PROSESSI - JA YM P ÄRI STÖTEKNII K AN OS ASTO I lmi ömalli nnus prosessi metallurgi assa, 201 2 Teema 4 Tehtävänanto ja työselostusohje 21.9.2012 SÄHKÖKEMIALLISTEN REAKTIOIDEN TERMODYNAMIIKKA JA KINETIIKKA Tavoite Yleistä Tavoitteena on, että tehtävät suoritettuaan opiskelijat osaavat käyttää Pourbaix- ja Evans-diagrammeja mm. hydrometallurgiaan ja korroosiotarkasteluihin liittyen sekä osaavat riittävästi sähkökemian perusteita kuvien tulkintaa varten. Tässä dokumentissa on kuvattu ohjeet, jonka pohjalta 4. teeman suoritukseksi vaadittava oppimispäiväkirja laaditaan. Oppimispäiväkirja tehtävineen liittyy 15.10, 16.10, 18.10 ja 22.10 pidettäviin luentoihin, joissa käsitellään asioita, jotka on hallittava oppimispäiväkirjaa laadittaessa. Luennoille osallistuminen ei kuitenkaan ole välttämätöntä, vaan vastaavat tiedot saa halutessaan hankkia myös muista lähteistä. Oppimispäiväkirjat laaditaan joko yksin tai pareittain ja ne on palautettava kurssin vastuuopettajalleviimeistään 5.11.2011 joko paperiversiona (huoneeseen PR125 tai postilokeroon, joka löytyy prosessimetallurgian laboratorion tiloista) tai sähköisesti pdftiedostona sähköpostin liitetiedostona. Kirjallisten tuotosten laatimisesta annettuja yleisiä ohjeita (joita kannattaa noudattaa) löytyy prosessimetallurgian laboratorion www-sivulta osoitteesta: http://www.oulu.fi/pyomet/muut_opetusasiat Oppimispäiväkirjaan sisällytettävät asiat Tehtävä 1 Tehtävä 2 Oppimispäiväkirjasta on löydyttävä (selkeästi toisistaan eroteltuina) vastaukset seuraaviin kymmeneen tehtävään. Se, miten ja missä laajuudessa tehtäviin on vastattu, on opiskelijoiden päätettävissä. Jokaisesta tehtävästä voi saada maksimissaan yhden pisteen, jolloin oppimispäiväkirjasta voi saada maksimissaan 10 pistettä. Tehtävien aiheet jakautuvat siten, että tehtävät 1 ja 2 ovat luonteeltaan yleisiä, tehtävät 3 ja 4 liittyvät 15.10 pidettävään luentoon, tehtävät 5 ja 6 16.10 pidettävään luentoon, tehtävät 7 ja 8 18.10 pidettävään luentoon ja tehtävät 9 ja 10 22.10 pidettävään luentoon. Mainitse joitain esimerkkejä siitä, miten sähkökemia liittyy omaan alaasi (prosessimetallurgia, prosessitekniikka, ympäristötekniikka, tuotantotalous, jne.). Millaisissa tehtävissä toimiessasi sähkökemian osaamisesta voisit kuvitella olevan hyötyä? Miten? Miksi? Luettele muutamia (noin 5?) kirjallisuuslähteitä (kirjoja, P R O S E S S I - J A Y M P ÄRI S T Ö T E K N I I K AN O S AS T O P u h. 0 2 9 4 4 8 2 5 5 9 P r o s e s s i m e t a l l u r g i a n l a b o r a t o r i o P L 4 3 0 0 E e t u - P e k k a H e i k k i n e n 9 0 0 1 4 O U L U N Y L I O P I S T O w w w. o u l u. f i / p y o m e t / 4 7 7 4 1 2 s

2(5) oppimateriaaleja, lehtiartikkeleita, konferenssiesitelmiä, raportteja, jne.), jotka liittyvät sähkökemiaan ja joista voisit myöhemmin tarvittaessa hakea lisätietoa? Ko. aineistoja ei tarvitse lukea läpi kokonaisuudessaan, mutta tutustu niihin siinä määrin, että osaat kuvailla jokaisen esittämäsi lähteen keskeisimmän sisällön parilla virkkeellä. Tehtävä 3 Tehtävä 4 Selitä lyhyesti galvaanisen kennon ja elektrolyysikennon osat sekä toimintaperiaate. Esittele lisäksi lyhyesti vähintään yksi käytännön esimerkki molemmista tapauksista. On yleisesti tunnettua, että kupari on rautaa jalompi metalli. Tämä on havaittavissa mm. alla olevasta taulukosta, jossa on esitetty muutamien hapetus-pelkistys-reaktioiden standardielektrodipotentiaalien (E 0 ) arvoja. On kuitenkin havaittu, että ferrikloridin vesiliuos pystyy liuottamaan itseensä kuparia eli toisin sanoen hapettamaan kuparin kahdenarvoiseksi. Pohdi, mistä moinen voisi johtua (ainakin yksi perustelu on pääteltävissä alla olevasta taulukosta).

