2 Elektrokjemi

Question 1

Redokspar

Answer 1

Et stoff som har sitt maksimale antall elektroner, vil vaere på sin reduserte form.

Hvis stoffet gir fra seg elektronene, vil det vaere på sin oksiderte form.

Disse to formene kaller vi redoksparet for stoffet.

Spenningsrekka viser oss en rekke stoffer, sortert etter evne til å ta opp elektroner.

Question 2

Spenningsrekka

Answer 2

Spenningsrekka viser oss en rekke stoffer, sortert etter evne til å ta opp elektroner.

Question 3

Metaller i vann

Answer 3

Metaller løses vanligvis ekstremt dårlig i vann. Noen partikler går ut i vannet, men det vil skje i en veldig liten grad.

Dette skjer ved at metallatomene går ut i løsningen som ioner, mens elektronene blir igjen på metallbiten.

Question 4

Spenningsrekka

E⁰_red

oksiderende evne

Answer 4

Jo høyere E⁰_red Jo bedre til åta opp e^-

Fra bildet sammeligne alle med H

Question 5

Hva er edelmetaller

Answer 5

Edelmetallene er gull, sølv og platinametallene. De kalles «edle» fordi de ikke reagerer med oksygen og vann, og heller ikke løses i fortynnede syrer. I naturen forekommer de gjerne i fri tilstand.

Kvikksølv er et halvedelt metall. Aluminium, jern og sink er uedlemetaller.

Standard elektrodepotensial er et mål for metallenes edelhet. Jo høyere dette potensialet er, jo edlere er metallet. Gull er det edleste av alle metaller.

Question 6

standard elektrodepotensial

Answer 6

Standard elektrodepotensial er innen kjemi det elektrokjemiske potensialet for elektrodereaksjoner med elektrolytter basert på vann som løsningsmiddel. «Standard» refererer til standardtilstand, som er rene forbindelser ved kjemisk aktivitet lik en.

Question 7

Krav til en spontan redoksreaksjon:

Answer 7

1. Vi må ett stoff på oksidert form (som kan ta opp e-),
   og ett stoff på redusert form (som kan avgi e-)
2. Stoffet som skal ta opp e- må ha høyere E⁰_red
   enn stoffet som skal avgi e^-. Hvis ikke klarer det
   ikke å ta elektroner fra stoffet som skal avgi
   dem.

Question 8

to typer elektrokjemiske celler

Answer 8

1. Galvaniske celler
   - overgang fra kjemisk energi til elektrisk energi
   - spontan redoksreaksjon
   - batteri
2. Elektrolyseceller
   - overgang fra elektrisk energi til kjemisk energi
   - ikke-spontan redoksreaksjon
   - brukes ofte til å renframstille stoffer, for eksempel metaller som ligger langt nede i spenningsrekka.
   - ladning fylle i batteri

Question 9

Elektrolytt

Answer 9

Et flytende stoff som inneholder ioner og derfor kan lede strøm (transport elektroner). Vanligvis er vandig løsning av et salt.
Kan også være en løsning av en syre eller en base, eller et smeltet salt.

Question 10

Elektrode

Answer 10

Laget av et fast stoff som kan lede strøm(treansportere elektroner).
Oftestlaget av et metall eller grafitt

Question 11

Inert elektrode

Answer 11

En elektrode som består av et materiale som ikke selv kan inngå i en redoksreaksjon. Vanlig inerte elektroder er av grafitt eller platina.

Question 12

Katode

Answer 12

Elektroden hvor det skjer en reduksjon

Question 13

Anode

Answer 13

Elektroden hvor det skjer en oksidasjon

Question 14

Galvanisker celler

Answer 14

Galvaniske celler er vanligvis delt opp i to adskilte halvceller.

I den ene halvcella skjer det en oksidasjon, og i den andre skjer det en reduksjon

De to halvreaksjonene i redoksreaksjon skjer altså på hvert sitt sted.

