall kan läraren uppmuntra dem till att koppla batterierna likadant som batterierna i en fjärrkontroll.

I reaktionenen är det viktigt att komma ihåg att den oädlare metallen oxideras men att det är vätejonerna i syran som reduceras till vätgas. Spänningen i fruktbatteriet sjunker relativt snabbt vartefter antalet vätejoner minskar i frukten.

Alternativt experiment eller simulering är Daniells element. Om ni söker på internet med sökorden daniells cell simulation så kan ni se vilken utrustning som behövs och hur reaktionerna fortlöper. Den porösa väggen går enkelt att ersätta med en pappershanduk doppad i saltvatten. I Daniells cell jämnas jonbalansen och spänningen hålls längre på en jämn nivå. Daniells element går också att seriekopplas för en högre spänning och kan på det sättet kopplas till en större apparat, till exempel en leksaksmotor.

s. 48 Fixa båten inför sommaren

Experimentet är öppet och därmed är det mesta tillåtet. Det viktiga är inte svaret på forskningsfrågan utan själva planen och därför kan det vara bra att läraren hjälper till genom att ställa ledande frågor under arbetet, t.ex. Hur lång tid behöver du för att få svar på forskningsfrågan? Är det viktigt att du simulerar situationen med båtmotorn så noggrant du bara kan? 

Ifall eleverna behöver extra hjälp kan denna lista vara till hjälp:

Du behöver:

  • 3 st. provrör
  • 4 bitar järn
  • 1 bit koppar
  • 1 bit zink
  • saltvatten.

s. 50 Från joner till atomer

Eleverna har tidigare lärt sig att de flesta metaller som finns i naturen förekommer i jonform som en del av föreningar. Metallerna har bildat föreningar när de oxiderats och bildat joner. Syftet med experimentet är att eleven kan se att en motsvarande reaktion kan vändas om med hjälp av elektrisk spänning. De zinkjoner som finns i lösningen kommer att attraheras till den negativa kolstaven och tar emot elektroner dvs. reduceras till zinkatomer. I reaktionen syns detta genom att det bildas en grå zinkyta på kolstaven.

Experimentet kan utvecklas genom att tillsammans fundera på om det finns situationer där man vill ytbelägga föremål med zink för estetiska eller praktiska orsaker. Till exempel så är galvaniserade spikar järnspikar egentligen ytbelagda med zink för att förhindra korrosion.

Vid galvanisering kopplas strömkällans minuspol till det föremål som man vill förzinka t.ex. en nyckel. Pluspolen kopplas till en annan zinkbit. Vid pluspolen oxideras zinkatomer och faller ner i lösningen som joner. På det sättet hålls mängden zinkjoner i lösningen jämn.

Laborationen kan ytterligare utvecklas genom att fundera på om samma process kunde användas för att förkoppra föremål. Vi förkoppring behöver lösningen innehålla kopparjoner. Strömkällans minuspol kopplas till det föremål som man vill förkoppra och pluspolen till en annan kopparbit.

s. 51 Från joner till gaser

Obs!

Det är viktigt att experimentet görs i ett ventilerat ytrymme. 

När strömkällan slås på kommer de positiva vätejonerna att reduceras vid minuspolen och de negativa kloridjonerna att oxideras vid pluspolen. Vid respektive pol omvandlas joner till atomer. Två väteatomer slås ihop och bildar vätgas H2 som syns som bublor i vid staven. När två kloratomer slås ihop bildas klorgas C2 som också syns som bublor vid den andra kolstaven. Eleverna kan förnimma en lukt som liknar den i en simhall.

s. 53 Spjälka vatten

Elektrolys av vatten är högaktuellt just nu och i framtiden på grund av de globala investeringarna i vätgasproduktion. Det kan vara bra idé att efter experimentet diskutera möjligheterna och begränsningarna med denna process. Bland annat kan eleverna fundera på frågorna:

  • Vad har vätgas för energidensitet i förhållande till andra bränslen? (Sök bilder på nätet med sökorden energy density combustibles.)
  • Är det dyrt att framställa vätgas?
  • Är det svårt att lagra och transportera vätgas?
  • Är det riskabelt att förbränna vätgas antingen för konsumenten eller miljön?

Bildanalysfrågor

Här finns frågor som förslag till ganska fri bildanalys. Du kan använda frågeorden på pärmen, välja bland frågorna här under eller formulera helt egna frågor och funderingar.

s. 34 Inledningsbilden

Vilken årstid tror du att bilden visar?

Varför tror du så?

Varför behöver man kolla både cykel och båtmotor den tiden på året?

Har du märkt att någon av dina saker har rostat?

Varför har det hänt, tror du?

Finns det något som du kunde ha gjort tidigare för att förhindra det?

s. 36 Guldvaskning

Hur fungerar guldvaskning?

Har du sett någon göra det?

Har du själv prövat att vaska guld?

Hur gick det i så fall? Vad lärde du dig?

Finns det andra tillfällen då du kan använda ett liknande system, alltså att separera något på liknande sätt?

Facit till uppgifterna på sidorna 56–57

2.

A) Till exempel koppar, guld och silver.

B) Till exempel magnesium, aluminium och järn.

3.

A) När ett ämne avger elektroner kallas det oxidation.

B) När ett ämne tar emot elektroner kallas det reduktion.

4.

A) Magnesium

B) Zink

5.

Genom att torka av föremålet, olja det, måla det, välj en metall som inte korroderar eller som bildar ett skyddande lager eller genom att använda en offeranod.

6.

A) Två olika metallskivor, krokodilklämmor och ledningar, en elektrolyt (vätska som innehåller joner till exempel syrlig frukt eller saltvatten).

B) Genom att välja metaller som är långt ifrån varandra i spänningsserien.

Ordförklaringar

  • Elektrolys
  • Elektrolyt
  • Galvanisera
  • Galvaniskt element
  • Korrosion
  • Oxideras
  • Oädel metall
  • Reaktiv
  • Reduceras
  • Spänningsserie
  • Ädelmetall

Pdf-dokument att skriva ut. Kontrollera inställningarna på din skrivare så att korten skrivs ut rätt. Ordet ska finnas på kortets ena sida och förklaringen på andra sidan.