Sähkökemia. Sähkökemiallinen jännitesarja, galvaaninen kenno, normaalipotentiaali

Transkriptio

1 Sähkökemia Sähkökemiallinen jännitesarja, galvaaninen kenno, normaalipotentiaali

2 Esimerkki 1 Pohdi kertauksen vuoksi seuraavia käsitteitä a) Hapettuminen b) Pelkistin c) Hapetusluku d) Elektrolyytti e) Epäjalometalli f) Jalometalli

3 Sähkökemia Hapetus-pelkistysreaktioiden energiaa muutetaan sähköksi tai sähköenergiaa käytetään kemiallisten reaktioiden aikaansaamiseksi Sähkökemia jokapäiväisessä elämässä: akut ja paristot (galvaaninen kenno), kloorikaasun valmistus, metalliesineiden pinnoitus (elektrolyysi), ruostuminen (metalli hapettuu sähkökemiallisesti)

4 Metallien sähkökemiallinen jännitesarja Metallit on laitettu järjestykseen epäjaloimmasta jalompaan metalliin Vety on epäjalojen ja jalojen metallien rajana Vetyhän on epämetalli itsessään... Mitä epäjalompi metalli, sitä helpommin se hapettuu, eli luovuttaa elektroneja Mitä jalompi metalli, sitä helpommin se pelkistyy, eli vastaanottaa elektroneja (muuttuu ionista atomiksi)

5 Metallien sähkökemiallinen jännitesarja Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au <-Epäjalot metallit Jalot metallit-> Sarjan avulla voidaan päätellä, mikä reaktiokomponenteista pelkistyy ja, mikä hapettuu Epäjalompi pelkistää jalomman ja hapettuu samalla itse. Jos se ei ole mahdollista, reaktiota ei tapahdu Jalompi ei voi pelkistää epäjalompaa!

6 Esimerkki 2 Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au <-Epäjalot metallit Jalot metallit-> Voiko reaktio tapahtua? Perustele a) Alumiini-ioni hapettaa kultaa? b) Alumiini-metalli pelkistää kulta-ionin? c) Sinkki-ioni ja metallinen rauta reagoivat d) Kupari pelkistää hopea-ionin

7 Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au Ei. Koska kulta on jalompi kuin alumiini, se ei voi hapettua Kyllä. Ei. Rauta on jalompi ja jo alkuainemuodossa Kyllä. Vaikka sekä kupari, että hopea ovat jalometalleja, hopea on silti jalompi, jolloin se voi pelkistyä.

8 Spontaani hapetuspelkistysreaktio Kun reaktio on eksoterminen, sen tapahtuessa vapautuu energiaa Reaktio on spontaani, kun lämpötila, entalpia ja entropia ovat suotuisat (Gibbsin energia) Esimerkiksi epäjalon metallin ollessa jalomman metallin ioneja sisältävässä vesiliuoksessa, epäjaloa metallia ionisoituu ja jaloa metallia kertyy epäjalon metallin pinnalle. Eksotermisten hapetuspelkistysreaktioiden kemiallista energiaa pystytään muuttamaan Galvaanisen kennon avulla sähköenergiaksi

9 Galvaaninen kenno Jotta sähköparin energiaa voidaan hyödyntää, elektronit siirtyvät hapettuvalta aineelta pelkistyvälle aineelle ulkoista johdinta pitkin Pyritään muodostamaan järjestelmä, jossa kulkee sähkövirta, eli elektronit liikkuvat tiettyyn suuntaan. Tähän tarvitaan epäjalompi ja jalompi metalli, jotka reagoivat spontaanisti.

10 Daniellin pari Yksinkertaisin Galvaaninen kenno on kuvassa näkyvä Daniellin pari Sinkkisauva sinkkiioniliuoksessa Kuparisauva kupari-ioneja sisältävässä liuoksessa. Sauvat yhdistetty johtimilla Liuosten välissä suolasilta

11 Daniellin pari Kumman massa kasvaa kuparin vai sinkin? Kuparin, koska se on jalompi metalli. Näin ollen sinkkimetallia hapettuu sinkki-ioneiksi ja kupari-ioneja pelkistyy kuparimetalliksi Mihin suuntaan elektronit kulkevat? Sinkki-elektrodilta kohti kupari-elektrodia Mihin suuntaan kationit kulkevat? Suolasiltaa pitkin sinkkiliuoksesta kupariliuokseen.

12 Anodi ja katodi Toinen elektrodeista toimii katodina ja toinen anodina Anodilla tapahtuu hapettuminen ja katodilla pelkistyminen Daniellin parissa anodi on sinkkisauva ja katodi on kuparisauva Anodi on Galvaanisessa kennossa epäjalompi ja katodi jalompi Anodi on Galvaanisessa kennossa negatiivinen ja katodi positiivinen. Huom! Merkit ovat vastakkaiset elektrolyysikennossa.