Dette medfører at elektronene som avgis i oksidasjonen må vandre gjennom en elektrisk leder for å komme dit reduksjonen skjer.

Da oppstår det Elektrisk strøm!

Question 15

Halvceller

Answer 15

En halvcelle består av en elektrode som står i en elektrolytt.

I en halvcelle har vi ofte både den oksiderte og den reduserte formen av et gitt stoff - vi har altså et redokspar der.

Vanligvis er dette en metallelektrode som står i en elektrolytt som inneholder ioner fra det samme metallet. For eksempel en kobbeelektrode som står i en Kobbersulfat løsning CuSO₄(aq)

Når begge delene av redokparet er til stedet, så kan halvcellen benyttes både som katode og anode, avhengig av hva vi kobler den sammen med.

Question 16

Daniellcella

Answer 16

Daniellcella er et eksempel på en galvanisk celle

Den består av en sinkhalvcelle og en kobberhalvcelle.

Sinkhalvcella er en sinkelektrode i en sinksulfatløsning, ZnSO₄(aq)

Kobberhalvcella er en kobberelektrode i en kobbersulfat løsning, CuSO₄(aq)

Question 17

3 faktorer som kan medføre at daniellcella slutter å gi strøm.

Answer 17

1. Sinkstaven kan bli brukt opp. Da blir det ikke frigjort flere elektroner.
2. Det kan også gå tomt for vobberioner. Da blir det ikke tatt opp flere elektroner.
3. Saltbrua kan går tomt for ioner. Da vil ikke utlignet ladningforskjellene, og reaksjonene stopper opp.

Question 18

Cellepotensialet

Answer 18

Cellepotensialet i en galvanisk celle er den elektriske spenningen som oppstår mellom de polene i cella.

Vi beregner cellepotensialet ut fra potensialene for halvreaksjonene.

E⁰_red+E⁰_oks=E⁰_celle

ikke glemme å skiftenfortegn(t tabellen viser potensialet for reduksjonen)

Question 19

Blyakkumulatoren

Answer 19

Blyakkumulatoren er en galvanisk celle som kan lades opp igjen, det er altså et oppladbart batteri.

Det er svært stabilt, og tåler svært mange oppladinger.

Dette er tradisjonelt batteritypen som blir brukt i biler.(ikke el-biler)

Batteriet har to store ulemper:

• Bly er et svært miljøskadelig tungmetall.
• Elektrolytten i batteriet er svovelsyre, og det er derfor risiko dersom batteriet lekker.

Den ene elektroden er av fast bly, Pb, og den andre av bly(IV)oksid, PbO2. Begge elektrodene står i samme elktrolytt av svovelsyre, H2SO4.
Fordi siden elektrolytten er den samme i begge halvcellene

Question 20

Brenselcelle

Answer 20

En brenselcelle fungerer på mange måter som en galvanisk celle:

1. Det skjer en spontan redokreaksjon som vi kan utnytte for å få strøm.
2. Reduksjonen og oksidasjonen skjer på hver sitt sted, og elektronene kan vandre fra anoden til katoden gjennom en ytr leder.

Men det er en viktig forskjell: I en brenselcelle kan vi etterfylle reaktantene til redoksreaksjonen, og vi kan tappe ut produktene som dannes.

Question 21

PEM-cella

Answer 21

En vanlig brenselcella er PEM-cella.

Det består og to kammer som er adskilt av en PEM.membran (Proton Exchange Membrane)

En membran kan slippe igjennom enkelte stoffer, men holde tilbake andre.

Membranen i PEM-cella er dekket av et platinagitter. Platina (og en del andre metaller) har den egenskapen at mange gasser lett adsorbere på overflaten av metallet.

Platina vil fungere som en katalysator i PEM-cella.

Question 22

PEM-cella (2)

Answer 22

Question 23

Hydrogenelektroden

Answer 23

I halvcellene vi har sett på så langt, har vi brukt redoksparene til metaller.

