KE5

1. KE5 Metallien kemiaa

2. 1. Malmista metalliksi • Yleensä metallit esiintyvät erilaisissa yhdisteissä eli mineraaleissa • Esim. Hematiitti (Fe2O3) ja kuparihohde (Cu2S) • Jalot metallit voivat esiintyä myös puhtaana luonnossa • Malmi on kiviainesta, jossa on jotakin hyödyllistä mineraalia niin paljon, että on taloudellisesti kannattavaa erottaa se • Jalostuksessa hyödyllinen metalli erotetaan muista mineraalin sisältämistä alkuaineista

3. 1. Malmista metalliksi • Raudan jalostus • Rautamalmi louhitaan kaivoksissa tai avolouhoksissa • Se jauhetaan ja siitä poistetaan arvoton aines eli se rikastetaan • Rikastetusta rautaoksidista erotetaan rauta kuilu-uunissa eli masuunissa hiilimonoksidin avulla • Kalkkikiven avulla poistetaan jäljelle jäänyt sivukivi ja saadaan sulaa raakarautaa • Lopuksi raakaraudasta poistetaan hapen avulla riittävästi hiiltä, että saadaan taottavaksi kelpaavaa rautaa

4. 1. Malmista metalliksi • Teräs on rautaa, jossa on hiiltä enää alle 1,7% • Metalliseokset ovat usein käyttökelpoisempia puhtaisiin metalleihin verrattuna • Ruostumaton teräs = Rauta + Kromi • Pronssi = Tina + Kupari • Messinki = Kupari + Sinkki • Juotostina = Lyijy + Tina

5. 2. Metallien ominaisuudet • Metalliatomeilla on yleensä 1 tai 2 ulkoelektronia, joten niillä on samankaltaisia ominaisuuksia • Metalleilla on hyvä sähkönjohtavuus • Metallirakenteessa on ns. vapaita elektroneja jotka kuljettavat sähkövarausta • Metalleilla on hyvä lämmönjohtavuus ja korkea sulamispiste • Metalleilla on yleensä hyvä muokkautuvuus • Metallin rakenteessa ionikerrokset voivat liukua lähes esteettä toistensa suhteen

6. 2. Metallien ominaisuudet • Metallit eivät hajoa luonnossa • Ag, Pb ja Cd ovat ympäristölle erittäin haitallisia! • Kaikki metallit ovat suurina määrinä myrkyllisiä, mutta erittäin pieninä määrinä useimmat ovat kuitenkin hyödyllisiä ja välttämättömiä ihmiselle • Esim. Fe, Mg ja Zn • Jotkut metallit ovat erityisen hyödyllisiä teollisuudelle • Esim. Ti, Fe ja Cu

7. 3. Metallien reaktiokyky • Metallien reaktiot ovat siis samankaltaisia, mutta reaktion kiivaus vaihtelee metallista riippuen • Metalli on sitä kiivaampi reagoimaan, mitä helpommin se luovuttaa elektronejaan • Metallien palamisreaktio • Metalliatomit hapettuvat eli luovuttavat elektronejaan • Happiatomit pelkistyvät eli vastaanottavat elektroneja

8. 3. Metallien reaktiokyky • Metallioksidin vesiliuokset ovat usein emäksisiä • Metallien liukeneminen happoihin • Metalliatomit hapettuvat • Hapon vesiliuoksessa olevat oksoniumionit (H3O+) pelkistyvät ja hajoavat vedeksi ja vedyksi • Metallit voidaan järjestää reaktiokykynsä perusteella…

9. 4. Sähkökemiallinen jännitesarja • …sähkökemialliseksi jännitesarjaksi Li-K-Ba-Ca-Na-Mg-Al-Zn-Cr-Fe-Co-Ni-Sn-Pb-(H)-Cu-Hg-Ag-Pt-Au • Vedyn (H) oikealla puolella ovat jalot metallit • Ne eivät reagoi happojen kanssa vetyä vapauttaen • Vedyn vasemmalla puolella ovat epäjalot metallit • Ne reagoivat happojen kanssa vetyä vapauttaen • Mitä kauempana vasemmalla metalli on, sitä helpommin se luovuttaa elektroneja ja sitä epäjalompi se on

10. 4. Sähkökemiallinen jännitesarja • Epäjalompi metalli pystyy pelkistämään liuoksessa olevia jalomman metallin ioneja • Esim. jos rautajauhetta (Fe) laittaa koeputkeen, joka sisältää kuparisulfaattiliuosta (CuSO4), rautajauheen pinnalle alkaa pelkistyä kuparia (Cu) Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu • Reaktio on nimeltään hapettumis-pelkistymisreaktio

11. 5. Sähkökemiaa • Metallien erisuurta kykyä luovuttaa elektronejaan käytetään hyväksi sähkövirran synnyttämisessä • Yksinkertainen sähkökemiallinen pari saadaan, kun kaksi erilaista metallisauvaa laitetaan ioneja sisältävään liuokseen ja yhdistetään toisiinsa johtimella. • Ioneja sisältävä liuos on nimeltään elektrolyyttiliuos

12. 5. Sähkökemiaa • Sähkökemiallisessa parissa, metallien välillä on ns. sähköisen tilan ero eli jännite • Mitä kauempana metallit ovat toisistaan sähkökemiallisessa jännitesarjassa, sitä suurempi jännite niiden välillä on • Sähkökemiallisessa parissa hapettumis-pelkistymisreaktion kemiallinen energia voidaan muuntaa syntyvän sähkövirran avulla esim. valoksi ja lämmöksi

13. 5. Sähkökemiaa • Korroosiossa epäjalo metalli syöpyy ilmassa olevan hapen ja kosteuden vaikutuksesta • Jalot metallit eivät syövy kosteissakaan olosuhteissa • Huom! Kuparin patinoituminen ja alumiinioksidin synty… • Sähkökemiallisessa korroosiossa kaksi eri metallia muodostaa sähkökemiallisen parin, jolloin epäjalompi metalli syöpyy

14. 5. Sähkökemiaa • Korroosiolta voidaan suojautua eri tavoin • Suojataan metallin pinta kosteudelta • Maalaaminen • Päällystäminen muovilla, kumilla tai toisella metallilla • Vettä hylkivällä öljyllä • Muilla korroosionestoaineilla • Käytetään ns. uhrimetallia • Käytetty uhrimetalli (esim. sinkki tai magnesium) syöpyy ensin ja suojaa siten arvokkaampaa metallia

15. 6. Elektrolyysi • Elektrolyysi on ilmiö, jossa tasavirta saa aikaan hapettumis-pelkistymisreaktion elektrolyyttiliuoksessa (työkirja s. 59) • Negatiiviset ionit luovuttavat (hapettuvat) positiivisella sauvalla ylimääräiset elektroninsa ja muuttuvat atomeiksi • Positiiviset ionit saavat (pelkistyvät) negatiivisella sauvalla puuttuvat elektroninsa ja muuttuvat atomeiksi • Elektrolyysillä on suuri käytännön merkitys metallien valmistuksessa ja korroosiolta suojaamisessa • Puhdistaminen ja päällystäminen elektrolyysin avulla.

16. KE5 Metallien kemiaa