Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!"

Hannu Alanen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Elektrolyysi MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA, KE4 Monet kemialliset reaktiot ovat palautuvia eli reversiibeleitä. Jo sähkökemian syntyvaiheessa oivallettiin, että on mahdollista rakentaa kahdenlaisia sähkökemiallisia kennoja: - Galvaanisissa kennoissa, spontaani reaktio eli E > 0, voidaan kemiallista energiaa muuttaa sähköksi. - Elektrolyysikennoissa pakotetaan ei-spontaani kemiallinen reaktio eli E < 0 tapahtumaan sähkövirran avulla. Tällöin sähkövirta varastoituu kemialliseksi energiaksi. Määritelmä, elektrolyysi: Elektrolyysi on sähköenergian aikaansaama kemiallinen reaktio. Ts. sähkövirran avulla pakotettu hapettumis-pelkistymisreaktio, jossa ainetta hajotetaan. Elektrolyysikenno koostuu: tasavirtalähteestä, kahdesta elektrodista (metallia tai grafiittia), sähkönjohtimista, sekä elektrolyyttiliuoksesta. Vain yksi astia! Elektrodit voivat olla passiivisia eli inerttejä (grafiitti, platina) tai anodina osallistua hapetus-pelkistysreaktioon (elektrodireaktioon)! Elektrolyyttiliuoksen muodostavat suolan vesiliuos, vahvan hapon/emäksen vesiliuos, suolasulate tai muu ioneina liukenevan aineen liuos. Muista: ionit toimivat liuoksissa varausten kuljettajina! Tarkastellaan galvaanisen kennon vas. ja elektrolyysikennon oik. välisiä eroja, kuvat! Kun elektrolyysikennossa elektrodit on kytketty virtalähteeseen, positiiviset ionit eli kationit siirtyvät kohti negatiivisesti varautunutta elektrodia. Siellä kationit saavat elektronin(eja) ja pelkistyvät. Vastaavasti negatiiviset ionit eli anionit siirtyvät kohti positiivista elektrodia, jossa luovuttavat elektronin(eja) ja hapettuvat. Vaikka napaisuudet menevät kennoissa ristiin, niin muista Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen! 1

Tosin elektrolyytin konsentraatio, liuoksen lämpötila ja ph voivat muuttaa järjestystä. Tarkastellaan erilaisia elektrolyysejä. 1.

2 Galvaanisen kennon ja elektrolyysikennon väliset yhteydet ja eroavaisuudet. Kuten galvaanisissa kennoissa myös elektrolyysikennoissa ionien keskinäinen hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat pääsääntöisesti normaalipotentiaalien mukaisessa järjestyksessä. Tosin elektrolyytin konsentraatio, liuoksen lämpötila ja ph voivat muuttaa järjestystä. Tarkastellaan erilaisia elektrolyysejä. 1. Anodi osana elektrolyysiä: Jos anodimateriaali hapettuu helpommin kuin elektrolyyttiliuoksessa olevat ionit, tapahtuu anodilla anodimateriaalin hapettuminen eli se hajoaa: ionit siirtyvät liuokseen ja elektronit virtapiiriin. Tätä ilmiötä hyödynnetään metallien puhdistuksessa, kun anodi on epäpuhdasta. Anodilla hapettuminen, eli Cu s Cu 2+ aq + 2 e ja katodilla pelkistyminen Cu 2+ aq + 2 e Cu s. Miksi sitten sinkki ja rauta eivät pelkisty? Koska kuparilla on korkeampi pelkistymispotentiaali. OK, entäs Au, Pt, Ag? kuparisulfaattiliuos 2

Huomaa, että metallien pinnoittaminen perustuu elektrolyysiin. (Tätä päästään kokeilemaan labroissa, koulu tosin tarjoaa vain halpoja metalleja.

Syy: kiiltää, kestää kulutusta/korroosiota jne. Nitraatti-ioni toimii piirissä sähköä kuljettavana elektrolyyttinä. Hopealusikat tummuvat eli hapettuvat käytössä, Ag 2 S (ilman sulfidit).