Da har vi en elektrode av metall som kan lede elektroner, mens vi har metallioner i elektrolytten.

Dersom vi skal lage en halvcelle med redoksparet til hydrogen, så får vi et problem. Hydrogen på redusert form er hydrogengass! Vi får ikke til å lage en elektrode som overfører elektroner av et stoff som er på gassform.

Som elektrolytt bruker vi 1M saltsyreløsning, HCl (aq).

Det gir oss H+-ioner, altså hydrogen på oksidert form, i elektrolytten.

Vi bobler hydrogen på redusert form, altså hydrogengass, H2 (g), gjennom elektrolytten. Da har vi redoksparet H+ / H2 tilgjengelig i halvcella

Vi bruker platina som elektrode. Platina er inert og vil ikke reagere selv.

Hydrogengass adsorberes på overflaten av metallet. Dermed er platinaet i kontakt med både hydrogengassen og hydrogenionene.

Hydrogenelektroden kan da brukes både som katode og som anode:
Katode: 2H+ + 2e- ⟶ H2
Anode: H2 ⟶ 2H+ + 2e-

Question 24

Hvor for er Pt en god katalysator

Question 25

Oksiderende syrer

Answer 25

I en «vanlig» syre er det H+-ioner som kan ta elektroner fra stoffer som har lavere reduksjonspotensiale. Da reduseres hydrogenionene til hydrogengass, og oksidasjonstallet for hydrogen minker fra +I til 0.

En oksiderende syre er en kombinasjon av H+-ioner og et sammensatt negativt ion som inneholder oksygen og et annet grunnstoff. Det andre grunnstoffet har da ofte et høyt oksidasjonstall.

I en oksiderende syre er det IKKE H+ som blir redusert. Det som reduseres er grunnstoffet som er sammen med oksygen i det sammensatte ionet!!!

Question 26

Saltbrua

Answer 26

En løsning der ioner fraktes i begge retninger for å holde nøytral ladning rundt begge elektrodene i cella.

Question 27

Standard cellepotensial

Answer 27

Spenningsforskjellen mellom negativ og positiv pol i en celle ved standardtilstanden.

Question 28

Hva betyr Reduserende evne

Answer 28

Evne til å redusere andre.

Reduksjonmiddel

Question 29

Elektrolyse

Answer 29

I en elektrolyse bruker vi en strømkilde(må har nok spenning) og sender strøm gjennom en elektrolytt.

En elektrolytt er et flytende stoff eller en løsning som inneholder ioner. Vi har to hovedtyper elektrolytter:

1. Et Smelte salt (Ganske ugunstig men av og til er det uløselig)
2. En vannløsning av et salt

(Også løsninger av syrer og baser vil fungere som elektrolytter,
fordi de danner ioner i løsningen)

Question 30

Smelteelektrolyse

Answer 30

I en smelte finnes det to ting:
Positive ioner
Negative ioner

Dermed skjer alltid følgende:
1. De positive ionene vil bli trukket til den negative
elektroden. Der får de tilført e- og blir reduserte.
2. De negative ionene trekkes til den positive elektroden.
Der blir de fratatt e- og blir oksiderte

Question 31

Elektrolyse av vannløsning

Answer 31

I en vannløsning av et salt finnes det tre ting:

• Positive ioner
• Negative ioner
• Vann

Vann kan både oksideres og reduseres. Derfor får vi to alternative oksidasjoner og to alternative reduksjoner:

1. De positive ionene eller vann vil bli reduserte ved den
   negative elektroden
2. De negative ionene eller vann blir oksiderte ved den
   positive elektroden