13 Kohtioiden positiivisuus/ negatiivisuus Galvaanisessa kennossa tuotetaan sähköenergiaa kemiallisen energian avulla. Elektrolyysissä tilanne on toisinpäin. Älä siis sovella näitä merkkisääntöjä elektrolyysiin. Elektrolyysi-PANKki Muistisääntö ELEKTROLYYSIN elektrodien merkkeihin Positiivinen Anodi Negatiivinen Katodi Galvaanisessa kennossa siis toisinpäin!

14 Anodilla tapahtuu hapettuminen Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - Elekronit lähtevät vaeltamaan elektrodia pitkin katodille -> anodi on negatiivinen kohtio Katodilla tapahtuu pelkistyminen Cu 2+ (aq)+2e - Cu(s) Katodi on siis positiivinen kohtio, jonne elektronit vaeltavat.

15 Puolireaktiot Puolikenno= kennon anodinen tai katodinen puoli Puolireaktio= toisella puolikennolla tapahtuva reaktio Toinen puolireaktioista on hapetusreaktio ja toinen pelkistysreaktio Daniellin kennon puolireaktiot: Katodireaktio Cu 2+ (aq)+2e - (aq) Cu(s) Anodireaktio Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - (aq)

16 Kennokaavio Puolireaktiot voidaan myös yhdistää yhteen lausekkeeseen. Tällöin ei merkata elektroneja näkyviin, eikä reaktiota tasapainoteta Daniellin parin kennokaavio - Zn(s) I ZnSO 4 (aq) II CuSO 4 (aq) I Cu (s) + 1. Merkataan negatiivinen elektrodi 2. Merkataan rajapintaa pystyviivalla 3. Merkataan negatiivisen elektrodin elektrolyyttiliuoksen ioniyhdiste tai ioni, jos yhdistettä ei kerrota 4. Merkataan suolasiltaa kahdella viivalla 5. Merkataan positiivisen elektrodin elektrolyyttiliuoksen ioniyhdiste 6. Rajapinta pystyviivalla 7. Merkataan positiivinen elektrodi

17 Esimerkki 3 Muodosta puolireaktiot ja kennokaavio seuraaville Galvaanisille kennoille a) Elektrodi 1 on hopeaa ja elektrolyysiliuos hopeanitraattia. Elektrodi 2 on rautaa ja elektrolyyttiliuos rauta(ii)nitraattia. Astioita yhdistää suolasilta b) Elektrodi on 1 on kaliumia elektrolyyttiliuos kaliumnitriittiä. Elektrodi 2 on kalsiumia ja elektrolyysiliuos kalsiumnitriittiä

18 Ratkaisu a) Koska hopea on rautaa jalompi metalli, hopea-ionit pelkistyvät ja kiinteää rautaa hapettuu. Hopea on siis positiivinen kohtio ja rauta negatiivinen. - Fe(s) I Fe(NO 3 ) 2 (aq) II AgNO 3 (aq) I Ag(s) + b) Koska kalsium on kaliumia jalompi metalli, kalsium-ionit pelkistyvät ja kiinteää kaliumia hapettuu. Kalsium on positiivinen kohtio ja kalium negatiivinen. - K(s) I KNO 2 (aq) II Ca(NO 2 ) 2 (aq) I Ca(s) +

19 Sähkökemiallisen parin jännite Kun sähkökemiallisen parin avulla muodostettuun virtapiiriin liitetään mukaan jännitemittari, pystytään mittaamaan anodin ja katodin välinen jännite-ero lähdejännite Jännitteeseen vaikuttavat elektrolyyttiliuosten konsentraatiot, lämpötila ja kohtiomateriaali erilaisia pareja ja lähdejännitteitä on hyvin suuri määrä. Jotta pystyisimme laskemaan jonkun tietyn sähkökemiallisen parin välisen jännitteen, normaalipotentiaalin, tarvitsemme vertailukohtion. Tähän käytetään normaalivetyelektrodia.

