Sähkökemia. Sähkökemiallinen jännitesarja, galvaaninen kenno, normaalipotentiaali

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

Normaalipotentiaalit

luku2 Kappale 2 Hapettumis pelkistymisreaktioiden ennustaminen ja tasapainottaminen

Vesi. Pintajännityksen Veden suuremman tiheyden nesteenä kuin kiinteänä aineena Korkean kiehumispisteen

Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!

2.1 Sähköä kemiallisesta energiasta

Kemian eriyttävä tunti. Tekijät Riina Karppinen, Klaus Mäki-Petäys ja Kirsi Söderberg Aihe: sähkökemiallinen pari. Johdanto

Sähkökemiaa. Hapettuminen Jännitesarja Elektrolyysi Faradayn laki Korroosio

Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen

1. Malmista metalliksi

Metallien ominaisuudet ja rakenne

Sähkökemiaa. Hapettuminen Jännitesarja Elektrolyysi Korroosio

Perunapellosta virtaa! Jenna Salmijärvi ja Maija Torttila

KE04. Kurssikalvot. Tuomas Hentunen. Kevät Tuomas Hentunen KE04 Kevät / 24

AKKU- JA PARISTOTEKNIIKAT

Käytännön esimerkkejä on lukuisia.

Workshop: Tekniikan kemia OAMK:ssa

Jännittävät metallit

b) Reaktio Zn(s) + 2 Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + 2 Ag (s) tapahtuu galvaanisessa kennossa. Kirjoita kennokaavio eli kennon lyhennetty esitys.

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

Sähkökemian perusteita, osa 1

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

Jännittävät metallit Opettajan ohje

Jaksollinen järjestelmä ja sidokset

a) Puhdas aine ja seos b) Vahva happo Syövyttävä happo c) Emäs Emäksinen vesiliuos d) Amorfinen aine Kiteisen aineen

(Huom! Oikeita vastauksia voi olla useita ja oikeasta vastauksesta saa yhden pisteen)

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta Insinöörivalinnan kemian koe MALLIRATKAISUT

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2½ p. = 2 p.

Tehtäviä sähkökemiasta

NIMI: Luokka: c) Atomin varaukseton hiukkanen on nimeltään i) protoni ii) neutroni iii) elektroni

Alikuoret eli orbitaalit

Sähköparin oppimista tukeva tietokonesimulaatio kemian lukioopetukseen

1. HAPETUS- JA PELKISTYSREAKTIOT

Metallien sähkökemiallisen jännitesarjan opettaminen draaman avulla yläasteella

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

Johdantoa. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?


Reaktioyhtälö. Sähköisen oppimisen edelläkävijä Empiirinen kaava, molekyylikaava, rakennekaava, viivakaava

MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA

Reaktio 4 opettajan opas Tehtävien ratkaisut

Suljetun lyijyakun toiminnan peruskäsitteitä

Osio 1. Laskutehtävät

METALLITEOLLISUUDEN PINTAKÄSITTELYN PERUSTEET - KORROOSIO

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2 1/2 p = 2 p.

kipinäpurkauksena, josta salama on esimerkki.

Taulukko Käyttötarkoitus Huomioita, miksi? Kreikkalaisten numeeriset etuliitteet

Jakso 0. Materiaalit ja teknologia

Reaktiosarjat

Helsingin yliopiston kemian valintakoe. Keskiviikkona klo Vastausselvitykset: Tehtävät:

ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE

MOOLIMASSA. Vedyllä on yksi atomi, joten Vedyn moolimassa M(H) = 1* g/mol = g/mol. ATOMIMASSAT TAULUKKO

17VV VV 01021

Kemian tehtävien vastaukset ja selitykset Lääketieteen ilmainen harjoituskoe, kevät 2017

ATOMIN JA IONIN KOKO

17VV VV Veden lämpötila 14,2 12,7 14,2 13,9 C Esikäsittely, suodatus (0,45 µm) ok ok ok ok L. ph 7,1 6,9 7,1 7,1 RA2000¹ L

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Kertaus. Tehtävä: Kumpi reagoi kiivaammin kaliumin kanssa, fluori vai kloori? Perustele.