Question 32

Vann kan både oksideres og reduseres

form

Answer 32

Reduksjon av vann:
2H₂O + 2e^- ⟶ H₂ + 2OH^- E⁰_red = - 0,83 V

Oksidasjon av vann:
2H₂O ⟶ O₂ + 4H⁺ + 4e^- E⁰_oks = - 1,23 V

Question 33

Kloridioner unntak

Answer 33

Når vi ser på elektrolyse av kloridioner i vann, så burde de ikke kunne bli oksiderte i en vannløsning.
Vann har E⁰_oks = -1,23 mens kloridioner har E⁰_oks = -1,36.
Kloridioner kan likevel bli oksiderte i en vannløsning!
Dette har med at det i tillegg til det rene reduksjons- / oksidasjonspotensialet, så er det også andre krefter som er med på å påvirke hva som dannes. I dette tilfellet har det med selve gassdannelsen ( Cl₂ eller O₂) på overflaten av elektroden

Question 34

Bruk av spenningsrekk

Answer 34

Vi bruker ofte spenningsrekka på to noe forskjellige måter, avhengig av om vi ser på en spontan reaksjon (galvanisk celle) eller en ikke- spontan reaksjon (elektrolyse)

Når vi har en galvanisk celle opererer vi ofte med to forskjellige stoffer, hver med sitt redokspar. Da må vi sammenligne disse stoffene med hverandre, og se hvor det står i forhold til hverandre i spenningsrekka

Stoffet som står øverst skal reduseres, mens det som står nederst skal oksideres dersom dette skal skje spontan

I en elektrolyse har vi positive og negative ioner tilgjengelig. Vi skal IKKE sammenligne disse med hverandre i spenningsrekka!

Men: Dersom det er vann til stede, så må vi sammenligne oksidasjonen av vann med oksidasjonen av de negative ionene, og reduksjonen av vann med reduksjonen av de positive ionene

Question 35

Korrosjon

Answer 35

Korrosjon er all uønsket nedbryting av metaller, noe som i praksis betyr at metallet oksideres til ioner.

Faktorer som øker korrosjon:

1. Tilgang på fuktighet
2. Tilgang på ioner
3. Tilgang på oksygengass og/eller CO₂

Question 36

Korrosjon, Rust

Answer 36

Vann kommer i kontakt med jernbiten.
Toverdige jernioner løses ut i vannet
Elektronene ligger igjen på metallet Det finnes oksygen i lufta rundt

Oksidasjon: Fe ⟶ Fe²⁺ + 2e^-

Oksigen i lufta løses i vannet.
Konsentrasjonen av O₂ (aq) blir høyst i overflaten av dråpen og ut mot kantene.
Elektronene kan vandre gjennom jernbiten og ut not kantene.
Elektronene tas oppav den oppløste oksygengassen i vannet, og det dannes hudroksidioner:
Reduksjon: O₂ +2H₂O +4e^- ⟶ 4OH^-

Question 37

Rust

Answer 37

Rust er ustabilt stoff som etter hvert knekker opp, og rustingen av jernet fortsetter.

Dette er i motsetning til en del andre metalloksider som er svært harde og stabile og danner et beskyttende lag. Det gjelder for eksempel aluminiumsoksid, Al₂O₃

Grunnen til dette er at rust er en blanding av flere forskjellige forbindelser og inneholder både Fe2+, Fe3+, O2- og OH-.

Disse forbindelsene endrer sammensetning og struktur etter hvert som metallet blir vått og tørker gjentatte ganger.

Question 38

Korrosjonsbeskyttelse

Answer 38

Vi har flere metoder for å beskytte metaller (særlig jern) mot korrosjon:

1. Beskyttende lag
2. Galvanisering
3. Offeranode
4. Lage en legering
5. Koble til en strømkilde

Question 39

Beskyttende lag som Korrosjonsbeskyttelse

Answer 39

Metallet som skal beskyttes kan dekkes av et lag med lakk/beis/ maling/olje/plastikk. Poenget er å sørge for at det ikke kommer i kontakt med noen av de faktorene som kan fremme korrosjonen.

