Sähkökemian perusteita, osa 1



Samankaltaiset tiedostot
Käytännön esimerkkejä on lukuisia.

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

Normaalipotentiaalit

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Ratkaisu. Tarkastellaan aluksi Fe 3+ - ja Fe 2+ -ionien välistä tasapainoa: Nernstin yhtälö tälle reaktiolle on:

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

Sähkökemia. Sähkökemiallinen jännitesarja, galvaaninen kenno, normaalipotentiaali

2.1 Sähköä kemiallisesta energiasta

Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!


MT Sähkökemialliset tutkimusmenetelmät

MT KORROOSIONESTOTEKNIIKAN PERUSTEET

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

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

Sähkökemiaa. Hapettuminen Jännitesarja Elektrolyysi Korroosio

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

- Termodynaamiset edellytykset - On olemassa ajava voima prosessin tapahtumiselle - Perusta - Kemiallinen potentiaali

Tehtäviä sähkökemiasta

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

Standarditilat. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 2 - Luento 2. Tutustua standarditiloihin

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Sähkökemiaa. Hapettuminen Jännitesarja Elektrolyysi Faradayn laki Korroosio

Ellinghamin diagrammit

Jännittävät metallit

Magneettinen energia

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

TKK, TTY, LTY, OY, TY, VY, ÅA / Insinööriosastot Valintakuulustelujen kemian koe

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Metallien ominaisuudet ja rakenne

AKKU- JA PARISTOTEKNIIKAT

Perunapellosta virtaa! Jenna Salmijärvi ja Maija Torttila

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Lääketiede Valintakoeanalyysi 2015 Fysiikka. FM Pirjo Haikonen

MT KORROOSIONESTOTEKNIIKAN PERUSTEET

CHEM-A1250 KEMIAN PERUSTEET kevät 2016

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

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

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

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

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

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

Joensuun yliopisto Kemian valintakoe/

Sähkökemialliset tarkastelut HSC:llä

Workshop: Tekniikan kemia OAMK:ssa

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

Korkealämpötilakemia

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

1. Malmista metalliksi

782630S Pintakemia I, 3 op

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

Korkealämpötilakemia

LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

FyKe 7 9 Kemia ja OPS 2016

Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen

Korkealämpötilakemia

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

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

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Esimerkiksi ammoniakin valmistus typestä ja vedystä on tyypillinen teollinen tasapainoreaktio.

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

(l) B. A(l) + B(l) (s) B. B(s)

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

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

luku2 Kappale 2 Hapettumis pelkistymisreaktioiden ennustaminen ja tasapainottaminen

Sähköparin oppimista tukeva tietokonesimulaatio kemian lukioopetukseen

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

METALLITEOLLISUUDEN PINTAKÄSITTELYN PERUSTEET - KORROOSIO

HALLIN ILMIÖ 1. TUTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

Selvitetään kaasujen yleisen tilanyhtälön avulla yhdisteen moolimassa.

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

Veden ionitulo ja autoprotolyysi TASAPAINO, KE5

8. Chemical Forces and self-assembly

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

DEE Sähkötekniikan perusteet

KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

Kemiallinen reaktio

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

1. (*) Luku 90 voidaan kirjoittaa peräkkäisen luonnollisen luvun avulla esimerkiksi

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

Kemian koe kurssi KE5 Reaktiot ja tasapaino koe

Kurssin toteutus ja ryhmiinjako Ma 2.9. klo PR104 Aki Sorsa (SÄÄ) Pe klo 8-10 (oma huone) Ke Tehtävien palautus


Liukoisuus

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

Transkriptio:

Sähkökemian perusteita, osa 1 Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2015 Teema 4 - Luento 1 Teema 4: Suoritustapana oppimispäiväkirja Tehdään yksin tai pareittain Tehtävät/ohjeet löytyvät kurssin www-sivulta Osa tehtävistä vaatii itsenäistä aineistonhakua Palautus vastuuopettajalle 4.12.2015 mennessä Sähköisesti (pdf!) sähköpostin liitetiedostona Paperiversiona huoneeseen (TF214) tai prosessimetallurgian postilokeroon (prosessin käytävällä 1. kerroksessa) 1

