Tehtäviä sähkökemiasta

Transkriptio

1 Tehtäviä sähkökemiasta 1. Millainen on sähkökemiallinen jännitesarja? Mitä sen avulla voidaan kuvata? Jännitesarjalla kuvataan metallien taipumusta muodostaa kemiallisia yhdisteitä. Metallit on järjestetty pienenevän hapettumiskykynsä mukaisesti, toisin sanoen litium hapettuu paljon helpommin kuin platina. Tämän johdosta jänniterajan avulla voidaankin ennustaa, tapahtuuko tietyn metallin ja jonkin toisen metallin ionien välinen hapettumis-pelkistymisreaktio. Atomimuodossa oleva epäjalompi metalli pelkistää ionimuodossa olevan jalomman metalli-ionin atomiksi. Joten esimerkiksi alumiini kykenee pelkistämään jokaisen sen jälkeen tulevan metallin ionin alkuaineatomiksi. Jännitesarjassa esiintyvä epämetalli vety jakaa metallit epäjaloihin ja jaloihin. Epäjalot metallit hapettuvat happoliuoksissa vetyä vapauttaen. Jalometallit puolestaan hapettuvat vain ns. hapettavilla hapoilla (esim. typpihappo) Epäjaloja metalleja on huomattavasti enemmän kuin jalometalleja. Menetelmä, jolla metalli voidaan eristää luonnossa esiintyvistä eli malmeista, riippuu metallin sijainnista jännitesarjassa. Nimitys jännitesarja tulee siitä, että kahden eri metallin välillä on varausero eli jännite, joka saa aikaan sähkövirran. Jos upotetaan kaksi eri metallia sähköä johtavaan liuokseen, havaitaan niiden välillä jännite. Mitä kauempana metallit ovat jännitesarjassa toisistaan, sitä suurempi metallien välinen jännite on. 2. Mitä eroa on galvaanisella ja elektrolyysikennolla? Galvaaninen kenno on kemiallinen systeemi, jossa kemiallista energiaa muuttuu sähköenergiaksi ilman välivaiheita siten, että tätä sähköenergiaa voidaan käyttää työn suorittamiseen. Galvaaninen kenno on siis jännitelähde, joka tuottaa sähkövirtaa elektrodien pinnalla tapahtuvien hapetuspelkistysreaktioiden avulla. Tämä kenno on vastakohta elektrolyysikennolle, jossa hapetuspelkistysreaktiot ovat puolestaan pakotettuja ja systeemissä on kytketty elektrodien välille ulkoinen jännitelähde.

2 3. Miten normaalipotentiaalit liittyvät lähdejännitteeseen? Sähköparin tuottaman jännitteen määrää perimmiltään ne metallit, jotka sähköparin muodostavat. Suolasillassa vastaavasti huono seos voi heikentää virtaa. Daniellin kennon tyypisellä kytkennällä saamme metallien A ja B välille laskettua jännitteen normaalipotentiaaleista. Potentiaalien pohjalta päätellään, kumpi metalleista hapetuu ja kumpi pelkistyy. 4. Miten kuparia valmistetaan? Esitä prosessin päävaiheet. Lähde: Kuparin erottamisessa malmista on olemassa joukko monivaiheisia prosesseja, joissa käytetään pasuttamista tai hydrometallurgisia ja pyrometallurgisia prosesseja. Yksinkertaisin tapaus on sellainen rikas kuparimalmi, jossa kupari esiintyy pelkkänä kuparina. Malmi on ensin esirikastettu %:seksi, ja sen jälkeen sitä sulatetaan lieskauuneissa ja saatu raaka kupari puhdistetaan sulattamalla sitä uudelleen. Kuparin erottaminen muun tyyppisistä malmeista on edelliseen verrattuna teknisesti selvästi monimutkaisempaa. Köyhistä oksidi- ja karbonaattipitoisista kuparimalmeista kupari usein erotetaan hydrometallurgisin keinoin, esimerkiksi rikkihapolla uuttamalla. Saadusta liuoksesta kupari saostetaan elektrolyyttisesti puhtaana metallina. Rikkihappotehtaiden tai muiden vastaavien tehtaiden rikkiköyhiksi pasutetuista kiisujätteistä kupari erotetaan klooraavasti pasuttaen, jolloin malmijauheeseen ennen pasuttamista sekoitetaan ruokasuolaa, joka pasutusuunissa reagoi malmin kupariyhdistysten kanssa, Tällöin syntyy kuparikloridia, joka uutetaan hapolla ja saadusta liuoksesta kupari saostetaan rautaromulla sementtikuparina. Saatu 70 %:n sementtikupari puhdistetaan sulattamalla sitä lieskauunissa. Suurin osa tuotetusta kuparista erotetaan kuitenkin suoraan sulfidirikasteista pyrometallurgisin keinoin kolmessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa malmi pasutetaan kerrosuunissa, jolloin rikki palaa rikkidioksidiksi ja osittain poistuu. Mikäli menetelmän seuraavassa vaiheessa kuparikiveksi sulatettaessa

