KE04 Kurssikalvot Tuomas Hentunen Kevät 2016 Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 1 / 24
Metallien jännitesarja Metallien sähkökemiallinen jännitesarja on muodostettu metallien ja vedyn kasvavan pelkistymiskyvyn (pienenevän hapettumiskyvyn) mukaan eli pelkistymispyrkymyksen M z+ ioni + ze M(s) atomi voimakkuuden mukaan. Kuvassa metallien jännitesarja epäjaloimmasta jaloimpaan. Sarjassa ennen vetyä olevat (epäjalot) metallit hapettuvat happoliuoksissa vapauttaen vetyä. Vedyn jälkeiset (jalot) metallit hapettuvat vain ns. hapettavilla hapoilla esim. typpihapolla. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 2 / 24
Normaalipotentiaalit Normaalipotentiaali kertoo aineen kyvystä pelkistyä tai hapettua. Normaalipotentiaaliarvot löytyvät taulukkokirjasta. Taulukoidut arvot ovat kirjoitettu pelkistymisreaktioille, joten hapettumisreaktion potentiaaliarvo on pelkistymispotentiaalin vastaluku! Taulukon arvot on mitattu 25 C lämpötilassa, paine 101, 3 kpa ja liuenneiden aineiden konsentraatio 1 mol/dm 3. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 3 / 24
Normaalipotentiaalit Kokonaisreaktio saadaan, kun osareaktiot lasketaan yhteen. Jos osareaktioiden potentiaalien summa on negatiivinen, reaktiota ei tapahdu. Jos osareaktioiden potentiaalien summa on positiivinen, reaktio tapahtuu spontaanisti. Mitä suurempi pelkistymisreaktion potentiaali on, sitä helpommin aine pelkistyy. Ts. Fluori on paras hapetin ja litium paras pelkistin. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 4 / 24
Hapetuslukumenetelmä Katso säännöt hapetuslukujen määrittämiseksi sivulta 27. Hapettumis-pelkistymisreaktioiden keskeinen sääntö on, että luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrä täytyy olla sama. Koska siirtyvät elektronit ovat suoraan kytköksissä hapetuslukuihin, voidaan reaktioyhtälö tasapainottaa ns. hapetuslukumenetelmällä. Toimi näin: 1 Selvitä hapetuslukumuutosten avulla mikä (mitkä) pelkistyy ja mikä (mitkä) hapettuu 2 Tasapainota siirtyvien elektronien määrä laittamalla sopivat kertoimet hapettuvaa ja pelkistyvää alkuainetta sisältävän aineen kaavan eteen, jolloin luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrät täsmäävät. 3 Lopuksi tasapainotetaan muiden atomien määrä. HUOMIOI, että vaiheen 2. jälkeen ei saa enää muuttaa hapettuvien ja pelkistyvien aineiden kertoimien suhdetta. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 5 / 24
Hapetuslukumenetelmä Katso säännöt hapetuslukujen määrittämiseksi sivulta 27. Hapettumis-pelkistymisreaktioiden keskeinen sääntö on, että luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrä täytyy olla sama. Koska siirtyvät elektronit ovat suoraan kytköksissä hapetuslukuihin, voidaan reaktioyhtälö tasapainottaa ns. hapetuslukumenetelmällä. Toimi näin: 1 Selvitä hapetuslukumuutosten avulla mikä (mitkä) pelkistyy ja mikä (mitkä) hapettuu 2 Tasapainota siirtyvien elektronien määrä laittamalla sopivat kertoimet hapettuvaa ja pelkistyvää alkuainetta sisältävän aineen kaavan eteen, jolloin luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrät täsmäävät. 3 Lopuksi tasapainotetaan muiden atomien määrä. HUOMIOI, että vaiheen 2. jälkeen ei saa enää muuttaa hapettuvien ja pelkistyvien aineiden kertoimien suhdetta. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 5 / 24