3(5) Tehtävä 5 Tehtävä 6 Kerro mitkä tekijät tekevät elektrolyyttiliuosten (esimerkiksi vesipohjaisten liuosten) termodynaamisesta mallinnuksesta haastavaa. Perustele. Nimeltä mainitsematon kotimainen kivennäisvesi sisältää veteen liuenneena 180 mg MgCl2:a ja 10 mg NaCl:a kilogrammassa vettä. Mikä on liuoksen ionivahvuus? Moolimassoja: Mg = 24,3 g/mol / Na = 23,0 g/mol / Cl = 35,5 g/mol Tehtävä 7 Tehtävä 8 Etsi kirjallisuudesta yksi tutkimusraportti/selvitys/artikkeli/vastaava, jossa on hyödynnetty Pourbaix-piirroksia joko hydrometallurgisten prosessien tai korroosion tarkasteluun. Referoi kyseisen tekstin Pourbaix-piirrosta ja sen soveltamista käsittelevä osio (siis ei koko tekstiä) lyhyesti (n. 1-3 sivua). Metallurgian yliopisto-opettaja N. N. osti viime vuonna kesähuvilan Ruukista luonnonkauniilta paikalta Siikajoen pohjoisrannalta. Huvilan piharakennuksen vintiltä hän löysi lähes antiikkisen mopon pakoputken, jonka ajatteli sopivan hyvin omaan Tunturi-merkkiseen kulkuneuvoonsa. Ongelmana oli kuitenkin pakoputken kromaus, joka oli monin paikoin rikkoutunut, minkä seurauksena alta paljastunut teräs oli ruostunut. Pakoputken kunnostamiseksi tulisi vanha kulunut kromipinnoitus poistaa, minkä jälkeen alta paljastunut pakoputki voitaisiin puhdistaa ruosteesta ja pakoputki voitaisiin kromata uudelleen. Pohdittavana olisi enää se, miten vanha kromipinnoite saataisiin poistettua pakoputkesta ilman, että alla oleva teräs (= rauta) vahingoittuisi. Hydrometallurgian asiantuntijana yliopisto-opettaja N. N. päätti selvittää olisiko kromin poisto mahdollista elektrolyyttisesti/ sähkökemiallisesti. Toisin sanoen olisiko mahdollista aikaansaada olosuhteet (liuoksen ph ja ulkoinen jännite), joissa kromi liukenee elektrolyyttiliuokseen, mutta rauta ei. Hetken asiaa pohdittuaan (ja laadittuaan kaksi asiaa kuvaavaa Pourbaix-piirrosta, jotka on esitetty tehtävänannon lopussa) yliopisto-opettaja päätti sittenkin päästä helpommalla ja antaa opiskelijoiden tehdä selvitystyön puolestaan. Alla olevissa kuvissa on esitetty yliopisto-opettajan laatimat Pourbaix-piirrokset raudalle ja kromille huoneenlämpötilassa. Selvitä kuvaajien pohjalta, onko olemassa sellaisia olosuhteita, joissa kromi saadaan liukenemaan elektrolyyttiliuokseen raudan kuitenkaan liukenematta. Ja jos on, niin mitkä ovat ko. olosuhteet? Mitä muita olosuhdemuuttujia (ph:n ja ulkoisen jännitteen lisäksi) systeemissä voitaisiin muuttaa halutunkaltaisten olosuhteiden aikaansaamiseksi? HUOM! Näiden olosuhdemuuttujien vaikutusta tilanteeseen ei voida tarkastella alla olevia kuvia käyttäen, mutta ne voitaisiin huomioida jo kuvia laadittaessa.