3 käytetään kuilu-uuneja, on malmijauhe osittain myös sintrattava. Pasutuksessa malmiin jätetään sen verran rikkiä, että kuparin erottamisen seuraavassa vaiheessa voi muodostua kuparikiveä. Toisessa vaiheessa kuparikiveksi sulattaminen tapahtuu joko kuilu- tai lieskauunissa. Kuilu-uunisulatus on joko pelkistävä tai hapettava. Pelkistävässä sulatuksessa sekoitetaan pasutettuun ja sintrattuun malmiin koksia sekä kuonaa muodostavina aineina kvartsia, kalkkikiveä ja rautamalmia. Sulatuksen aikana puhalletaan uuniin sen verran ilmaa, että hiili palaa monoksidiksi, mutta että rikki ei pala. Tällöin pasutuksessa muodostunut kuparioksidi reagoi pyriitin, hiilen ja kvartsin kanssa ja muodostuva kuprosulfidi sulaa. Ylimääräinen ferrosulfidi liukenee siihen kuparikiveksi, samoin kuin kulta ja hopea (esimerkiksi Bryk 1943). Raudan pääosa menee silikaattina kuonaan, samoin muut helposti hapettuvat metallit. Kuona kevyempänä kohoaa pohjalle vajoavan sulan ja raskaan kuparikiven pinnalle. Täten kupari eroaa muista aineista ja voidaan kuparikivenä laskea pois uunin alaosasta. Hapettavassa pyriittisessä tai puolipyriittisessä sulatuksessa ei malmia, jonka tulee sisältää riittävästi pyriittiä tai magneettikiisua, pasuteta etukäteen, vaan se sulatetaan kappaleina suoraan kuonaa muodostavaan kvartsiin sekoitettuna. Tarvittava lämpö kehittyy rikin palaessa. Puolipyriittisessä, se on pyriittiä vähemmän sisältävien malmien sulatuksessa on jo koksi tarpeen lämmön antajana. Pasutettuun malmiin sekoitetaan kuonaa muodostavia aineita. Sulatuslämpötila on noin 1200 C. Jos malmi ei ole etukäteen pasutettua, lieskauunissa tapahtuu ainoastaan kuparikiven ja kuonan erottuminen. Kuitenkin sulatettaessa pasutettua malmia lieskauunissa kuparikiveksi osittain hapettumaan päässyt kupari yhtyy ferrosulfidin (pyriitin) rikkiin ja sitä tietä eroaa sulana kuparikivenä uunin pohjalle. Kolmantena vaiheena pyrometallurgisissa menetelmissä on kuparikiven puhaltaminen Besse-merin konvertterissa raakakupariksi. Kuparikivi juoksee sulana konvertteriin, jossa on hapan (kvartsi) vuoraus. Mikäli kuonaa muodostavat aineet erikseen sekoitetaan konvertterissa kuparikiveen, käytetään emäksistä vuorausta. Sulan kuparikiven läpi puhalletun ilmavirran vaikutuksesta hapettuu puhaltamisen ensi vaiheessa ferrosulfidi ferrooksidiksi, joka yhtyy kvartsin kanssa kuonaksi. Toisessa vaiheessa