Hapetuslukumenetelmä Katso säännöt hapetuslukujen määrittämiseksi sivulta 27. Hapettumis-pelkistymisreaktioiden keskeinen sääntö on, että luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrä täytyy olla sama. Koska siirtyvät elektronit ovat suoraan kytköksissä hapetuslukuihin, voidaan reaktioyhtälö tasapainottaa ns. hapetuslukumenetelmällä. Toimi näin: 1 Selvitä hapetuslukumuutosten avulla mikä (mitkä) pelkistyy ja mikä (mitkä) hapettuu 2 Tasapainota siirtyvien elektronien määrä laittamalla sopivat kertoimet hapettuvaa ja pelkistyvää alkuainetta sisältävän aineen kaavan eteen, jolloin luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrät täsmäävät. 3 Lopuksi tasapainotetaan muiden atomien määrä. HUOMIOI, että vaiheen 2. jälkeen ei saa enää muuttaa hapettuvien ja pelkistyvien aineiden kertoimien suhdetta. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 5 / 24
Hapetuslukumenetelmä Katso säännöt hapetuslukujen määrittämiseksi sivulta 27. Hapettumis-pelkistymisreaktioiden keskeinen sääntö on, että luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrä täytyy olla sama. Koska siirtyvät elektronit ovat suoraan kytköksissä hapetuslukuihin, voidaan reaktioyhtälö tasapainottaa ns. hapetuslukumenetelmällä. Toimi näin: 1 Selvitä hapetuslukumuutosten avulla mikä (mitkä) pelkistyy ja mikä (mitkä) hapettuu 2 Tasapainota siirtyvien elektronien määrä laittamalla sopivat kertoimet hapettuvaa ja pelkistyvää alkuainetta sisältävän aineen kaavan eteen, jolloin luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrät täsmäävät. 3 Lopuksi tasapainotetaan muiden atomien määrä. HUOMIOI, että vaiheen 2. jälkeen ei saa enää muuttaa hapettuvien ja pelkistyvien aineiden kertoimien suhdetta. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 5 / 24
Galvaaninen kenno Sähköparissa (Galvaanisessa kennossa) kemiallinen energia muuttuu sähköenergiaksi hapettumis-pelkistymisreaktion kautta. Daniellin parin rakenne 1 Sinkkisauva on upotettu sinkki-ioneja sisältävään liuokseen 2 Kuparisauva on upotettu kupari-ioneja sisältävään liuokseen 3 Sauvat on yhdistetty ulkoisella johtimella 4 Astioiden välillä on suolasilta, joka yhdistää astiat virtapiiriksi. Suolasilta myös ylläpitää sähkövarausten tasapainoa liuoksissa. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 6 / 24
Galvaaninen kenno Sähköparissa (Galvaanisessa kennossa) kemiallinen energia muuttuu sähköenergiaksi hapettumis-pelkistymisreaktion kautta. Daniellin parin rakenne 1 Sinkkisauva on upotettu sinkki-ioneja sisältävään liuokseen 2 Kuparisauva on upotettu kupari-ioneja sisältävään liuokseen 3 Sauvat on yhdistetty ulkoisella johtimella 4 Astioiden välillä on suolasilta, joka yhdistää astiat virtapiiriksi. Suolasilta myös ylläpitää sähkövarausten tasapainoa liuoksissa. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 6 / 24
Galvaaninen kenno Sähköparissa (Galvaanisessa kennossa) kemiallinen energia muuttuu sähköenergiaksi hapettumis-pelkistymisreaktion kautta. Daniellin parin rakenne 1 Sinkkisauva on upotettu sinkki-ioneja sisältävään liuokseen 2 Kuparisauva on upotettu kupari-ioneja sisältävään liuokseen 3 Sauvat on yhdistetty ulkoisella johtimella 4 Astioiden välillä on suolasilta, joka yhdistää astiat virtapiiriksi. Suolasilta myös ylläpitää sähkövarausten tasapainoa liuoksissa. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 6 / 24