Maler eller lakker man metallet, så kommer det ikke i kontakt med fuktighet og oksygen

Question 40

Galvanisering for å beskytte metaller

Answer 40

Når vi galvaniserer, så dekker vi jernet med et annet metall, vanligvis sink, som vil reagere med oksygenet i lufta og danner et beskyttende lag. Sink reager med oksygen og danner hardt sinkoksid, ZnO.

Vi har to hovedmetoder for galvanisering: Varmforsinking og kaldforsinking.

Varmforsinking betyr at man dypper det som skal galvaniseres i smeltet sink.

Ved kaldforsinking benytter vi elektrolyse!

Question 41

Kaldforsinking:

Diskusjon:

Hva kan vi bruke som elektrolytt i denne elektrolysen?

Blir det som skal forsinkes katoden eller anoden?

Hva er fornuftig å bruke som den andre elektroden?

Answer 41

Kaldforsinking:

Question 42

Offeranode

Answer 42

Enkelte ganger er det ikke funksjonelt å galvanisere eller å male/lakke/etc. Da kan man i stedet benytte seg av en offeranode.

Prinsipp:
Dersom to metaller er i kontakt med hverandre, så vil korrosjonen minke på det metallet som er høyest i spenningsrekka, mens den vil øke på det som er lavest.

Metallet med lavest reduksjonspotensial (altså med høyest oksidasjonspotensial) vil «ofre» seg for det andre.

For eksempel kan man feste biter av magnesium på gjenstander av jern som er utsatt for korrosjon. Dette brukes mye på skipsskrog og båtmotorer.

Question 43

Offeranode Oppgave:
Du har et vannrør av kobber som det har blitt et hull i. Du prøver

å reparere hullet med å skru inn en liten skrue.
Er det mest fornuftig å bruke en skrue av jern, kobber eller sølv?

Answer 43

Question 44

Legering

Answer 44

I stedet for å dekke metallet som skal beskyttes med noe, så kan man lage en legering.

En legering er to eller flere metaller som er smeltet og blandet sammen. Da kan man tilsette andre metaller i jernet, og så vil disse reagere med oksygenet i lufta og danne beskyttelseslaget.

Rustfritt stål kan i tillegg til jern bestå av karbon, nikkel, krom og andre metaller. Det beskyttende laget består i hovedsak av kromoksid, Cr₂O_3.

Question 45

Strømkilde

Answer 45

Et siste alternativ er å koble det som skal beskyttes til en strømkilde. Da er det strømkilden som avgir elektroner når metallet utsettes for et oksidativt angrep, og metallet selv unngår å avgi elektroner.

Denne metoden kan for eksempel brukes til en metalltank som er gravd ned i jorden.

Question 46

Hva skjer i teori når vi legge på en spenning i den ytre kretsen

Answer 46

I teorien kan vi reversere spontane redoksreaksjoner.

Men disse ikke-oppladbare batterier er ikke lagt til rette for å legg på en ytre spenning, så det vil ikke gjendanne utgangstofene I stedet kan det dannes gasser som hydrogen og oksygen og batteriet kan eksplodere.

Question 47

En batteri bestå av

Answer 47

En batteri består av en eller flere galvaniske selger som kan levere strøm

Question 48

Hva kaller vi metaller som står under hydrogen i “Standard reduksjonspotensialer tabell”

Answer 48

Hydrogenutdrivende metaller eller Uedle metaller:

Uedle metaller kalles grunnstoffer som er metaller og som oksideres lett i luft eller vann. Av de om lag 80 grunnstoffene som er metaller er 70 uedle. Viktige uedle metaller er aluminium, bly, jern, kalsium, magnesium, kalium, natrium, mangan og sink.

Et uedelt metall har negativt standard elektrodepotensial og står foran hydrogen i spenningsrekken. Uedle metaller løses lett i ikke-oksiderende syrer under utvikling av hydrogengass. De uedleste, som alkali- og jordalkalimetallene, løses i vann under hydrogenutvikling. For enkelte metaller, som aluminium, skjer det ingen reaksjon, da metallet er beskyttet av et tynt lag oksid.