4 kuprosulfidikin osittain hapettuu kupro-oksidiksi, joka jäljellä olevan kuprosulfidin kanssa reagoimalla pelkistyy metalliksi rikin samalla hapettuessa rikkidioksidiksi. Näin saadun raakakuparin kuparipitoisuus on %, mutta se on vielä puhdistettava. Kuparin puhdistaminen lieskauunissa sulattaen tapahtuu siten, että sulaan raakakupariin puhalletaan ilmaa, joka hapettaa osan kuparia oksiduuliksi. Tämä liukenee kupariin ja hapettaa siinä olevat epäpuhtaudet yhdessä ilman hapen kanssa oksideiksi. Kiinteät oksidit yhtyvät kvartsiin kuonaksi sekä eräät sinkin ja arseenin oksidit härmistyvät ja esimerkiksi rikkidioksidi poistuvat kaasuina. Ylimäärin muodostuneen kuparioksiduulin pelkistämiseksi ja kaasujen erottamiseksi sulatteesta sekoitellaan "polaamalla" sitä koivutangoilla. Puhtainta kuparia saadaan elektrolyyttisesti raffinoimalla. Uusissa kuparin valmistusmenetelmissä sulfidimalmin kuparirikaste voidaan pasuttaa Outokumpu Oy:n kehittämällä liekkisulatusmenetelmällä (Spektrum 1976, Särkikoski 1999). Siinä kuilumaiseen reaktoriin puhalletaan alhaalta päin esikuumennettua ilmaa rikastepolttimien kautta, jolloin syntyy rikasteen ja ilman "suspensio". Lämpötila on reaktioiden aikana korkea ( C), ja sitä voidaan säädellä happimäärää säätelemällä. Reaktiokuilussa sulaneet pisarat putoavat uunin alaosaan sulaksi kuparikiveksi, jonka päälle kertyy keveämpää kuonaa, lähinnä rautasilikaatteja. Pasutuskaasun sisältämä rikkidioksidi otetaan taiteen. Myös pasutuskaasun lämpöenergia otetaan taiteen korkeapainehöyrynä, mikä höyryturpiinien avulla voidaan muuttaa sähköenergiaksi. Liekkisulatusmenetelmän ympäristöhaitat muihin kuparinpelkistysmenetelmiin verrattuina ovat hyvin vähäiset. Liekkisulatuksessa muodostunut kuparikivi pelkistetään konvertoimalla raakakupariksi, joka vielä puhdistetaan elektrolyyttisesti. Elektrolyysi suoritetaan siten, että anodi on raakakuparia ja elektrolyyttiliuos rikkihappopitoista kuparisulfaattia. Anodi liukenee, kuparikationit kulkeutuvat katodille ja pelkistyvät siellä elektrolyytti kupariksi, jonka puhtaus on yli 99,9 %. Epäpuhtaudet vajoavat niin sanotuksi anodiliejuksi, joka sisältää seleeniä, hopeaa ja kultaa. Erittäin puhdasta kuparia on hapeton johtokupari.