Tavoite Tutustua sähkökemian perusteisiin pohjaksi Pourbaix- ja Evans-diagrammien tarkastelua varten Sisältö Sähkökemialliset reaktiot ja kennot Sähkökemialliset tasapainot Standardielektrodipotentiaali ja tasapainopotentiaali Sähkökemiallinen sarja Faradayn laki Virrantiheys ja itseisvirrantiheys Polarisaatioilmiöt 2

Sähkökemia Fysikaalisen kemian osa-alue, joka tarkastelee (faasirajoilla tapahtuvia) reaktioita, joihin liittyy varauksen siirtoa (faasista toiseen) Metallurginen ja kemianteollisuus Pintakäsittelyt Ympäristötekniikka Akut ja paristot Korroosio Sähkökemiallinen reaktio Materiaalin varastoitunut kemiallinen energia muuttuu spontaanisti sähköenergiaksi (Spontaani reaktio) tai Reaktioita pakotetaan eteenpäin sähköenergiaa käyttäen (Pakotettu reaktio) Aina vähintään kaksi reaktiota Sähkökemiallinen kenno 3

Kuvat: Aromaa (2000) Materiaalien sähkökemia. TKK-MK-102. Sähkökemiallinen kenno Anodi Elektrodi, jolla tapahtuu hapettumista Galvaanisessa kennossa negatiivinen Elektrolyysissä positiivinen Katodi Elektrodi, jolla tapahtuu pelkistymistä Galvaanisessa kennossa positiivinen Elektrolyysissä negatiivinen Elektrolyyttiliuos Ioneja sisältävä väliaine Galvaaninen kenno Ei ulkoista virtalähdettä Elektronit kulkevat luonnollista reittiä negatiivisesta (anodi) positiiviseen (katodi) Spontaani ilmiö Kemiallista energiaa sähköenergiaksi Anodilla hapettumista Katodilla pelkistymistä Kuva: Aromaa (2000) Materiaalien sähkökemia. TKK-MK-102. 4

Elektrolyysi Ulkoinen virtalähde Pakottaa elektronit kulkemaan vastavirtaan positiivisesta (anodi) negatiiviseen (katodi) Pakotettu ilmiö Sähköenergiaa kemialliseksi energiaksi Anodilla hapettumista Katodilla pelkistymistä Kuva: Aromaa (2000) Materiaalien sähkökemia. TKK-MK-102. Sähkökemiallisen reaktion edellytykset Sähkökemiallisen kennon on muodostettava suljettu piiri Elektrodit (anodi ja katodi) Elektrolyyttiliuos Sähköinen johde elektrodien välillä Reaktio/ilmiö pysähtyy, jos jokin edellä mainituista poistetaan 5

Sähkökemiallisen reaktion edellytykset Termodynamiikka Ajavat voimat elektrodien pinnoilla tapahtuville reaktioille/ilmiöille - G Kinetiikka Ilmiöiden nopeus Usein merkittävämmässä roolissa vesiliuoksia tarkasteltaessa kuin pyrometallurgiassa Hitain osatapahtuma määrää koko ilmiön nopeuden Reaktio, aineensiirto, varauksensiirto tai sähköinen vastus Anodinen reaktio Hapettuminen Vapautuu elektroneja Hapetusaste kasvaa Metalli muodostaa yhdisteen (esim. oksidin) Metalli liukenee ionisena Me Me z z e 6

Katodinen reaktio Pelkistyminen Kuluu elektroneja Hapetusaste pienenee Yhdisteen (esim. oksidin) hajoaminen, jolloin tuotteena on metalli Metalli-ionien saostuminen metallisena Me z z e Me Sähkökemiallisen reaktion tasapaino Esimerkiksi tasapaino metallin ja liuoksen välillä, kun liuoksessa on ko. metallin ioneja Dynaaminen tasapaino Liukeneminen ja saostuminen etenevät molempiin suuntiin yhtä nopeasti Ei havaittavaa kokonaismuutosta Kuva: Aromaa (2000) Materiaalien sähkökemia. TKK-MK-102. 7