3 Huomaa, että metallien pinnoittaminen perustuu elektrolyysiin. (Tätä päästään kokeilemaan labroissa, koulu tosin tarjoaa vain halpoja metalleja.) Pinnoitettava esine laitetaan katodiksi ja anodiksi valitaan metalli, jolla halutaan esine pinnoittaa. Monet käyttöesineet ovat halpaa materiaalia, jotka sitten päällystetään kalliimmalla. Syy: kiiltää, kestää kulutusta/korroosiota jne. Nitraatti-ioni toimii piirissä sähköä kuljettavana elektrolyyttinä. Hopealusikat tummuvat eli hapettuvat käytössä, Ag 2 S (ilman sulfidit). Mitä mieltä olet ns. kotipuhdistusmenetelmästä, jossa vesiastiaan laitetaan hopeaesineet, alumiinifoliota ja ruokasuolaa? Tuleeko hopeaesineet kiiltävimmiksi? Entä mitä mieltä sivustoista? (luettu , ei toimi ) hopean-puhdistus-kotikonstein.html (luettu ) 1b. Elektrodimateriaalin vaikutus ja metallien puhdistus: Elektrodimateriaali saattaa vaikuttaa, mitä aineita elektrolyysissä syntyy (kuten edellä näimme). Tällaisia elektrodeja kutsutaan aktiivisiksi elektrodi syöpyy ajan myötä. Passiivisia = inerttejä elektrodeja ovat mm. hiili ja platinaelektrodit. Ne eivät siis osallistu elektrolyysireaktioihin. Muista: elektrodimateriaalin osallistumista elektrolyysitapahtumaan hyödynnetään, kun halutaan tuottaa erittäin puhdasta metallia tai pinnoittaa metallia. 3

4 2. Vesiliuoksen elektrolyysi: Joskus alkuaineen valmistus tapahtuu alkuainetta sisältävän suolan vesiliuoksesta. Tällöin pitää huomioida, että pelkistyviä hiukkasia ovat paitsi suolan positiiviset ionit myös veden vety. Vastaavasti hapettuvia hiukkasia on suolan negatiivisten ionien lisäksi veden happi. Eli vesi hajoaa sähkövirran vaikutuksesta kaasuiksi: Osareaktiot: 2 H 2 O l elektrolyysi 2 H 2 g + O 2 g + anodi: hapet. 2 H 2 O l O 2 g + 4 H + aq + 4 e katodi: pelkis. 4 H 2 O l + 4 e 2 H 2 g + 4 OH aq kennoreaktio: 6 H 2 O l 2 H 2 g + O 2 g +4 OH aq + 4 H + aq =4 H 2 O l Mistä sitten tietää mikä hiukkanen pelkistyy ja mikä hapettuu? Riittää tarkastella taulukkokirjan normaalipotentiaaliarvoja. Nimittäin se aine pelkistyy helpoiten, jolla on suurin pelkistymispotentiaali. Vastaavasti se aine hapettuu helpoiten, jolla hapettumispotentiaali on suurin. Tarkennus! Huomaa, että jos kahden aineen potentiaalit ovat melko lähellä toisiaan, niin aineiden konsentraatiot alkavat vaikuttaa syntyy esim. kaasuja, ei kaasua. 4

Natriumsulfaatin vesiliuoksen elektrolyysi. Na + aq + e Na g, E = 2,714 V 2 H 2 O l + 2 e H 2 g + 2 OH aq, E = 0,83 V Vedellä (tarkemmin veden vedyllä) suurempi pelkistymispotentiaali vesi pelkistyy!

5 Natriumsulfaatin vesiliuoksen elektrolyysi. Na + aq + e Na g, E = 2,714 V 2 H 2 O l + 2 e H 2 g + 2 OH aq, E = 0,83 V Vedellä (tarkemmin veden vedyllä) suurempi pelkistymispotentiaali vesi pelkistyy! 2 SO 2 4 aq S 2 O 2 8 aq + 2 e, E = 2,01 V 2 H 2 O l O 2 g + 4 H + aq + 4 e, E = 1,23 V Vedellä (tarkemmin veden hapella) suurempi hapettumispotentiaali vesi hapettuu! Nyrkkisääntö vesiliuosten elektrolyysille: Ne anionit hapettuvat, joiden hapettumisreaktion E on suurempi kuin veden (happi) hapettumisreaktion E = 1,23 V. Ne kationit pelkistyvät, joiden pelkistymisreaktion E on suurempi kuin veden (vety) pelkistymisreaktion E = 0,83 V 5

3. Suolasulatteen elektrolyysi: Kiinteinä suolat eivät johda sähköä (syy: ionit eli sähkövaraukset eivät liiku hilassa). Vasta sulana tai veteen liuenneena ionit liikkuvat.

