Sähkökemiaa Hapettuminen Jännitesarja Elektrolyysi Faradayn laki Korroosio
Hapettuminen ja pelkistyminen 1. Hapetin ja pelkistin 2. Hapetusluku Sähkökemiaa 1. Sähköpari 2. Metallien jännitesarja 3. Elektrolyysi ja sen sovelluksia 4. Metallien korroosio Ympäristömyrkyt Ilman saastuminen
Hapettumis -pelkistymisreaktio H + -ionin siirtymistä yleisempi on reaktio, jossa elektroni siirtyy aineelta toiselle. Esim. Hiili palaa C + O 2 => CO 2. Reaktiossa hiili luovuttaa 4 elektronia happiatomeille, jotka molemmat saavat 2 elektronista oktetin täyteen. Sanomme, että hiili hapettuu (luovuttaa elektroneja) ja happi pelkistyy (vastaanottaa elektroneja). Esim. Rauta reagoi rikin kanssa: Fe + S => FeS Reaktiossa rauta luovuttaa 2 elektronia rikille. Rauta hapettuu ja rikki pelkistyy. Voidaan myös sanoa, että rikki on hapetin ja rauta pelkistin. Eräillä aineilla on voimakas taipumus ottaa vastaan elektroneja: ne ovat hyviä hapettimia. Niitä ovat mm. Cl 2, O 2, O 3 (otsoni), HNO 3 ja H 2 O 2 (vetyperoksidi).
Hapetusluku Sitä, kuinka monta elektronia atomi on luovuttanut tai vastaanottanut muodostaessaan yhdisteen, sanotaan hapetusluvuksi. Esim. Hiilen hapetusluku CO 2 :ssa on +IV ja CO :ssa +II. Teht. Mikä on typen hapetusluku N 2 O 3 happen hapetusluku siinä on -II? Ratkaisu: 2 x + 3 (-II) = 0, josta x = +III :ssa, kun tiedetään, että
Hapettuminen = elektronien luovuttaminen Pelkistyminen =elektronien vastaanotto Hapetin = aine, joka itse pelkistyy Pelkistin = aine, joka itse hapettuu Hapetusluku ilmoittaa alkuaineen luovuttamien / vastaanottamien elektronien lukumäärän sen muodostettua yhdisteen. Sitä merkitään roomalaisilla numeroilla.
Esim. lyijyakku + PbO 2 H 2 SO 4 Pb - PbO 2 U=2,1V + - Pb => purkaus <= lataus H 2 SO 4 Reaktiot: Pb + SO 4 2- <=> PbSO 4 + 2 e - PbO 2 + 4 H + + SO 4 2- + 2 e - <=> PbSO 4 + 2 H 2 O Ts. Molemmat navat syöpyvät. Happo muuttuu vedeksi. Pohjalle kertyy lyijysulfaattisakkaa PbSO 4.
Metallien jännitesarja Metallit voidaan laittaa hapetuskykynsä mukaiseen järjestykseen ns. jännitesarjaksi. Seuraavassa osa sarjasta: K, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au Vedystä oikealla ovat jalometallit (kupari tosin puolijalo).ne eivät hapetu herkästi, josta syystä ne esiintyvät luonnossa puhtaina alkuaineina. Vedystä vasemmalle ovat epäjalot metallit, jotka hapettuvat herkästi. Ne esiintyvät luonnossa yhdisteinä. Epäjalompi metalli (vasemmanpuolimmainen sarjassa) kykenee pelkistämään jalomman, mutta ei päinvastoin.
Esimerkkejä: 1. Rautanaula liukenee suolahappoon vapauttaen vetyä, koska rauta on vetyä epäjalompi. Sen sijaan kulta ei liukene suolahappoon. Fe + 2 HCl => FeCl 2 + H 2 2. Mitä tapahtuu a) rautanaulalle CuSO 4 -liuoksessa? b) kuparinaulalle FeSO 4 -liuoksessa? Ratk. A) Fe pelkistää epäjalompana kuparin. Rautaa liukenee, naula saa kuparipinnan. B) Ei tapahdu yhtään mitään, koska kupari ei jalompana liukene. 3. Alumiini kykenee pelkistämään hopeaa. Hopeaesineiden hopeaoksidikerros voidaan siis poistaa alumiinilevyllä suolaliuoksessa
Normaalipotentiaalit Jännitesarjaan liitetään usein ns. normaalipotentiaalit, jotka on saatu siten, että on mitattu standardiolosuhteissa metallin ja vetyelektrodin välinen jännite. K -2.92 V Na -2.71 V Al - 1.66 V Fe -0.44 V Pb -0.16 V H 0 V Cu +0.34 V Ag + 0.8 V PbO2 +1.46 V Au + 1.5 V Jännitesarjassa on metallien lisäksi muitakin hapettimia ja pelkistimiä. Ohessa muutamien aineiden arvoja. Esim. Cu - Fe parin välinen jännite on 0.34V - -0.44V = 0.78 V Jännitesarja määrää siis paristojenkin lähdejännitteet.
Täydellisempi jännitesarja.
Akuissa käytetyt kemialliset aineet
Akuissa käytettävät metallit: Li, Ni, Co, Mn, Al
Akkuteollisuus tulee ennusteen mukaan kasvamaan n.70% välillä 2014 2025.