Galvaaninen kenno Daniellin parissa sinkki hapettuu, jolloin sinkkilevystä siirtyy sinkki-ioneja liuokseen Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e. Vapautuvat elektronit kulkevat ulkoista johdinta pitkin kuparilevylle, jolloin kuparilevyn pinnalla liuoksessa olevat kupari-ionit pelkistyvät Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s). Parin toimiessa sinkki-ionien konsentraatio liuoksessa kasvaa ja kupari-ionien konsentraatio pienenee. Jotta varausten summa astioissa pysyisi samana, siirtyy suolasiltaa pitkin negatiivisia ioneja sinkkisulfaattiliuokseen ja positiivisia ioneja kuparisulfaattiliuokseen. Kennokaavio: Ks. Taululle Sähköparin laskennallinen lähdejännite on hapettuvan ja pelkistyvän aineen potentiaaliero. Esimerkiksi Daniellin parin lähdejännite on siis (0, 34 ( 0, 76))V = 1V. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 7 / 24
Elektrolyysi Elektrolyysi on sähkövirran aikaansaama ns. pakotettu hapettumis-pelkistymisreaktio Elektrolyytti on aine, jonka vesiliuos johtaa sähköä siinä olevien ionien ansiosta PANK muistisääntö: Positiivinen Anodi, Negatiivinen Katodi Anodilla hapettuu ja katodilla pelkistyy Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 8 / 24
Elektrolyysi Mikäli mahdollisia hapettujia/pelkistyjiä on enemmän kuin yksi, niin suuremman pelkistymispotentiaalin omaava aine pelkistyy ensin ja pienimmän pelkistymispotentiaalin omaava aine hapettuu ensin (hapettumis- ja pelkistymispyrkimys) Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 9 / 24
Elektrolyysissä erottuvan aineen määrä Elektrolyysissä muodostuvan aineen määrä on suoraan verrannollinen reaktiossa tarvittavaan sähkövaraukseen Q: Q = Ir. Jos kennon läpi kulkevien elektronien ainemäärä on n(e ), niin niiden kuljettama sähkövaraus on Q = n(e )N A e, jossa N A = Avogadron vakio = 6, 022 10 23 mol 1 ja e = elektronin ominaisvaraus = 1, 602 10 19 As. Määritellään uusi vakio F, Faradayn vakio: F = e N A = 96485 As mol. Hapettuneiden ja pelkistyneiden aineiden ainemäärät voidaan näin ollen laskea kaavasta It = znf, missä z = elektrodireaktiossa siirtyvien elektronien stoikiometrinen kerroin. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 10 / 24
Elektrolyysissä erottuvan aineen määrä Elektrolyysissä muodostuvan aineen määrä on suoraan verrannollinen reaktiossa tarvittavaan sähkövaraukseen Q: Q = Ir. Jos kennon läpi kulkevien elektronien ainemäärä on n(e ), niin niiden kuljettama sähkövaraus on Q = n(e )N A e, jossa N A = Avogadron vakio = 6, 022 10 23 mol 1 ja e = elektronin ominaisvaraus = 1, 602 10 19 As. Määritellään uusi vakio F, Faradayn vakio: F = e N A = 96485 As mol. Hapettuneiden ja pelkistyneiden aineiden ainemäärät voidaan näin ollen laskea kaavasta It = znf, missä z = elektrodireaktiossa siirtyvien elektronien stoikiometrinen kerroin. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 10 / 24
Elektrolyysissä erottuvan aineen määrä Elektrolyysissä muodostuvan aineen määrä on suoraan verrannollinen reaktiossa tarvittavaan sähkövaraukseen Q: Q = Ir. Jos kennon läpi kulkevien elektronien ainemäärä on n(e ), niin niiden kuljettama sähkövaraus on Q = n(e )N A e, jossa N A = Avogadron vakio = 6, 022 10 23 mol 1 ja e = elektronin ominaisvaraus = 1, 602 10 19 As. Määritellään uusi vakio F, Faradayn vakio: F = e N A = 96485 As mol. Hapettuneiden ja pelkistyneiden aineiden ainemäärät voidaan näin ollen laskea kaavasta It = znf, missä z = elektrodireaktiossa siirtyvien elektronien stoikiometrinen kerroin. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 10 / 24
