Käsitteitä. Hapetusluku = kuvitteellinen varaus, jonka atomi saa elektronin siirtyessä

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Käsitteitä. Hapetusluku = kuvitteellinen varaus, jonka atomi saa elektronin siirtyessä"

Jarkko Väänänen
5 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Sähkökemia

2 Nopea kertaus! Mitä seuraavat käsitteet tarkoittivatkaan? a) Hapettuminen b) Pelkistyminen c) Hapetusluku d) Elektrolyytti e) Epäjalometalli f) Jalometalli

3 Käsitteitä Hapettuminen = elektronin luovuttaminen Pelkistyminen = elektronin vastaanottaminen Hapetusluku = kuvitteellinen varaus, jonka atomi saa elektronin siirtyessä Elektrolyytti = aine, jolla on sähköisiä ominaisuuksia esim. suolan liuotessa veteen Epäjalometalli = metallit jännitesarjassa vedystä vasemmalle Jalometalli = metallit jännitesarjassa vedystä oikealle (eivät reagoi vedyn kanssa)

4 Sähkökemia 1. Hapetus-pelkistysreaktioiden energiaa muutetaan sähköksi galvaaninen kenno 2. Sähköenergiaa käytetään kemiallisten reaktioiden aikaansaamiseksi (elektrolyysi) elektrolyysi Sähkökemiaa arjessa: Akut ja paristot Ruostuminen

5 Sähkökemiallinen jännitesarja Metallit ovat järjestetty epäjaloimmasta metallista kaikista jaloimpaan metalliin Vetyä käytetään rajamerkkinä epäjalojen ja jalojen metallien välissä Epäjalot metallit hapettuvat helposti Jalot metallit pelkistyvät helposti

6 Sähkökemiallinen jännitesarja Sarjan avulla voidaan päätellä hapettuva ja pelkistyvä reaktion komponentti Epäjalompi hapettuu ja jalompi pelkistyy Mikäli reaktio ei ole energeettisesti mahdollinen, niin reaktiota ei tapahdu Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au <-- Epäjalot metallit Jalot metallit -->

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

8 Vastaus Alumiini-ioni hapettaa kullan Ei ole mahdollinen, koska kulta on jalompi kuin alumiini Alumiini-metalli pelkistää kulta-ionin Mahdollinen Sinkki-ioni ja metallinen rauta reagoivat Ei ole mahdollinen, koska rauta on jalompi kuin sinkki. Sinkin olisi ionina pelkistyttävä! Kupari pelkistää hopea-ionin Mahdollinen, koska hopea on jalompi kuin kupari

9 Spontaani hapetus-pelkistysreaktio Eksotermisessä hapetus-pelkistysreaktiossa vapautuu energiaa Esimerkiksi Galvaanisessa kennossa pyritään muuttamaan tällaisen hapetus-pelkistysreaktion vapauttama energia sähköenergiaksi

10 Galvaaninen kenno Tarvitaan epäjalo (hapettuva) ja jalompi metalli (pelkistyvä), jotka reagoivat keskenään spontaanisti Jotta sähköparin energiaa voidaan hyödyntää, niin elektronien tulee siirtyä hapettuvalta aineelta pelkistyvälle aineelle ulkoista johdinta pitkin (sähkövirta)

11 Daniellin pari Yksinkertaisin galvaaninen kenno Sinkkisauva (Zn) sinkki-ioneja (Zn 2+ ) sisältävässä liuoksessa Kuparisauva (Cu) kupari-ioneja (Cu 2+ ) sisältävässä liuoksessa Sauvat ovat yhdistetty johtimella Liuosten välissä on suolasilta

12 Daniellin pari

13 Tehtävä Kumman elektrodin massa kasvaa Daniellin parissa? Mihin suuntaan elektronit kulkevat? Mihin suuntaan kationit kulkevat? Vinkki: Cu jalompi kuin Zn