Sähkökemiallisen reaktion tasapaino Jokaiselle sähkökemialliselle reaktiolle on olemassa termodynaamisesti määritettävissä oleva tasapainotila, jota kuvataan Gibbsin energian muutoksella, G Standardielektrodipotentiaalilla, E 0 Kummallekaan ei voida mitata abs. arvoja Jokainen sähkökemiallinen reaktio saadaan ulkoisen virtalähteen avulla ajettua joko anodiseen tai katodiseen suuntaan Sähkökemiallisen reaktion standardielektrodipotentiaali, E 0 Kuvaa sähkökemiallisen reaktion tasapainotilaa Määritetään standarditilassa Paine 100 kpa (aiemmin 1 atm) Lämpötila 25 C Reagoivien aineiden aktiivisuudet ykkösiä Referenssitasoksi on sovittu, että vedynkehitysreaktion standardielektrodipotentiaali on 0 V Muut reaktiot verrataan vedynkehitysreaktioon 2 H 2 e H 2 8

Sähkökemiallisen reaktion standardielektrodipotentiaali, E 0 Katodiselle reaktiolle z on elektronien lukumäärä reaktiossa F on Faradayn vakio (96500 Cmol -1 ) Anodiselle reaktiolle G z F Käänteisille reaktiolle G saa vastakkaismerkkiset arvot, mutta E 0 on sama riippumatta siitä, mihin suuntaan reaktio kirjoitetaan eteneväksi E E 0 0 G z F Sähkökemiallisen reaktion tasapainopotentiaali, E Kuvaa sähkökemiallisen reaktion tasapainotilaa Systeemi ei ole standarditilassa Määritetään Nernstin yhtälöllä, joka huomioi poikkeamat lämpötilassa ja aktiivisuuksissa R T E E0 ln K z F R on yleinen kaasuvakio (8,3143 Jmol -1 K -1 ) T on absoluuttinen lämpötila K on tarkasteltavan reaktion tasapainovakio 9

Sähkökemiallisen reaktion tasapainopotentiaali, E Katodiselle reaktiolle R T RED E E0 ln z F OX Anodiselle reaktiolle R T OX E E0 ln z F RED [RED] viittaa aineen pelkistyneeseen muotoon [OX] viittaa aineen hapettuneeseen muotoon Sähkökemiallisen reaktion tasapainopotentiaali, E Mitä suurempi tasapainopotentiaali sitä todennäköisemmin sähkökemiallinen reaktio etenee katodiseen suuntaan sitä jalommasta metallista on kyse Mitä pienempi tasapainopotentiaali sitä todennäköisemmin sähkökemiallinen reaktio etenee anodiseen suuntaan sitä epäjalommasta metallista on kyse Taulukoidaan sähkökemiallisiksi sarjoiksi 10

Taulukko: Aromaa (2000) Materiaalien sähkökemia. TKK-MK-102. Sähkökemiallinen sarja: Teoreettiset tasapainopotentiaalit Galvaaninen sarja: Todelliset mitatut potentiaalit Polarisaatioilmiöt pienentävät metallien välisiä potentiaalieroja Pinnoille muodostuvat reaktiotuotekerrokset ja passiivikalvot vaikuttavat potentiaaleihin Kuva: Aromaa (2000) Materiaalien sähkökemia. TKK-MK-102. 11

Tehtävä Liukeneeko rauta liuokseen, joka sisältää 0,1 mol/l Cd 2+ -ioneja ja 10-6 mol/l Fe 2+ - ioneja? Lisätehtävänä voit pohtia, miten tilanne muuttuisi, jos Cd 2+ - ja Fe 2+ -ionien konsentraatiot olisivat käänteiset (10-6 mol/l Cd 2+ -ioneja ja 0,1 mol/l Fe 2+ -ioneja). Ratkaisu Kokonaisreaktio: Fe + Cd 2+ = Fe 2+ + Cd Osareaktioiden standardielektrodipotentiaalit: Cd = Cd 2+ + 2 e - E 0 Cd = -0,403 Fe = Fe 2+ + 2 e - E 0 Fe = -0,440 Kokonaisreaktion standardielektrodipotentiaali saadaan vähentämällä katodisen reaktion (tässä tapauksessa kadmiumin pelkistyminen) E 0 :sta anodisen reaktion (tässä tapauksessa raudan hapettuminen) E 0 : E 0 = E 0 Cd - E 0 Fe = E 0 k - E 0 a = - 0,403 -(-0,440) = 0,037 Nernstin yhtälö: 2 0 RT Fe E E lg 2 zf Cd 0,037 0,030 6 19,14 298 10 0,037 lg 2 96500 0,1 5 0,037 0,15 0,187 V E > 0 Reaktio spontaani vasemmalta oikealle Rauta liukenee 12

