1 Oulun seudun ammattikorkeakoulu Kemian opetuksen päivät Tekniikan yksikkö OULU 2012 Workshop: Tekniikan kemia OAMK:ssa Miksi betonissa rauta ruostuu ulkopuolelta ja puussa sisäpuolelta? Rautatanko betonissa: Kun sementti kovettuu, se reagoi veden kanssa ja muodostuu kalsiumsilikaattihydraattia (Ca 2 SiO 4 x H 2 O), joka sitoo sementin, raudan ja soran yhtenäiseksi betoniksi. Samalla muodostuu emäksistä kalsiumhydroksidia. Emäksissä olosuhteissa rauta muodostaa pinnalleen Fe 2 O 3 -suojakerroksen eikä korrodoidu. Raudan korroosion nopeus ph Rautanaula puussa: Rautanaulan varsi on puun sisällä vähähappisissa olosuhteissa, kun taas kanta on puun ulkopuolella ilmassa, jossa happipitoisuus on suurempi. Muodostuu konsentraatiokenno, jossa elektroneja siirtyy puun sisällä olevasta naulan varresta kantaan päin, happimolekyyli pelkistyy ja happipitoisuudet pyrkivät tasoittumaan. Tavallisesti ilman happi ottaa metallin luovuttamat elektronit vastaan ja reagoi edelleen veden / ilman kosteuden kanssa muodostaen hydroksidi-ioneja (happamissa olosuhteissa metalli luovuttaa elektroninsa vetyionille jolloin muodostuu vetykaasua). Sama periaate on myös ns. rakokorroosiossa. Rakoon on tiivistynyt kosteutta, jossa happipitoisuus on pienempi kuin ilmassa. Fe(s) 2 e - + Fe 2+( aq) e- e- e- e- 2 e - + ½ + 2 H 2 OH - 2
2 Miksi vesijohtoverkostossa voidaan virtaussuunnassa kupariputki liittää rautaputken perään, mutta ei päinvastoin? 1. Virtaussuunnassa ensin rautaputki: Kun rautaputki on virtaussuunnassa ensin, sen pinnasta voi liueta Fe 2+ -ioneja virtaavaan veteen. Ota pala kuparia ( kupariputki ) ja upota se Fe 2+ -ioneja sisältävään liuokseen. Mitä tapahtuu? (Vastaus: Putkeen saostuneista rautaoksideista tai suoloista irronneet epäjalot rautaionit eivät vahingoita jalompaa kupariputkea) Fe Cu Fe 2+ Fe 2+ 2. Virtaussuunnassa ensin kupariputki: Kun kupariputki on virtaussuunnassa ensin, sen pinnalla olevasta suojakerroksesta voi liueta Cu 2+ -ioneja virtaavaan veteen. Ota rautanaula ( teräsputki ) ja upota se Cu 2+ -ioneja sisältävään liuokseen. Mitä tapahtuu? (Vastaus: Putkeen saostuneista kuparioksideista tai suoloista irronneet jalommat kupari-ionit hapettavat rautaputken. Rautaputki syöpyy.) Cu Cu Cu 2+ Cu 2+ + 2 e - Fe Fe 2+ (aq)
3 Lyijyakun toiminta Lyijyakun toiminta perustuu sähkökemiallisten kennojen reaktioihin. Akussa on käytössä kaksi lyijyelektrodia ja elektrolyyttinä rikkihappo. Normaalipotentiaalitaulukosta saadaan tapahtuvat kemialliset reaktiot: Pb 2+ + 2e => Pb Pb +S 4 +4H + + 2e => PbSO 4 +H 2 O E 0 = 0,13 V E 0 = +1,68 V Reaktion E 0 arvoista nähdään, että reaktio Pb 2+ + 2e => Pb on galvaanisen kennon hapettumisreaktio, eli reaktio käännetään. Kun siis reaktio on spontaani, kyseessä on akun purkaminen ja tällöin tapahtuu reaktiot: Anodi, eli napa: Pb => Pb 2+ + 2e Katodi, eli +napa: Pb +S 4 +4H + + 2e => PbSO 4 +H 2 O Akun purkautuessa kyseessä on galvaaninen kenno, joka tuottaa virtaa. Lyijyakun purkautuessa, rikkihapossa H 2 SO 4 oleva rikki siirtyy lyijylevyille PbSO 4 :na. Täysin tyhjän akun levyt ovat lyijysulfaattia PbS ja happo on laimentunut. Akkua ladattaessa reaktioon tuodaan ulkopuolista virtaa, jolloin muodostuu elektrolyysikenno. Tällöin purkamisessa tapahtuneet reaktiot kääntyvät vastakkaisiksi. Katodi Pb 2+ + 2e => Pb Anodi PbSO 4 +H 2 O => Pb +SO 4 2 +4H + + 2e Akun latautuminen väkevöittää akkuhappoa. Reaktio ei tapahtuisi spontaanisti, joten reaktion aikaansaamiseksi tarvitaan ulkopuolista virtaa. Lyijyakkua ladattaessa miinuslevylle muodostuu lyijysulfaatista lyijyä (Pb) ja pluslevylle lyijysulfaatista lyijyoksidia Pb.
4 Miten kiillotan keittiössä hopeaesineet? Hapetuspelkistys-reaktio on yksi kemian perusreaktiosta. Tässä työssä käytetään tätä reaktiotyyppiä hyväksi ja kiillotetaan tummuneet hopeaesineet. Hopeaesineiden pinnalle muodostunut epäpuhtaus on peräisin ilman rikistä. Rikki reagoi hopean kanssa muodostaen mustaa hopeasulfidia Ag 2 S. Hopean kiillottaminen on siis rikin poistamista hopean pinnalta. Kokeen suorittaminen Puhdistamista varten tarvitaan: - tummuneet hopeaesineet - alumiinifolio - lämmintä vettä - ruokasuolaa 2-3 rkl Laita astiaan lämmintä vettä, reilusti alumiinifoliota pohjalle sekä hopeaesineet alumiinifolion päälle. Lisää suolaa liuokseen 2-3 ruokalusikkaa sekä sekoita hiukan liuosta. Hopeaesineet voi myös peittää foliolla. Anna reaktion seistä n. 10 minuuttia, jonka jälkeen voit ottaa hopeaesineet pois ja kuivata ne lopuksi. Reaktion kemiallinen tausta Reaktio perustuu metallien jännitesarjaan: Reaktion toteutumista varten on rakennettu galvaaninen kenno: 2 metallia sekä elektrolyytti (liuos). Galvaanisessa kennossa epäjalompi aine hapettu ja jalompi pelkistyy. Tässä tapauksessa alumiini epäjalompana hapettuu, eli luovuttaa elektroneja. Hopea jalompana pelkistyy eli vastaanottaa elektroneja. Reaktiossa alumiini reagoi hopeasulfidin kanssa siten, että rikki irtoaa hopeasta ja yhdistyy alumiinin kanssa: 3 Ag 2 S + 2 Al 6 Ag + Al 2 S 3 Reaktio toteuttamista varten alumiinin ja hopean on oltava kosketuksissa toisiinsa. Ruokasuolan tehtävä reaktiossa on nopeuttaa sitä eli toimia katalysaattorina. Tällaista reaktiota voidaan kutsu myös sähkökemialliseksi reaktioksi, sillä reaktion toimiminen tuottaa virtaa.
5 (ANIMAATIO: http://www.youtube.com/watch?v=a6rr4kpsnle) Miksi kosteus leviää talossa? 1.MUOVI Perusuovit ovat hiilivety-yhdisteitä, joissa -C C - ja - C H kovalenttiset sidokset ovat poolittomia. Tällöin ne hylkivät poolisia vesimolekyylejä. Ainoa sidostyyppi näiden välillä on hyvin heikko dispersio. 2. BETONI Betoni muodostuu sementistä, vedestä ja kiviaineksesta. Sementin pääkomponentteja ovat kalsium- ja piikoksidit, jotka sementin kovettuessa reagoivat veden kanssa lämpöä tuottaen: 3 CaO Si + H 2 O Ca 2 SiO 4 x H 2 O + Ca(OH) 2 + lämpöenergia ( kalsiumsilikaatti + vesi kalsiumsilikaattihydraatti + kalsiumhydroksidi + lämpöenergia) Betonin perusrakenteessa on ionisidoksellisia kalsiumyhdisteitä. Ioneilla on sähkövaraus, jonka vuoksi pooliset vesimolekyylit hakeutuvat varauksellisten ionien läheisyyteen (ionidipolisidos).
6 3. PUU Puu muodostuu selluloosamolekyyleistä, joita ligniini liimaa toisiinsa. Selluloosa on glukoosimolekyyleistä polymeroitumisen kautta muodostunut makromolekyyli, joka sisältää useita poolisia hydroksyyliryhmiä. Vesi voi muodostaa selluloosan hydroksyyliryhmien kanssa vetysidoksia, jonka vuoksi vesimolekyylit hakeutuvat puuhun. Paperi on selluloosasta valmistettu tuote, joten siellä tapahtuu samoin. 4. LASI Lasi on perusrakenteeltaan piin oksidi, jossa pii ja happi muodostavat verkkomaisen amorfisen rakenteen. Piin ja hapen välinen kovalenttinen sidos on poolinen (elektronegatiivisuusero), jonka vuoksi lasin ja vesimolekyylien välille muodostuu vetovoimia (vetysidos, dipoli-dipolisidos). Jos vesimolekyylien ja lasin välinen vetovoima on suurempi kuin vesimolekyylien välinen vetovoima, niin vesipinta nousee reunoilla (adheesio). Jos nesteen rakenneosien välien vetovoima on suurempi kuin nesteen ja lasin välinen, niin nestepinta painuu reunoilla (koheesio, esim. Hg Hg, metallisidos > Hg lasi, ioni-dipoli) adheesio koheesio