14 Vastaus Kumman elektrodin massa kasvaa? Kupari, 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

15 Elektrodit Elektrodit nimetty katodiksi ja anodiksi Katodi pelkistyy aina Anodi hapettuu aina Galvaanisessa kennossa katodi on positiivisesti varautunut ja anodi negatiivisesti (huomaa elektrolyysikennossa päinvastoin) Elektronit liikkuvat kohti vastakkaismerkkistä varausta eli galvaanisessa kennossa kohti katodia

16 Puolireaktiot Puolireaktio = toisella puolikennolla tapahtuva reaktio Toinen puolireaktioista on hapetusreaktio ja toinen pelkistysreaktio Kokonaisreaktio = puolireaktiot yhdistettynä (elektronit supistuvat pois)

17 Daniellin pari Puolireaktiot: Katodi(+): Cu 2+ aq + 2 e Cu (s) Anodi(-): Zn s Zn 2+ aq + 2 e Kokonaisreaktio: Zn s + Cu 2+ aq Zn 2+ aq + Cu (s)

18 Kennokaavio Puolireaktiot voidaan myös yhdistää yhteen lausekkeeseen, jota kutsutaan kennokaavioksi Tällöin ei merkitä elektroneja näkyviin, eikä reaktioita tasapainoteta (muista elektrodien varaukset) Esim. Daniellin pari: - Zn (s) I ZnSO 4 (aq) II CuSO 4 (aq) I Cu (s) +

19 Kennokaavion kirjoittaminen 1. Merkitään negatiivinen elektrodi 2. Merkitään rajapintaa (faasiraja) pystyviivalla 3. Merkitään negatiivisen elektrodin elektrolyyttiliuoksen ioniyhdiste tai ioni 4. Merkitään suolasiltaa kahdella viivalla 5. Merkitään positiivisen elektrodin elektrolyyttiliuoksen ioniyhdiste 6. Rajapinta pystyviivalla 7. Merkitään positiivinen elektrodi - Zn (s) I ZnSO 4 (aq) II CuSO 4 (aq) I Cu (s) +

20 Galvaanisen kennon jännite Lähdejännite Sähkökemiallisen parin katodin ja anodin välinen jännite (Galvaanisessa kennossa positiivinen) Normaalipotentiaali Tietyn hapetus-pelkistysreaktion potentiaali, joka saadaan vertaamalla normaalivetyelektrodiin

21 Normaalivetyelektrodi Kiinteä elektrodi on platinaa Elektrolyyttiliuoksena 1,0 M HCl liuosta Elektrodin pinnalle johdetaan vetykaasua H 2, jonka paine on 101,325 kpa ja lämpötila 298,15K Platina elektrodi on hyvä esimerkki inertistä elektrodista, jota voidaan käyttää pelkistyneen aineen ollessa kaasumainen Huomioitava kirjoittaessa kennokaaviota!

22 Normaalivetyelektrodi 1. Platinalevy 2. Vetyvirtaus 3. Liuos, jossa H + 4. Vesilukko, joka estää hapen pääsyn elektrodin sisään 5. Yhteys mitattavaan sähkökemialliseen kennnoon

23 Normaalivetyelektrodi Kennoreaktiot: Katodi(+): 2 H + aq + 2 e aq H 2 g Anodi(-): H 2 g 2 H + aq + 2 e aq Elektrodi voi siis toimia sekä anodina että katodina! Normaalivetyelektrodin potentiaaliksi on sovittu 0,00 V

24 Normaalipotentiaali Normaalivetyelektrodin avulla lasketut normaalipotentiaalit määräävät sähkökemiallisen metallien jännitesarjan järjestyksen Jos normaalipotentiaali (pelkistysmispotentiaali) on negatiivinen, toimii kyseinen metalli normaalivetyelektrodin seurassa negatiivisena kohtiona eli anodina Metalli on tällöin jännitesarjassa vedyn vasemmalla puolella

25 Normaalipotentiaali Jos normaalipotentiaali on positiivinen, metalli toimii positiivisena kohtiona eli katodina Metalli on tällöin jännitesarjassa vedyn oikealla puolella Normaalipotentiaalitaulukoissa ilmoitetaan aina pelkistymisreaktion potentiaali Hapetusreaktion potentiaalin merkki on vastakkainen!