5 5. Mitä tapahtuu galvanoinnissa ja minkä takia? Esimerkiksi metallin päällystämisestä suojaavalla ja hitaammin hapettuvalla metallilla, sinkillä, käytetään nimitystä galvanointi. Galvanointi perustuu metallin elektrolyysiin. Se mitä galvanoinnissa tapahtuu selittyy seuraavan tehtävän vastauksessa Faradayn teorialla. Vähemmän jalo metalli kiinnittyy jalomman metallin pintaan. 6. Mitä Faraday lain avulla voidaan selvittää? Elektrolyysin ensimmäinen pääsääntö on, että alkuainemäärä, joka erkanee sähkövirran vaikutuksesta sulatetussa tai liuotetussa suolassa, on suoraan verrannollinen läpi virtaavan sähkövarauksen määrään. Tämän havaitsi ensimmäisenä Michael Faraday vuonna Elektrolyysin toinen pääsääntö on, että erkanevien alkuaineiden massa on suoraan verrannollinen niiden atomimassoihin, kun laskuissa käytetään sopivaa jakajaa. Tämänkin havainnon teki Faraday, ja se antoi vahvaa tukea sähköhiukkasten eli elektronien olemassaololle aikana, jolloin niitä ei vielä varmasti ollut tunnistettu atomin osana. Jos elektrolyysissä käytettäviä aineita mitataan massan asemesta mooleina, samansuuruinen sähkövirta hajottaa samassa ajassa yhtä suuren moolimäärän mitä tahansa yhdenarvoisista ioneista koostuvaa elektrolyyttiä. Yhden moolin hajottamiseen tarvittavan sähkömäärän osoittaa Faradayn vakio, joka on ,3383 As/mol. Jos elektrolyytti kuitenkin koostuu kahden- tai usemmanarvoisista ioneista, sama sähkövirta hajottaa samassa ajassa yhtä moninkertaisen määrän elektrolyyttiä.

6 7. Kloorikaasua valmistetaan elektrolyysin avulla suuria määriä mm. Oulussa. Elektrolyysissä käytetyn virran voimakkuus on A. Laske kuinka monta kilogrammaa klooria syntyy 1 tunnin aikana. Oletetaan että elektrolyysin tehokkuus on 100% Faradayn vakio ,3383 A s / mol Käänteisfunktio ( A) / (96 485,3383 mol / As) = mol / s Kloorin moolimassa on g/mol. Oulun tehdas hajottaa siis mol/s * g/mol = g kloorikaasua yhden sekunnin aikana, jos elektrolyysin teho olisi 100%. Yhdessä tunnissa on 3600 sekunttia, joten g/s * 3600 s = ,5319 g = pyöristettynä 200 kg tunnissa. 8. Miten sinkin ja alumiinin valmistusprosessit eroavat? Kumpi vaatii enemmän energiaa? Sinkki Suomen tuotantomittakaavassa toimiva Kokkolan sinkkitehdas käyttää hydrometallurgisia menetelmiä eli elektrolyysiprosessia, jossa sinkki pelkistetään elektrolyyttisesti puhtaasta sinkkisulfaattiliuoksesta. Jos kuitenkin käytetään malmia menee prosessi näin: Ensimmäiseksi malmista saatu rikaste pasutetaan pasutusuunissa 950 C:ssa. Saatu pasute liuotetaan rikkihappoliuokseen, jolloin syntyy sinkkisulfaattia. Tämä liuos pitää kuitenkin puhdistaa ennen elektrolyysiä, sillä siinä on sinkin mukana liuenneita epäpuhtauksia. Puhdistettu sinkkisulfaattiliuos jäähdytetään ennen puhdistusta. Sinkki puhdistetaan pelkistämällä sinkki sinkkisulfaatista elektrolyyttisesti. Puhdas sinkki kiinnittyy elektrolyysissä alumiinisten katodien pintaan. Viimeisessä vaiheessa puhdistettu sinkki, joka on tässä vaiheessa levynä, sulatetaan ja valetaan harkoiksi. Tässä vaiheessa sinkkiä voidaan seostaa eri metalleilla, kuten alumiinilla.