Elektrolyysissä erottuvan aineen määrä Elektrolyysissä muodostuvan aineen määrä on suoraan verrannollinen reaktiossa tarvittavaan sähkövaraukseen Q: Q = Ir. Jos kennon läpi kulkevien elektronien ainemäärä on n(e ), niin niiden kuljettama sähkövaraus on Q = n(e )N A e, jossa N A = Avogadron vakio = 6, 022 10 23 mol 1 ja e = elektronin ominaisvaraus = 1, 602 10 19 As. Määritellään uusi vakio F, Faradayn vakio: F = e N A = 96485 As mol. Hapettuneiden ja pelkistyneiden aineiden ainemäärät voidaan näin ollen laskea kaavasta It = znf, missä z = elektrodireaktiossa siirtyvien elektronien stoikiometrinen kerroin. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 10 / 24
Metalleja Rauta Tärkeä runsaasti käytetty metalli, koska: rautamalmit maankuoressa yleisiä valmistaminen helppoa ja halpaa monipuolinen raaka-aine Tavallisimmat raudan oksidimalmit: hematiitti Fe 2 O 3 magnetiitti Fe 3 O 4 Oksidit pelkistetään korkeassa lämpötilassa raudaksi: Fe 3 O 3 (s) + 3CO(g) 2Fe(l) + 3CO 2 (g) Saatu raakarauta sisältää hiiltä noin. 4%. Teräksessä hiiltä on alle 1,7%. Ruostumattomassa teräksessä n. 18% Cr ja 8% Ni. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 11 / 24
Metalleja Rauta Ominaisuuksia: pehmeä, hopeanvalkoinen, epäjalo metalli liukenee happoihin vetyä vapauttaen ruostuu helposti esiintyy hapetusluvuilla +II ja +III Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 12 / 24
Metalleja Kupari Yksi eniten käytettyjä metalleja. Tärkeimmät malmit: kuparikiisu CuFeS 2 Kuparihohde Cu 2 S Valmistus: suldimalmi pasustetaan ensin osittain oksidiksi, joka sitten pelkistyy Cu 2 S:n vaikutuksesta kupariksi: 2 Cu 2 S + 3 O 2 2 Cu 2 O + 2 SO 2 Cu 2 S + 2 Cu 2 O 6 Cu + SO 2 liekkisulatusmenetelmässä pasutus ja pelkistys tapahtuvat samassa uunissa. Saatavan kuparin puhtausaste on noin 99%. Raakakupari puhdistetaan elektrolyyttisesti. Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 13 / 24
Metalleja Kupari Ominisuuksia: punertava, sitkeä, venyvä ja melko pehmeä hyvä lämmön- ja sähkönjohde kosteassa ilmassa pinnalle muodostuu vihertävä kerros, PATINA, (emäksinen kuparikarbonaatti Cu 2 (OH) 2 CO 3 ) Alumiini Kevyt, hopeanharmaa metalli luonossa yhdisteinä ilmassa pinnalle muodostuu suojaava oksidikerros kestää hyvin ilman ja veden vaikutusta Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 14 / 24
Metalleja Alumiini Pelkistää muita metalleja oksideista. Esim: 2 Al + Fe 2 O 3 Al 2 O 3 + 2 Fe reagoi sekä happojen että emästen kanssa (amfoteerinen) kestää kuitenkin hapettavia happoja (esim HNO 3 ) oksidikerroksen ansiosta valmistetaan elektrolyyttisesti kryoliitin (Na 3 AlF 6 ) ja puhdistetun bauksiitin (Al 2 O 3 ) sulatteesta. Valmistaminen kallista käyttö: kevytmetalliseoksissa sähköjohtimet ja laitteet pakkausmateriaalina Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 15 / 24
Alkalimetallit Uloimmalla kuorella vain yksi elektroni. Esiintyvät luonnossa ioniyhdisteinä, hapetusluvulla +I. Ominaisuuksiltaan keskenään samankaltaisia: Natrium melko pehmeitä, keveitä metalleja sulamis- ja kiehumispisteet alhaisia voidaan tunnistaa liekkireaktiolla Hopeanvalkea, veitsellä leikattava, kiiltävä metalli. Tummuu nopeasti ilmassa natriumoksidiksi: Palaa natriumperoksidiksi: 4 Na(s) + O 2 (g) 2 Na 2 O(s) 2 Na(s) + O 2 (g) 2 Na 2 O 2 (s) Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 16 / 24
