Värden för elektronegativiteter och valenselektroner hos de ämnen som ingick I laborationen:
|
Elektronegativitet1 |
Antal valenselektroner2 |
Jod |
2,5 |
7 |
Zink |
1,6 |
2 |
Väte |
2,1 |
1 |
Syre |
3,5 |
6 |
Värden för massa, molmassa och substansmängd för den jod och zink VI hade före reaktionen:
m(I2): 0,300 g
M(I2):
n(I2):
m(Zn): 0,200 g
M(Zn): 65,4 g/mol
n(Zn):
Vattnets massa mättes aldrig och dessa värden kan därför inte beräknas för vatten. För att kunna göra fler beräkningar bör VI vid nästa laboration tänka på att mäta även vattnets massa och volym.
Det är tydligt att någon form av kemisk reaktion skedde när avjonat vatten tillsattes i zink- och jodblandningen, eftersom det skedde en gasutveckling. Den violetta gas som kunde observeras var förmodligen jodgas, då jod i gasform är lila.3 Jod i grundform består av två jodatomer som är bundna till varandra med opolära kovalenta bindningar. Eftersom jodatomer har 7 valenselektroner delar de två atomerna i en molekyl lika på en valenselektron så att de uppfyller oktettregeln och uppfattar att de har 8 valenselektroner var. Mellan jodmolekylerna är det van der Waalsbindningar och eftersom dessa bindningar är väldigt svaga övergår jod lätt till gasform. Detta gör att jod lätt sublimerar (övergår direkt från fast form till gasform) även vid lägre temperaturer än 184 grader Celsius, vilket är kokpunkten för jod.
Vid reaktionen frigjordes energi i form av värme. Detta kunde vi märka genom att bägaren blev varm och genom att joden sublimerade mer än vid rumstemperatur. Reaktionen som skedde måste alltså vara exotermisk vilket innebär att man får ut mer energi när de nya bindningarna skapas än när bindningarna i de gamla bindningarna bryts. Allt i naturen strävar efter en så låg energinivå som möjligt för att bli stabilare. Ju mer energi som frigörs vid en reaktion, desto lägre energinivå kommer det nya ämnet att få. Mest exotermisk borde en reaktion mellan jod och zink vara, eftersom vi redan från början har dessa ämnen i grundform och därför inte behöver bryta några bindningar. Det är därför troligt att det ämne som bildades i bägaren vid reaktionen var zinkjodid (ZnI2). Anledningen till att två jodatomer binder med en zinkatom är för att zink vill bli av med sin två valenselektroner och varje jodatom bara vill ta upp en valenselektron. En reaktion mellan jod och zink är en redoxreaktion där zink oxideras och oxidationstalet höjs från 0 till +II samtidigt som jod reduceras och oxidationstalet sänks från 0 till –I enligt reaktionerna nedan.
Oxidation: 
Reduktion: 
Redoxreaktion: 
Bildningsentalpin för ZnI2 är -208,0 kJ/mol. Detta innebär att för varje mol zinkjodid som bildas från grundämnena Zn och I2 frigörs 208,0 kJ energi i form av värme, vilket i sin tur betyder att reaktionen är exotermisk.
Vi vet att vi hade 0,0012 mol I2 och 0,0031 mol zink innan reaktionen startade. Eftersom ett mol I2 är ekvivalent med ett mol Zn och ett mol ZnI2 skulle det som mest kunna bildas 0,0012 mol zinkjodid av reaktionen, då joden inte räcker till att bilda en större mängd zinkjodid.
m(ZnI2):
M(ZnI2):
n(ZnI2): 0,00120 mol
Q:
Om all jod reagerade med zink skulle alltså ca 0,4 g zinkjodid bildas och ca 250 J värmeenergi skulle frigöras. Om detta var fallet skulle det finnas kvar 0,0019 mol ren zink efter reaktionen eftersom endast 0,0012 av de från början 0,0031 molen zink skulle ha reagerat.
I vårt fall kan vi dock inte veta hur mycket zinkjodid som bildades och hur mycket zink det fanns kvar i grundform efter reaktionen. Vi kan inte heller vara säkra på hur mycket energi som frigjordes under reaktionen. Detta beror på att en del av joden blev till jodgas på grund av temperaturhöjningen under reaktionen. Jodgasen lämnade bägaren och kunde därmed inte reagera med zinken för att bilda zinkjodid. Eftersom vi inte mätte hur mycket jod som försvann iväg i form av gas och inte heller vägde hur mycket zinkjodid som bildades i bägaren av reaktionen kan vi inte ta reda på dessa saker. Det vi kan veta är att det kommer att finnas kvar mer än 0,0019 mol zink i bägaren eftersom mindre zink har möjlighet att reagera med jod. Det är därför troligt att de svarta små bitarna som kunde observeras i bägaren efter reaktionen var zink i grundform som inte reagerat. Vi kan också veta att det kommer att frigöras mindre än 250 J energi då zinkjodiden bildas eftersom vi får ut en mindre mängd av ämnet. Till nästa laboration kan det vara bra att tänka på att väga slutprodukten av en reaktion för att kunna göra fler och säkrare beräkningar.
Min slutsats blir att den första delen av min hypotes, att det bildas zinkjodid, verkar stämma. Att det sedan skulle bildas vätgas och zinkoxid verkar inte troligt. Om vi räknar på entalpiförändringen måste vi tänka oss att zinkjodiden görs om till grundämnen igen för att sedan kunna reagera med vattnet. Detta skulle kräva precis lika mycket energi som vi fick ut av att bilda zinkjodiden och båda reaktionerna skulle därför vara helt onödiga.
Det skulle däremot kunna vara möjligt att det bildas zinkoxid, vätgas och jodgas från början, utan att det först blir zinkjodid. Bildningsentalpin för vatten är -286 kJ/mol vilket innebär att man måste tillföra 286 kJ för att få ett mol vatten att bilda 1 mol H2 och 0,5 mol O2. Man har då väte i grundform som kan bilda vätgas om energi tillförs. Med syret kan man tillsammans med zink bilda zinkoxid vars bildningsentalpi är 348 kJ/mol. Joden är fortfarande kvar i grundform och kan liksom vätet bilda gas om energi tillförs.
Från reaktionen får man ut 62 kJ värmeenergi per mol. Eftersom detta är ett mindre värde än för zinkjodid är det dock inte så troligt att denna reaktion sker, då det ger ett högre energitillstånd och skulle bilda mindre jodgas. Den andra delen av min hypotes verkar alltså inte stämma, bortsett från det faktum att det bildas jodgas. Den fullständiga reaktionen som sker under laborationen skulle kunna se ut ungefär såhär:
Fullständig reaktion:
När vi endast blandade zinken och joden skedde ingen reaktion. Det beror på att det krävs en viss mängd aktiveringsenergi för att sätta igång en reaktion, även om den är exotermisk. Bara rumstemperaturen räcker inte som aktiveringsenergi, men om man tillsätter vatten startar genast reaktionen. Vattnet fungerar som en katalysator som sänker behovet av aktiveringsenergi. Detta gör att rumstemperaturen nu räcker till för att sätta igång reaktionen, och när den väl satts igång fortsätter den av sig själv. Anledningen till att vattnet sänker aktiveringsenergin är förmodligen att det även i avjonat vatten finns joner på grund av vattnets autoprotolys. Vattenmolekylerna reagerar hela tiden med varandra och bildar oxoniumjoner och hydroxidjoner. Detta sker eftersom vatten är en amfolyt och därmed kan fungera både som syra och bas. Vatten kan alltså både ge ifrån sig och ta upp vätejoner (protoner).
Denna reaktion går fram och tillbaka hela tiden och gör att det alltid finns en del joner i vatten. Eftersom lösningar med joner i leder ström kan elektroner nu lättare transporteras från zinken till joden och få de två ämnena att reagera med varandra.
Skillnaden i elektronegativitet mellan zink och jod är 0,9. Joden borde alltså inte kunna dra till sig elektronen från zinken helt och hållet för att bilda joner eftersom skillnaden i elektronegativitet är lägre än 1,7. Istället borde det bildas polära kovalenta bindningar där valenselektronerna är något förskjutna mot joden. Alla observationer under laborationen tydde dock på att zinkjodid är en jonförening. Ett exempel är att en vattenlösning av ämnet leder ström, vilket betyder att det måste finnas joner i lösningen. När vattnet hade avdunstat såg vi också att zinkjodid är ett salt och salter består alltid av positiva och negativa joner. Ämnet löser sig dessutom lätt i vatten vilket är typiskt för salter. Min slutsats blir därför att det är elektronerna övergår helt från zinken till joden och att de binds ihop av den elektriska kraft som verkar mellan två atomer med olika laddning, dvs. en jonbindning. Zinkjodid måste alltså vara ett undantag från regeln att skillnaden i elektronegativitet måste vara större än 1,7 och helst större än 2,1 för att det ska bli en jonbindning.
Zinkjodiden som bildas vid reaktionen har helt andra egenskaper än de ursprungliga ämnena. Varken zink eller jod löser sig speciellt bra i vatten eftersom ämnena är opolära och vatten är ett polärt lösningsmedel. Enligt principen att ”lika löser lika” löser sig endast polära ämnen i polära lösningsmedel. Eftersom zinkjodid är en jonförening är den polär med positiva zinkjoner och negativa jodidjoner. Detta gör att vattenmolekyler sätter sig runt zinkjoner med den negativt laddade delen mot zinkjonen och jon-dipolbindningar bildas. Samma sak händer med jodidjonerna men nu vänds den positiva delen av dipolen mot jonerna. Anledningen till att lösningen får en gulaktig färg är att jod blir gult när det löser sig i vatten.
FELKÄLLOR
ELEKTROLYS
1 Formler och tabeller
2 Formler och tabeller
3 http://www.ne.se/lang/jod/216325 2012-06-11