Taulukko: Aromaa (2000) Materiaalien sähkökemia. TKK-MK-102. Sähkökemiallisen reaktion elektrodipotentiaalit Eivät ole absoluuttisia arvoja Verrataan referenssitilaan Taulukkoarvot suhteessa vedynkehitysreaktioon Kokeellisissa mittauksissa Vetyelektrodi on hankala käyttää Käytetään erilaisia metalli/metallisuolaelektrodeja Muutokset referenssiasteikkojen välillä tehdään lisäämällä/vähentämällä ko. referenssielektrodin potentiaaliero mittaustuloksesta Referenssielektrodit Mitta-anturi sähkökemialliselle potentiaalierolle 1. luokan elektrodit: Metalli Metalli-ionit 2. luokan elektrodit: Metalli Metallisuola Anionit 13

Faradayn laki Elektrodilla reagoineen alkuaineen massa on suoraan verrannollinen elektrodin läpi kulkeneeseen sähkömäärään n m M I t z F n on ainemäärä m on massa M on moolimassa z on elektronien määrä reaktiossa I on virta t on aika F on Faradayn vakio (96500 Cmol -1 ) Faradayn laki Sähkökemiallinen ekvivalentti, ekv M ekv z F Virrantiheys, i I i A Elektrodilla reagoivan aineen massa pintaala- ja aikayksikköä kohden g g m ekv i 2 m s A s A m 2 14

Itseisvirrantiheys Metalli-ionin saostumisreaktion Me z z Me ollessa tasapainossa liukenemis- ja saostumisreaktioiden nopeudet ovat yhtä suuret Katodinen virta = Anodinen virta Kun systeemi ei ole tasapainossa Katodinen virta Anodinen virta Kun I a > I k Metalli liukenee Kun I a < I k Metalli saostuu e Ia I k I I a I k Itseisvirrantiheys Metalli-ionin saostumisreaktion ollessa tasapainossa katodinen ja anodinen virta ovat siis yhtä suuria Itseisvirrantiheys, i 0 Tasapainopotentiaali, E 0 Kuva: Aromaa (2000) Materiaalien sähkökemia. TKK-MK-102. 15

Taulukko: Aromaa (2000) Materiaalien sähkökemia. TKK-MK-102. Polarisaatioilmiöt Tasapainotilastaan poikkeavan sähkökemiallisen systeemin elektrodit ovat polarisoituneet Polarisoituneen elektrodin potentiaali (E pol ) poikkeaa termodynaamisesta tasapainopotentiaalista (E) on ylipotentiaali anodeille positiivinen (E pol > E) katodeille negatiivinen (E pol < E) E pol E Polarisaatioilmiöt Polarisaatio on seurasta elektrodeilla tapahtuvien ilmiöiden hitaudesta 16

Tehtävä Mikä on kupari(ii)ioniliuoksesta elektrolyyttisesti saostuvan kuparin massa, kun käytetään 10 A:n virtaa viiden minuutin ajan? Jos kuparikatodien tuotanto Bolidenin Porin kuparielektrolyysistä on 116000 tonnia vuodessa, niin kuinka pitkä aika kuluisi ko. kuparimäärän tuottamiseen em. 10 A:n virralla? Mikä on teoreettinen tehontarve, mikäli 116000 tonnia kuparia tuotetaan vuoden aikana siten, että käytettävä jännite on 1...2 voltin suuruusluokkaa? 17

18