Question 50

Batterikapasitet

Answer 50

Batterikapasitet er et mål på hvor stor elektrisitetsmengde et batteri kan leverer og er bestemt av hvor mye aktivt elektrodemateriale det er i batteriet.

Den blir oppgitt i amperetimer, Ah. SI-enheten for elektrisitetsmengde er C (colomb), og 1C = 1A·s

Question 51

Hva er forutsetningen for at et batteri skal være oppladbart?

Answer 51

Alle prossessene i batteriet må være reversible.

Question 52

Hvilke ladninger har kationer og anioner hos Galvanisk cell og Elektrolyse cell.

Answer 52

Question 53

Korrosjon

Answer 53

med korrosjon mener vi uønsket nedbrytning av et metariale på grunn av kjemiske reaksjoner. Når metaller korroderer, blir de oksidert. Oksidasjonsmiddeler kan være andre metallioner eller H⁺ fra syre(sur nedbør) eller oksygen i fuktig luft.

Basiclly korrosjon av metaller er uønsket oksidering

Question 54

Cellespenning og cellepotensial

Answer 54

Cellespenning og cellepotensial er det samme og beregnes ut i fra halvcellenes standard i reduksjonspotensialer som hentes i en tabell

Question 55

Det er 3 hovedstørrelser vi må se på når vi skal gjøre beregninger innenfor elektrokjemi

Answer 55

1. Strømstyrke: Hvor sterk er strømmen som passerer
gjennom systemet?

2. Ladning: Hvor stor ladning har totalt passert eller skal
passere gjennom systemet?

3. Tid: Hvor lang tid har strømmen stått på?

Question 56

Faradays konstant

Answer 56

Alle elektroner har en gitt ladning, en såkalt elementaerladning. Faradays konstant forteller oss den totale ladningen i ett mol elektroner!

F= 96485 C/mol

Stoffmengden elektroner = Total ladning / Faradays konstant

n_e- = Q / F

Question 57

Det er 3 hovedstørrelser vi må se på når vi skal gjøre beregninger innenfor elektrokjemi

Answer 57

1. Strømstyrke: Hvor sterk er strømmen som passerer
   gjennom systemet?
2. Ladning: Hvor stor ladning har totalt passert eller skal
   passere gjennom systemet?
3. Tid: Hvor lang tid har strømmen stått på?

Question 58

Hvorfor blir en metallstav som står i vann, elektrisk ladet?

Answer 58

Noen av metallatomene i staven omdannes til positive ioner og går ut i vannet, mens elektronene blir tilbake og gir metallstaven en netto negativ ladning.

Question 59

Hva er en halvcelle?

Answer 59

Den delen av en elektrokjemisk celle der det foregår en reduksjon eller en oksidasjon.

Question 60

Hva er elektrode?

Answer 60

Elektrode er i elektrokjemi vanligvis en metallisk leder i fast form hvor det foregår en elektrodereaksjon mellom elektroden og en elektrolyttsom er ioneleder. I en elektrokjemisk celle passerer likestrømgjennom to elektroder og en elektrolytt. Elektrodene er også koblet sammen i en ytre krets med elektronisk ledning.

Question 61

Hva er saltbro og hvilken funksjon har en saltbro?

Answer 61

Den er en elektrisk leder (et rør fylt med en elektrolytt) mellom halvcellene og utjevner ladningsforskjeller mellom halvcellene.

Saltbroen inneholder en saltløsning av ioner som verken deltar i redoksreaksjonen eller reagerer med andre ioner i løsningene, og er med å danne en sluttet krets. Ionene i en saltbro kan vandre ut i halvcellene og hindrer dermed at det bygges opp en ladning i halvcellene når cellen leverer strøm.