4(5) Raudan Pourbaix-diagrammi huoneenlämpötilassa: Eh (Volts) 2.0 Fe - H2O - System at 25.00 C 1.5 1.0 Fe(+3a) Fe2O3 0.5 0.0-0.5 Fe(+2a) Fe3O4-1.0-1.5 Fe -2.0 0 2 4 6 8 10 12 14 D:\HSC\Fe25.iep ph ELEMENTS Molality Pressure Fe 1.000E+00 1.000E+00 Kromin Pourbaix-diagrammi huoneenlämpötilassa: Eh (Volts) 2.0 Cr - H2O - System at 25.00 C 1.5 1.0 CrO2 Cr2O7(-2a) CrO4(-2a) 0.5 CrOH(+2a) 0.0 Cr2O3-0.5-1.0 Cr(+2a) Cr(OH)4(-a) -1.5-2.0 Cr 0 2 4 6 8 10 12 14 D:\HSC\Cr25.iep ph ELEMENTS Molality Pressure Cr 1.000E+00 1.000E+00 Tehtävä 9 Etsi kirjallisuudesta yksi tutkimusraportti/selvitys/artikkeli/vastaava, jossa on hyödynnetty Evansin diagrammeja (kutsutaan myös Ritchie-diagrammeiksi) joko hydrometallurgisten prosessien tai korroosion tarkasteluun. Referoi kyseisen tekstin Evansin diagrammeja ja sen soveltamista käsittelevä osio (siis ei koko tekstiä) lyhyesti (n. 1-3 sivua).

5(5) Tehtävä 10 Alumiinia voidaan pinnoittaa sinkillä prosessissa, jossa pinnoitettava alumiinikappale upotetaan Zn(OH)4 2- -ioneja (engl. zincate) sisältävään emäksiseen liuokseen (esim. NaOH:n vesiliuos), jolloin olosuhteet halutunlaisiksi valitsemalla voidaan aikaansaada sähkökemiallinen reaktio, jossa alumiini hapettuu ja sinkki pelkistyy alumiinin kappaleen pinnalle pinnoitteeksi: 3 Zn(OH) 4 2 + 2 Al 3 Zn + 2 Al(OH) 4 + 4 OH Alla olevassa Ritchie- (tai Evans-) diagrammissa on kuvattu alumiinin hapettumista ja sinkin pelkistymistä neljällä eri Zn(OH)4 2- -ionien konsentraatiolla. Vastaa kuvaajan pohjalta seuraaviin kysymyksiin: 1. Määritä edellä esitetyn kokonaisreaktion pohjalta anodinen ja katodinen osareaktio. 2. Millä kuvassa esitetyistä Zn(OH)4 2- -ionien konsentraatioilla yllä esitetty reaktio on aineensiirron ja millä konsentraatioilla vastaavasti kemiallisen reaktion rajoittama? Perustele. 3. Mitkä ovat sinkin pelkistymisnopeutta kuvaavat virrantiheydet kuvassa esitetyille Zn(OH)4 2- -ionien konsentraatioille? Kuinka paljon sinkkiä (massayksikköä per pinta-ala ja aikayksikkö; esim. g m -2 s -1 ) tällöin pelkistyy eri konsentraatioilla? 4. Millainen vaikutus sekoituksen parantamisella olisi neljässä kuvassa esitetyssä tilanteessa?