20 Normaalivetyelektronin ominaisuudet Itse elektrodi on platinaa Elektrolyyttiliuos on 1,0M HClliuosta Elektrodin pinnalle on johdettu vetykaasua, jonka paine on 101,325kPa ja lämpötila 298,15K Standardivetyelektrodin rakenne. 1. Platinalevy 2. Vetyvirtaus 3. Liuos, jossa vetyionien aktiivisuus on 1M 4. Vesilukko, joka estää hapen pääsyn elektrodin sisään 5. Yhteys mitattavaan sähkökemialliseen kennoon

21 Normaalivetyelektronin ominaisuudet Mahdolliset kennoreaktiot normaalivetyelektrodilla 2 H + (aq)+2e - (aq) H 2 (g) H 2 (g) 2H + (aq)+ 2e - (aq) Elektrodi voi siis toimia sekä anodina, että katodina. Normaalivetyelektrodin potentiaaliksi on sovittu 0,00V. Standardivetyelektrodin rakenne. 1. Platinalevy 2. Vetyvirtaus 3. Liuos, jossa vetyionien aktiivisuus on 1M 4. Vesilukko, joka estää hapen pääsyn elektrodin sisään 5. Yhteys mitattavaan sähkökemialliseen kennoon

22 Normaalipotentiaalit sähkökemiallinen jännitesarja Normaalivetyelektrodin avulla lasketut lähdejännitteet määräävät sähkökemiallisen jännitesarjan järjestyksen. Mikä vaikuttaa alkuaineen pelkistymiskykyyn? Orbitaalirakenne, etenkin ulkokuori Jos normaalipotentiaali on negatiivinen, toimii kyseinen metalli normaalivetyelektrodin seurassa negatiivisena kohtiona, eli anodina. Metalli sijoittuu sarjassa vedyn vasemmalle puolelle Tällöin metalli hapettuu ja normaalivetyelektrodilla tapahtuu pelkistyminen reaktiolla 2 H + (aq)+2e - (aq) H 2 (g)

23 Normaalipotentiaalit sähkökemiallinen jännitesarja Jos normaalivetypotentiaali on positiivinen, metalli toimii positiivisena kohtiona, eli katodina. Metalli sijoittuu sarjassa vedyn oikealle puolelle Tällöin metalli pelkistyy ja normaalivetyelektrodilla tapahtuu hapettuminen reaktiolla H 2 (g) 2H + (aq)+ 2e - (aq) Normaalipotentiaalitaulukoissa on aina ilmoitettu pelkistymisreaktion potentiaali. Hapetusreaktion potentiaalin etumerkki on vastakkainen. Normaalivetyelektrodin avulla mitattuja normaalipotentiaaleja käytetään sähkökemiallisen parin aiheuttaman jännitteen laskemiseen standardiolosuhteissa.

24 Lähdejännitteen kaava E = E hapetusreaktio + E pelkistysreaktio Muista kääntää etumerkki, kun muutat pelkistysreaktion potentiaalin hapetusreaktion potentiaaliksi!! Normaalipotentiaali ei muutu, vaikka reaktiota jouduttaisiin kertomaan kokonaisreaktioyhtälöä muodostettaessa

25 Esimerkki 4 Reaktio E/V (25 C) Li + (aq) + e - -> Li(s) K + (aq) + e - -> K(s) Ca 2+ (aq) + 2e - -> Ca(s) Pb 2+ (aq) + 2e - -> Pb(s) Fe 3+ (aq) + 3e - -> Fe(s) H + (aq) + 2e - -> H 2 (g) 0.00 Cu 2+ (aq) + 2e - -> Cu(s) 0.34 Ag + (aq) + e - -> Ag(s) 0.80 Mikä on parin lähdejännite ja kokonaisreaktioyhtälö? a) - Li(s) I Li + (aq) II Cu 2+ (aq) I Cu(s) + b) Cu(s) I Cu 2+ II Ag + (aq) I Ag(s) +

26 Ratkaisu a) Li(s) Li + (aq) +e - (aq) V=3,04V Cu 2+ (aq)+2e - Cu(s) V=0,34V Kerrotaan litiumin reaktio kahdella 2Li(s)+Cu 2+ (aq) 2Li + (aq)+cu(s) E = E hapetusreaktio + E pelkistysreaktio =3,04V+0,34V=+3,38V b) Cu(s) Cu 2+ (aq)+2e - (aq) V=-0.34V Ag + (aq)+e - (aq) Ag(s) V=0.80V Kerrotaan hopean reaktio kahdella Cu(s) +2Ag + (aq) Cu 2+ (aq)+2ag(s) E = E h +E p = 0,46V

27 Esimerkki 5 Sydämentahdistimen tarkoituksena on pitää potilaan sydämen rytmi säännöllisenä. Akkuna käytetään litiumjodikennoa, joka kestää lataamatta vuotta. Litium toimii anodina ja katodina toimii jodi. Elektrolyyttinä on poly-2-vinyylipyridiini. Kirjoita kennoreaktio, kokonaisreaktioyhtälö ja laske lähdejännite. Litiumin pelkistymispotentiaali on -3,04V ja jodin 0,54V.

28 Ratkaisu - Li Li + I 2 I - + Li Li + +e - Kerrotaan kahdella I 2 +2e - 2I - 2Li +I 2 2Li + +2I - E = E hapetusreaktio + E pelkistysreaktio =3,04V+0,54V=3,6V