Kenno on tehty siten, että reaktiotuotteet pysyvät erillään katso kuva.

6 3. Suolasulatteen elektrolyysi: Kiinteinä suolat eivät johda sähköä (syy: ionit eli sähkövaraukset eivät liiku hilassa). Vasta sulana tai veteen liuenneena ionit liikkuvat. Alkali- ja maa-alkalimetallien teollista tuotantoa elektrolyyttisesti tehdään ns. Dow-prosessilla. Siinä grafiitti- ja teräselektrodit ovat inerttejä. Kenno on tehty siten, että reaktiotuotteet pysyvät erillään katso kuva. Sulan magnesiumkloridin MgCl 2 (sulamispiste 708 ) elektrolyysin aikana grafiittianodilla tapahtuu kloridi-ionien hapettuminen kloorikaasuksi 2 Cl l Cl 2 g + 2 e. ja teräskatodilla Mg 2+ -ionien pelkistyminen metalliseksi magnesiumiksi Mg 2+ l + 2 e Mg l. Kirjassa on vielä käyty alumiinin valmistus ja kloorikaasun valmistus ns. kloorialkaliprosessilla. 6

7 Paljonko saadaan tuotetta kvantitatiivinen tarkastelu Faraday tutki elektrolyysiä ja huomasi, että Elektrolyysin aikana anodilla hapettuvan ja katodilla pelkistyvän aineen määrä on suoraan verrannollinen kennon läpi kulkeneeseen sähkövaraukseen. Elektrolyysin aikana kulunut sähkövaraus ja kennon läpi kulkeneiden elektronien ainemäärä saadaan selville mittaamalla elektrolyysiin kulunut aika ja siihen käytetty sähkövirta. Tasavirtaa käytettäessä sähkövaraus on Q = I t (aika ilmoitetaan sekunteina). Kennon läpi kulkeneiden elektronien lukumäärä n e saadaan anodi- tai katodireaktiosta ja näiden elektronien mukanaan kuljettama sähkövarus Q saadaan käyttämällä Faradayn vakiota F = C kaavalla Q = n e F. mol Suljetussa virtapiirissä sähkövaraus säilyy yhdistetään, eli Q = Q, joten I t = n e F. Elektronien lukumäärä n e saadaan selville joko anodireaktion X z X + z e tai katodireaktion M z+ + z e M stoikiometriasta: n e = n X z ja / tai n e = n M z Näin ollen kennossa hapettuneiden ja pelkistyneiden aineiden ainemäärät voidaan laskea yhtälöstä I t = n X/M z F, missä n on hapettuvan tai pelkistyvän ionin ainemäärä ja z varauksen itseisarvo. Esimerkki Sulaa kaliumfluoridia KF elektrolysoidaan 10,0 A:n virralla 2,00 tunnin ajan. a) Kirjoita anodilla ja katodilla tapahtuvat reaktiot. b) Laske elektrolyysin tuottaman kaliummetallin massa. c) Mikä on elektrolyysin tuottaman kloorikaasun tilavuus, kun kaasun lämpötila on 22,3 ja paine on 101 kpa? Ratkaisu a) Reaktioyhtälö on +I I K F l 0 0 K l + ½ F 2 g Anodilla hapettuminen ja katodilla pelkistyminen, siis + anodi: hapettuminen 2 F F 2 + 2e katodi: pelkistyminen K + + e K 7

8 b) Yhtälöä I t = n K z F käyttäen saadaan katodilla pelkistyvän kaliumin ainemäärä. Muista C = As. n K = I t z F josta tuotetun kaliummetallin massa = 10,0 A 2, s As mol m K = n M K = 0, mol 39,10 g mol = 0, mol, = 29, g 29,2 g. c) Edelleen yhtälöstä I t = n F 2 z F saadaan anodilla hapettuvan fluorin ainemääräksi I t 10,0 A 2, s n F 2 = = z F As = 0, mol, mol Kaasujen yleistä tilanyhtälöä pv = nrt käyttäen lasketaan fluorikaasun tilavuus V F 2 = n F 2 RT = 0, mol 8,3145 J 22, ,15 K mol K p Pa = 9, m 3 9,07 l 8

Samankaltaiset tiedostot

Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen

Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen hapetuslukumenetelmällä MATERIAALIT JA TEKNO- LOGIA, KE4 Palataan hetkeksi 2.- ja 3.-kurssin asioihin ja tarkastellaan hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottamista.