exercise/kobbersolvgull.tex

   1 % category: unknown
   2 \chapter{Kjemisk binding - Fra kobber til sølv og gull}
   3 \label{Kobbersolvgull} \index{Kjemisk binding\\ -Fra kobber til sølv og gull|textbf}
   4
   5
   6
   7 \section*{Innledning}
   8 Granulert metall og en fargeløs løsning plasseres i et begerglass og varmes opp til nesten kokepunkt. To kobber mynter legges oppå metall bitene. Etter en stund blir koppermyntene sølvfarget. En av myntene varmes i en gassflamme, og mynten blir gullfarget (I prosedyre A bruker vi sink; i prosedyre B bruker vi tinn).
   9
  10
  11 \section*{Framgangsmåte}
  12 \paragraph{\textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Prosedyre A:}}
  13 Hell ca. 150 ml vann fra springen over i et 250 ml begerglass. Putt deretter 25 g granulert sink\footnote{Ikke bruk sink i pulverform, reaksjonen kan bli for kraftig.} oppi et 150 ml begerglass. Hell 25 ml 3M NaOH-løsning\footnote{Lages ved å løse 12 gram NaOH i 100 ml destillert vann.}  oppi begerglasset med sink bitene.
  14 Begerglasset med sink og lut-løsningen plasseres nå enten på en varmeplate, eller på et ringstativ for gassbrenner. Varm opp løsningen til den nesten når kokepunktet (småkoker).\\
  15 \begin{figure}[h]
  16 \centering
  17 \includegraphics[width=0.4\textwidth]{images/kobbersolvgull/begerglass}
  18 \includegraphics[width=0.4\textwidth]{images/kobbersolvgull/stativ}
  19 \caption{Kobbermyntene legges først oppå sinkbitene, deretter settes begerglasset på stativ over gassbrenner}
  20 \end{figure}
  21 Bruk deretter en tang for å plassere to kobbermynter\footnote{Kobbermyntene pusses til de er skinnende med stålull for å få bort skitt og oksidlag} (penny (1-cent fra før 1983) eller 50-øringer) oppå sinkbitene i begerglasset. La myntene ligge der til de er fullstendig sølvfarget (ca. 45 sekunder). Bruk deretter tanga for å løfte myntene ut av lutbadet og skyll dem godt i begerglasset med vann for å bli kvitt all NaOH-løsningen. Tørk begge myntene!\\
  22 \newline
  23 Bruk ei tang for å holde den ene av $"$sølv$"$-myntene inn i den blå delen av gassflammen (se fig. under teorien). Roter mynten for å varme den jevnt. Fortsett med dette til sølvfargen har gått over til gullfarge. Varm ikke mynten for mye, for da vil gullfargen forsvinne. Dypp den varme mynten i begerglasset med vann for å kjøle den ned. Tørk mynten!
  24
  25 \paragraph{\textcolor[rgb]{0.50,0.25,0.00}{Alternativ måte:}}
  26
  27 Denne øvelsen kan også utføres ved å bruke en sinkklorid-løsning. Benytt 25 ml 1M ZnCl$_{2}$ (aq) i et 250 ml begerglass. Tilsett ca. 1.5 gram sinkmetall til begerglasset. Plasser kobbermyntene oppi begerglasset slik at de ligger oppå sinkbitene, og ikke berører hverandre.\\ Varm opp løsningen slik at den småkoker. Myntene vil nå få et sølvaktig belegg i løpet av noen minutter. Bruk ei tang og snu myntene over på den andre siden etter noen minutter. Fortsett oppvarmingen til sølvbelegget dekker myntene helt og jevnt.\\
  28 \newline
  29 Fjern myntene fra begerglasset og vask dem godt i destillert vann og tørk dem forsiktig med tørkepapir. Til slutt plasseres myntene på en varm plate, eller i gassflammen til de får en $"$gullaktig$"$ farge.
  30
  31
  32
  33
  34
  35
  36
  37
  38
  39
  40
  41
  42 \paragraph{\textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Prosedyre B:}}
  43 På samme måte som i prosedyre A, gjør vi i stand et 250 ml begerglass med ca. 150 ml springvann. Vi heller deretter 100 ml med 1M HCl-løsning\footnote{Lages ved å tynne ut 10 ml kons. saltsyre (12M) i 90 ml destillert vann.} opp i et av 150 ml begerglassene.\\
  44 \newline
  45 Deretter putter vi 25 gram med granulert tinn i et tomt 150 ml begerglass. I dette begerglasset heller vi 25 ml med en 3M NaOH-løsning over tinnet. Begerglasset med tinnet og luten settes nå på et ringstativ med en gassbrenner under.\\ Vi tenner brenneren og varmer opp luten den nesten når kokepunktet (småkoker). Bruk nå en tang til å legge to av kobbermyntene oppå det granulerte tinnet i begerglasset. La dem ligge der til de forandrer farge og blir gråaktige (dette tar mellom 3 og 5 minutter). I løpet av denne tiden fortsettes oppvarmingen slik at løsningen forsiktig småkoker.\\
  46 \newline
  47 Bruk tangen til å ta ut de to grå kobbermyntene fra lutløsningen og tinnet og dypp dem i begerglasset med vann, for å skylle bort NaOH-løsningen. Tørk begge myntene. De har nå blitt gråaktige på fargen.\\
  48 Til slutt tas en av myntene med tangen og holdes inne i det blå området av gassflammen. Snu mynten slik at oppvarmingen skjer jevnt. Fortsett med dette til mynten får en gullaktig farge og begynner å anløpe til svart. Varm ikke mynten for mye! Da vil den gullaktige fargen forsvinne!\\
  49 Dypp nå den varme mynten i begerglasset med vann for å kjøle den ned, deretter dyppes mynten raskt ned i begerglasset med 1M HCl-løsning - for å ta bort det svartaktige belegget.\\
  50 Vask mynten i vann og tørk den. Den vil nå ha en gullaktig farge!
  51 \index{Messing}\index{Bronse}\index{Legeringer}\index{50-øringen}
  52
  53
  54
  55
  56
  57
  58
  59
  60 \section*{Teori}
  61 Selv om denne øvelsen tilsynelatende viser en transmutasjon av kopper til sølv og gull, er ikke dette tilfelle. Det sølvaktige belegget på koppermynten er sink i prosedyre A og tinn i prosedyre B. $"$Gull$"$-belegget dannet når sølvmyntene varmes opp er messing i prosedyre A og bronse i prosedyre B.\\
  62 \newline
  63 Når de sinkbelagte og tinnbelagte myntene blir varmet opp i flammen til en gassbrenner, vil belegget smelte sammen med litt av det underliggende kopperet og danne ei legering.\\
  64 Smeltepunktet til sink er 420\celcius og for tinn 232\celcius \cite[B-153, B-158, 1985]{crc66}. Gassflammen er varm nok til å smelte sink og tinn raskt (se fig. med flammetemperaturene).\\
  65 \newline
  66 Brukes en koppercent, er denne ei legering i seg selv, bestående av 95$\%$ kopper og 5$\%$ sink og har et smeltepunkt på ca. 1050\celcius. Brukes en norsk 50-øring, består denne av 97$\%$ Cu, 2,5$\%$ Zn og 0,5$\%$ Sn med smeltepunkt på ca. 1150\celcius. Brukes en av disse to myntene må en varme dem atskillig lengre i gassflammen før de begynner å smelte\footnote{Unntaket er cent-mynter produsert etter 1983. Disse har en ren sinkkjerne med et belegg av kopper}.\\
  67 \newline
  68 Når en koppermynt tas vekk fra flammen etter oppvarming, vil det dannes et svart belegg av kopper(II)oksid.\\ Holdes mynten med det svartaktige oksid-belegget i den blå delen av gassflammen, vil den delen av mynten som er i det blå området få kopperfargen tilbake igjen. Dette skjer fordi den indre delen av flammen inneholder gasser, som varm metan, som kan redusere kopperoksidet.\\
  69 \newline
  70 Når sink og tinn plasseres i en sterk basisk løsning - løses de sakte opp. I en løsnining av NaOH vil sink oksidere til sinkation og hydroksidionet reduseres til hydrogen.
  71 \begin{equation}\label{kopper12}
  72     Zn (s)  +  2OH^{-} (aq)  \longrightarrow ZnO_{2}^{2-} (aq)  +  H_{2} (g)
  73 \end{equation}
  74 I en vandig løsning vil sinkationene danne kompleks med hydroksidion og vann med en form som: \lbrack Zn(OH)$_{3}$(H$_{2}$O)\rbrack$^{-}$\\
  75 \newline
  76 Tinn løses i en sterk base på liknende måte.\\
  77 Tinn danner to oksider, SnO og SnO$_{2}$. Tinn(IV)oksidet er svakt surt/amfotert; det løses langsomt i sterkt basiske løsninger under dannelse av stannat(IV)ioner, Sn(OH)$_{6}$$^{2-}$.
  78 \begin{equation}\label{kopper13}
  79     Sn (s)  +  2OH^{-} (aq)  +  4H_{2}O (l)  \longrightarrow  \lbrack Sn(OH)_{6} \rbrack^{2-} (aq)  +  2H_{2} (g)
  80 \end{equation}
  81 Bobler med hydrogengass kan observeres i løsningen før den varmes opp. Oppvarmingen øker reaksjonshastigheten betydelig.\\
  82 \newline
  83 I denne øvelsen vil sink og tinn-belegg kun dannes på koppermynten hvis denne er i kontakt med sink eller tinn metallet. Dette tyder på at prosessen som danner belegget er en elektrokjemisk prosess. Den eksakte mekanismen til den elektrokjemiske reaksjonen er ikke kjent.\\
  84 \newline
  85 Potensialet til sink og tinn i 1,0M NaOH-løsning er rapportert til å være henholdsvis -1.24V og -0.94V \cite[364]{gmelins1971}\cite[412]{gmelins1956}.
  86
  87
  88
  89 \section*{Legeringer}
  90
  91 \begin{figure}[h]
  92 \centering
  93 \includegraphics[width=0.5\textwidth]{images/kobbersolvgull/flammetemp}
  94 \caption{Temperaturområdene i en gassflamme, i \celcius.\cite{lewis1943}}
  95 \end{figure}
  96
  97 Legeringen som dannes med sink og kobber er messing. Fargen til denne legeringen varierer med sammensetningen, slik tabellen nedenfor viser \cite{lewis1943}. Legeringen som generelt blir kalt messing har en sammensetning på 60 - 82 \% kobber og 18 - 40 \% sink, og har en klar gulfarge. Messing er verdsatt for sin farge, relativt lik den til gull. Akkurat som gull er messing et relativt mykt metall.
  98 \index{Fargene til messing}
  99 \begin{table}[h]
 100 \begin{tabular}{lll}
 101 Mol ratio Cu:Zn   &    & Legeringens farge            \\
 102 \hline
 103 10:1 til 7:1      &    & rødaktig gul                 \\
 104 6:1 til 4:1       &    & gulaktig rød                 \\
 105 3:3               &    & svak gul                     \\
 106 2:1 til 1:2       &    & dyp gul                      \\
 107 8:17 til 1:2      &    & sølv-hvit                    \\
 108 8:19 til 8:23     &    & lys grå                      \\
 109 1:3 til 1:5       &    & mørk grå                     \\
 110 \end{tabular}
 111   \caption{Sammensetningen til messing avgjør legeringens farge.}
 112 \end{table}
 113
 114 \noindent
 115 Bronse er et rødgul metall som inneholder 70 - 95 \% kobber og 5 - 30 \% tinn. Kommersiell bronse inneholder noen ganger små mengder med andre stoffer, som f.eks sink og fosfor. Bronse ser mindre ut som gull enn messing gjør, men er et adskillig hardere metall og mer motstandsdyktig mot korrosjon enn messing.\\ Også fargen til bronse avhenger av sammensetningen til legeringen:
 116 \begin{table}[h]
 117 \begin{tabular}{lll}
 118 Prosentvis innhold av Cu  &    & Legeringens farge            \\
 119 \hline
 120 82.8 - 84.3       &    & rødaktig gul                 \\
 121 72.8 - 81.1       &    & gulaktig rød                 \\
 122 82.8 - 76.3       &    & svak rød                     \\
 123 68.2              &    & askegrå                      \\
 124 61.7              &    & mørk grå                     \\
 125 51.75             &    & grå-hvit                     \\
 126 34.9              &    & hvit                         \\
 127 \end{tabular}
 128   \caption{Sammensetningen til bronse avgjør legeringens farge.}
 129 \end{table}\index{Fargene til bronse}
 130
 131
 132
 133
 134
 135
 136
 137
 138
 139
 140
 141
 142
 143
 144
 145
 146
 147
 148
 149
 150
 151
 152 \section*{Forsiktig}
 153 Varm NaOH-løsning er ekstremt etsende og vil gi etseskader på hud og klær. Ikke varm løsningen så kraftig at den begynner å koke ukontrollert og sprute! Bruk vernebriller!
 154
 155
 156
 157 \section*{Avfallshåndtering}
 158 La NaOH-løsningen kjølne til romtemperatur. Hell den av sink og tinn bitene. NaOH-løsningen kan tas vare på til ny gjennomgang av øvelsen, eller skylles ned i vasken med vann.\\
 159 \newline
 160 Den granulerte sinken eller tinnet vaskes godt med vann, tørkes og oppbevares til senere bruk.\\ 1M HCl-løsningen skylles ned i vasken med vann.
 161
 162
 163
 164
 165
 166 \newpage
 167
 168 \section*{Utstyr og kjemikalier}
 169 \begin{table}[h]
 170 \begin{tabular}{lll}
 171 \textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Prosedyre A}                                                    &    &  \textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Prosedyre B}     \\
 172 \hline
 173 25 gram granulert sink   &                                                                  &100 ml 1M HCl-løsning     \\
 174 25 ml 3M NaOH-løsning        &    &25 gram granulert tinn       \\
 175 250 ml begerglass                                                                               &    &25 ml 3M NaOH-løsning       \\
 176 Gassbrenner/Bunsen brenner                                                                      &    &250 ml begerglass       \\
 177 Ringstativ med trådnett                                                                         &    &Gassbrenner/Bunsen brenner       \\
 178 3 kobbermynter                                                                                  &    &Ringstativ med trådnett       \\
 179 Stålull                                                                                         &    &3 kobbermynter       \\
 180 150 ml begerglass                                                                               &    &Stålull       \\
 181 Tang                                                                                            &    &Tang       \\
 182 Tørkepapir                                                                                      &    &Tørkepapir       \\
 183                                                                                                 &    &2 150 ml begerglass       \\
 184 \end{tabular}
 185   \caption{Kjemikalieliste til forsøket - Kjemisk binding; Fra kobber til sølv og gull}
 186 \end{table}
 187
 188 % FIXME
 189 \cite[264]{gmelins1971}
 190 \cite[D-152]{crc66}
 191
 192 \nocite{cotton1988}
 193 \nocite{mellor1923}
 194 \nocite{mellor1927}
 195 \nocite{bassam4}
 196
 197 \printbibliography