26 Lähdejännite E = E hapetusreaktio + E pelkistysreaktio Tärkeää: Muista kääntää etumerkki, kun muutat pelkistysreaktion potentiaalin hapetusreaktion potentiaaliksi Normaalipotentiaali ei muutu, vaikka reaktiota jouduttaisiin kertomaan kokonaisreaktioyhtälöä muodostaessa!

27 Lähdejännite E = E hapetusreaktio + E pelkistysreaktio Galvaanisessa kennossa lähdejännitteen täytyy olla positiivinen, jotta reaktio tapahtuu Elektrolyysissä lähdejännite voi olla negatiivinen

28 Tehtävä Reaktiot (25 C) E/V 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) Ag + (aq) + e - -> Ag(s) 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) +

29 Vastaus a) Osareaktiot: Katodi(+): Cu 2+ aq + 2 e Cu (s) V = 3,04V Anodi(-): Li s Li + aq + e V = 0,34V Anodireaktio kerrottava kahdella, jotta elektronit supistuvat! Kokonaisreaktio: Cu 2+ aq + 2 Li s 2 Li + aq + Cu s E = E hapetusreaktio + E pelkistysreaktio = 3,04V + 0,34V = +3,38 V

30 Vastaus b) Osareaktiot: Katodi(+): Ag + aq + e Ag (s) V = 0,80V Anodi(-): Cu s Cu 2+ aq + 2 e V = -0,34V Kerrotaan hopean reaktio kahdella Kokonaisreaktio: 2 Ag + aq + Cu s 2 Ag s + Cu 2+ E = E h + E p = 0,46V

31 Sähkökemiallinen korroosio Metallit voivat syöpyä ympäristön vaikutuksesta Usein happi reagoi ilmassa metallin kanssa, jolloin pinnalle muodostuu metallioksidia. Etenkin raudan ruostuminen on taloudellinen ongelma.

32 Raudan ruostuminen Rauta hapettuu ja toimii samalla sekä katodina että anodina Elektrolyyttinä toimii vety, joka pelkistyy Reaktiot: Fe s Fe 2+ aq + 2 e O 2 aq + 2 H 2 O l + 4 e 4 OH aq Fe 2+ aq + 2 OH aq Fe OH 2 aq Fe 2 O 3 s

Korroosion estäminen Seuraavilla tekijöillä voidaan estää korroosiota: Esine päällystetään epäjalommalla metallilla Maalikerros Metallin öljyäminen tai

33 Korroosion estäminen Seuraavilla tekijöillä voidaan estää korroosiota: Esine päällystetään epäjalommalla metallilla Maalikerros Metallin öljyäminen tai pinnoitus muovilla Uhrianodi (laivat) Mihin kyseiset menetelmät perustuvat? Joko estetään hapen kosketus metalliin tai annetaan vaihtoehtoinen hapettumisen kohde

34 Vinkit pääsykokeeseen Aineiden ominaisuuksien ymmärtäminen normaalipotentiaalien ja jännitesarjan avulla Osareaktioiden, kokonaisreaktioiden ja kennokaavion kirjoittaminen Potentiaalin laskennallinen tarkastelu

Samankaltaiset tiedostot

Sähkökemia. Sähkökemiallinen jännitesarja, galvaaninen kenno, normaalipotentiaali

Sähkökemia. Sähkökemiallinen jännitesarja, galvaaninen kenno, normaalipotentiaali Sähkökemia Sähkökemiallinen jännitesarja, galvaaninen kenno, normaalipotentiaali Esimerkki 1 Pohdi kertauksen vuoksi seuraavia käsitteitä a) Hapettuminen b) Pelkistin c) Hapetusluku d) Elektrolyytti e)