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Firan vesilaitos. Laitosanalyysit. Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi

Selvitetään kaasujen yleisen tilanyhtälön avulla yhdisteen moolimassa.

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

Liitetaulukko 1/11. Tutkittujen materiaalien kokonaispitoisuudet KOTIMAINEN MB-JÄTE <1MM SAKSAN MB- JÄTE <1MM POHJAKUONA <10MM

Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi. Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Kemian opiskelun avuksi

Sähkökemiallisen parin e-kirja lukioopetukseen. Virpi Elomaa Sakari Patana Riikka Ranta Lilli Sundman

Pourbaix-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 4 - Luento 3

METALLIEN JALOSTUKSEN YLEISKUVA

d) Klooria valmistetaan hapettamalla vetykloridia kaliumpermanganaatilla. (Syntyy Mn 2+ -ioneja)

9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

Taulukko Käyttötarkoitus Huomioita, miksi? Kreikkalaisten numeeriset etuliitteet

Siirtymämetallien erityisominaisuuksia

Sähkövirran määrittelylausekkeesta

YLEINEN KEMIA. Alkuaineiden esiintyminen maailmassa. Alkuaineet. Alkuaineet koostuvat atomeista. Atomin rakenne. Copyright Isto Jokinen

vi) Oheinen käyrä kuvaa reaktiosysteemin energian muutosta reaktion (1) etenemisen funktiona.

Kemiallisia reaktioita ympärillämme Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet

Evansin diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 4 - Luento 4

Kurssin esittely. Kurssin esittely on monisteella KE4 Metallit ja materiaalit

Ylioppilastutkintolautakunta S tudentexamensnämnden

Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Johdanto Tavoitteet Työturvallisuus Polttokennoauton rakentaminen AURINKOPANEELITUTKIMUS - energiaa aurinkopaneelilla...

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista.

Tenttikysymyksiä insinöörien kemian opintojaksolla

KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

1. Kuinka monta grammaa lyijyjodidia liukenee 0,5 litraan vettä? K s (PbI 2 ) = 8,7 x 10 9 (mol/l) 3, M(PbI 2 ) = 461,01 g/mol.

Ioniselektiivinen elektrodi

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

Jaksollinen järjestelmä

Seoksen pitoisuuslaskuja

EPÄORGAANINEN KEMIA HARJOITUKSIA. Jaksollinen järjestelmä

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

TUTKIMUSTODISTUS 2012E

JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

2. Koska f(5) > 8 ja yhdeksän pisteen varaan voidaan virittää kupera viisikulmio, niin f(5) = 9.

Kemian tentti 2017 / RATKAISUT

1. Tarkasta, että tehtäväpaperinipussa ovat kaikki sivut Kirjoita nimesi ja syntymäaikasi kaikkiin sivuille 1 ja 3-16 merkittyihin kohtiin.

Fysiikan, kemian ja matematiikan kilpailu lukiolaisille

Ionisidos ja ionihila:

Transkriptio:

Sähkökemia Sähkökemiallinen jännitesarja, galvaaninen kenno, normaalipotentiaali

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

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)

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)

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!

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

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.

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

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.

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

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.

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.

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!

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.

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)

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

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

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) +

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.

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

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

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)

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.

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

Esimerkki 4 Reaktio E/V (25 C) Li + (aq) + e - -> Li(s) -3.04 K + (aq) + e - -> K(s) -2.93 Ca 2+ (aq) + 2e - -> Ca(s) -2.87 Pb 2+ (aq) + 2e - -> Pb(s) -0.13 Fe 3+ (aq) + 3e - -> Fe(s) -0.045 2H + (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) +

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

Esimerkki 5 Sydämentahdistimen tarkoituksena on pitää potilaan sydämen rytmi säännöllisenä. Akkuna käytetään litiumjodikennoa, joka kestää lataamatta 10-14 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.

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