7 Alumiini Hall Héroult-menetelmä on teollisuuden eniten käyttämä alumiinin valmistusmenetelmä. Alumiinioksidi (Al2O3) pelkistetään 950 C:n lämpötilassa alkuainealumiiniksi kryoliitti-liuoksessa (Na3AlF6), jossa on myös alumiinifluoridia. Liuokseen johdetaan sähkövirtaa siten, että hiilianodit reagoivat alumiinioksidin kanssa, jolloin syntyy sulaa alumiinia ja hiilidioksidia. Sula alumiini valuu pohjalle, josta se poistetaan. Alumiini viedään valimoon, jossa alumiinisulaan lisätään seosaineita parantamaan sen ominaisuuksia. Alumiinista poistetaan myös epäpuhtauksia kuten oksideja ja kaasuja. Alumiini valetaan esimerkiksi harkoiksi. Alumiinin valmistus vaatii enemmän energiaa kuin sinkin. 9. Kerro miten kemiallisesti toimivat a. 1,5V AA-paristo Paristo koostuu sähköparista, joiden elektrodeilla tapahtuvista kemiallisista reaktioista syntyy sähköjännite. Miinuskohtiolla tapahtuu anodinen hapettuminen ja pluskohtiolla katodinen pelkistyminen. Elektronit virtaavat negatiivisesta navasta johtimen välityksellä positiiviseen napaan. b. lyijyakku ladattaessa ja kuormitettaessa Lyijyakku on akku, jonka elektrodeina on kaksi lyijylevyä, ja elektrolyyttinä noin 37 % rikkihappoa. Lyijyakun kapasiteetti on tavallisesti Ah. Tyhjän lyijyakun molemmat lyijylevyt ovat peittyneet lyijysulfaatilla (PbSO4). Ladattaessa katodi peittyy lyijydioksidilla (PbO2) ja anodi puhdistuu lyijymetalliksi.

8 10.Mitä ovat elektrolyytit? Elektrolyytti on aine, joka johonkin liuottimeen (esimerkiksi veteen) liuenneena tai sulassa tilassa johtaa sähköä ja jonka sähkövirta hajottaa kemiallisesti. Yleisimpiä elektrolyyttejä ovat emäkset, hapot ja suolojen vesiliuokset. Elektrolyyttiliuoksessa ionit (ioniliuos) kuljettavat liikkuessaan sähkövarauksia, ja ionien liike tuottaa sähkövirtaa. Elektrolyyttejä käytetään muun muassa akuissa. 11.Mikä on ph-mittarin toimintaperiaate? Kuinka mittari kalibroidaan? Mitkä tekijät vaikuttavat ph-mittauksen mittaustuloksiin? Liuoksen happamuuden tai emäksisyyden mittarina toimii ph-arvo. Biologisten näytteiden kanssa työskenneltäessä käytetään usein ns. puskuriliuoksia, joiden happo-emästasapaino on asetettu siten että se estää ph:n vaihtelut liuoksessa. Puskurilioksena käytettävän lioksen happamuus/emäksisyys täytyy säätää oikeaan ph-arvoon hapolla tai emäksellä. Tämä tehdään ph- mittarilla. ph-mittarin elektrodi mittaa jännite-eroa, joka syntyy mitattavan liuoksen ja elektrodin sisällä olevan nesteen välille. Kun elektrodin täyttönesteen ph on vakio, jännite lasikalvon yli on verrannollinen mitattavan liuoksen ph-arvoon. 59 mv vastaa yhtä ph-yksikköä 25 C lämpötilassa. Lämpötila vaikuttaa pharvoon. Tarvittaessa voidaan tehdä lämpötilakorjaus mittaamalla laitteeseen kuuluvalla anturilla samaan aikaan ph:n kanssa myös liuoksen lämpötilaa. ph-mittauslaitteisto koostuu jännitemittariin yhdistetyistä kahdesta elektrodista, joista referenssielektrodi on useinmiten piilossa mittauselektrodin sisällä. Mittauselektrodin vetyioniherkkä lasikalvo on erittäin ohut ja rikkoutuu helposti. Sen takia mittauselektrodia, erityisesti sen kärkeä, on käsiteltävä varoen.