Elektrolyysin sovelluksia 1. Metallien valmistus Esim1. Hajotettaessa ruokasuolaa NaCl, Na+ -ionit kulkeutuvat katodille pelkistyen Natriumiksi. Esim2. Outokummun Harjavallan tehtailla malmia liuotetaan nesteeseen, jolloin neste sisältää Cu-, Al- ja Zn -ioneja. Tämän jälkeen malmi erotetaan liuoksesta elektrolyyttisesti. Metallit kulkeutuvat katodille jalousjärjestyksessä. Ensin liuoksesta nousee kupari, sitten sinkki ja lopuksi alumiini. 2. Epämetallien valmistus Esim1: Ruokasuolasta anodilla vapautuu kloorikaasua. Esim2: Vettä voidaan sähköllä hajottaa vedyksi ja hapeksi.
3. Galvanointi eli metallin pinnoitus toisella metallilla sähköä käyttäen. Esim.1 Sinkittävä rautaesine asetetaan katodiksi Zn 2+ -ioneja sisältävään liuokseen. Tällöin sinkki-ionit pelkistyvät raudan pinnalle. Usein liuoksen köyhtyminen estetään asettamalla anodiksi sinkkipala. (Toinen tapa sinkitä metallia on kuumasinkitys, jossa esine upotetaan sulaan sinkkiin. Sinkkikerroksesta tulee näin paksumpi kuin galvanoinnissa ja tuloksena on parempi korroosiokestävyys) Esim.2 Hopeoinnissa sinkkiliuos korvataan hopeaioneja sisältävällä liuoksella, ja anodina käytetään hopeapalaa. 4. Eloksointi Eräillä metalleilla oksidikerros muodostaa kestävän, suojaavan kalvon. Näitä metalleja ovat mm.alumiini ja kromi. Alumiinin oksidikerrosta voidaan tahallaan paksuntaa asettamalla alumiini anodiksi. Tätä kutsutaan eloksoinniksi.
5. Katodinen suojaus Katodisessa suojauksessa estetään metallin hapettuminen syöttämällä siihen ulkoa elektroneja. Tämä voidaan tehdä a) kytkemällä metalli ulkoisen jännitelähteen miinusnapaan (esim. maakaasuputkissa) tai b) saamalla aikaan paikallispari, jossa metalli saa elektroneja epäjalommalta metallilta. Esim. perämoottoreissa on ns. uhrattavana metallina sinkkipala, joka suojaa itse moottoria korroosiolta niin kauan kuin sinkkiä riittää. 6. Anodinen työstö Kun tarvitaan erittäin hienoa hiontaa esim. lentokoneen siivessä, voidaan hiottava kohta asettaa anodiksi ja antaa sähkövirran hioa pintaa atomikerros kerrallaan.
Metallien korroosio 1. Korroosion välittömiä aiheuttajia * vesi ja ilman happi yhdessä * muut hapettimet * hapot * vahvat emäkset * suolat Kostealla ilmalla vesi ja ilman happi edistävät esim. ruostumista. Myös happipitoinen vesi vaikuttaa samoin. Siksi voimaloiden vedestä poistetaankin happi. Hapot ja hapettimet syövyttävät erityisesti epäjaloja metalleja. Hapettimena voivat toimia myös jalomman metallin ionit. Emäkset yleensä suojaavat korroosiolta, mutta vahvat emäkset ovat syövyttäviä. Suolat lisäävät sähkönjohtokykyä edistäen siten paikallisparien syntyä. Lämpötilan kohoaminen nopeuttaa korroosiota.
Paikallisparien synty * vaatii kostean ympäristön * syynä esim. seuraavat tekijät 1. Kahden eri metallin rajapinta (epäjalompi syöpyy) 2. Liuoksen väkevyyserot metallin pinnalla (metalli syöpyy laimeamman liuoksen kohdalla) 3. Veden happipitoisuuserot metallin pinnalla (metalli syöpyy vähähappisemmasta kohdasta) 4. Metalliseoksen heterogeenisuus Esimerkkejä: Eri metallien liitoksia kosteissa oloissa ei tulisi käyttää. Maantiesuolan roiskuminen auton helmapellille saattaa johtaa pareihin, koska suolaliuoksen väkevyys vaihtelee eri paikoissa peltiä. Mm.kapeissa raoissa (auton oven raot) saattaa veden happipitoisuus olla pienempi, josta johtuen korroosio alkaa sieltä.
Korroosionestomenetelmien jaottelua 1. Ympäristöön sopivan metallin tai muun materiaalin valinta. Esim. alumiinin käyttö veneissä raudan asemasta. 2. Metallin pinnoitus (galvanointi, pinnoitus muovilla, emalilla, bitumilla, maalaus, öljyäminen) 3. Ympäristön syövytyskyvyn heikennys (ilman kuivaus, happen poisto vedestä, ph:n nosto, katodinen suojaus, korroosionestoaineiden lisäys veteen, virtausnopeuden pienennys) 4. Rakenteiden tarkoituksenmukainen muotoilu ja sijoittelu (ei vettä ja likaa kerääviä kohtia (esim. katot))