Alkalimetallit Natrium erittäin voimakas pelkistin 2 Na(s) + H 2 O(l) 2 NaOH(aq) + H 2 (g) OH -ionit tekevät liuoksen emäksiseksi eli alkaliseksi valmistus elektrolyyttisesti välttämätön ravintoaine käytetään mm. teiden valaistuksessa Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 17 / 24
Alkalimetallit Natriumyhdisteitä natriumhydroksidi NaOH syövyttää, veteen hyvin liukeneva, hygroskooppinen ioniyhdiste (imee ilmasta vettä itseensä) teollisuuden peruskemikaali natriumvetykarbonaatti Na 2 HCO 3 (ruokasooda) käytetään mm. leivinjauheissa hajoaa kuumennettaessa 2 NaHCO 3 (s) Na 2 CO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(g) natriumkarbonaatti Na 2 CO 3 (sooda) reagoi happojen kanssa muodostaen hiilidioksidia NaCO 3 (s)hcl(aq) NaCl(aq) + H 2 O(l) + CO 2 (g) Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 18 / 24
Maa-alkalimetallit uloimmalla kuorella kaksi elektronia esiintyvät luonnossa vain yhdisteinä M 2+ -ioneina hapetusluku yhdisteissä +II melko keveitä metalleja sulamis- ja kiehumispisteett korkeampia kuin alkalimetalleilla kovempia kuin alkalimetallit kaikki reagoivat veden kanssa muodostaen vetykaasua valmistus elektrolyyttisesti Magnesium magnesium esiintyy merivedessä hopean värinen kevyt metalli käytetään keveissä metalliseoksissa sekä hätä- ja ilotulitusraketeissa Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 19 / 24
Maa-alkalimetallit Kalsium puhtaana alkuaineena ei juurikaan merkitystä yhdisteet elottoman ja elollisen luonnon rakennusaineita kalsiumin reaktioita: Ca(s) + H 2 O(l) Ca(OH) 2 (aq) + H 2 (g) CaCO 3 hajoaa kuumennettaessa: CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) CaO=poltettu kalkki kalkin sammutus: CaO(s) + H 2 O(l) Ca(OH) 2 (aq) Ca(OH) 2 =sammutettu kalkki Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 20 / 24
Maa-alkalimetallit Kalsium kalsiumin reaktioita: muurilaasti: Ca(OH) 2 :n, hiekan ja veden seos, joka kovettuu ilman CO 2 :n vaikutuksesta Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 (s) + H 2 O(l) CaCO 3 reagoi hapon kanssa: CaCO 3 + H 2 SO 4 CaSO 4 + CO 2 + H 2 O Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 21 / 24
Polymeerit Polymeerit ovat pitkäketjuisia orgaanisia molekyylejä, joissa toistuvat samat rakenneyksiköt Muodostuvat monomeereistä (polymeerin pienin rakenneyksikkö) erilaisissa polymeroitumisreaktioissa Voidaan jaotella synteettisiin (valmistettu laboratoriossa) ja luonnon (elävän solun valmistama makromolekyyli) polymeereihin Jaottelu voidaan tehdä myös polymeerin valmistamiseen tai syntymiseen liittyvän reaktiotyypin mukaan Additiopolymeerit Kondensaatiopolymeerit Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 22 / 24
Polymeerit Polyadditio Jos monomeerit ovat tyydyttymättömiä (sisältävät kaksois- tai kolmoissidoksia), ne saadaan liittymään toisiinsa polyadditiolla katalyytin vaikutuksesta Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 23 / 24
Polymeerit Polykondensaatio Kondensaatiopolymeerit syntyvät useita funktionaalisia ryhmiä sisältävien molekyylien liittyessä yhteen kondensaatioreaktiolla. Tällaisia yhdisteitä ovat esimerkiksi diolit (sisältävät kaksi hydroksyyliryhmää), diamiinit (sisältävät kaksi aminoryhmää) ja dikarboksyylihapot (sisältävät kaksi karboksyyliryhmää) Tuomas Hentunen KE04 Kevät 2016 24 / 24