KE05 SÄHKÖKEMIA Flashcards
miten suurin osa metalleista esiintyy luonnossa?
yhdisteinä
miten epäjalot metallit reagoivat hapon vesiliuoksessa?
reaktiossa vapautuu vetykaasua
reagoivatko jalot metallit happoliuosten kanssa vetykaasua vapauttaen?
eivät
kuningasvesi
väkevä HCl ja väkevä HNO_3 seos
sähkökemiallinen jännitesarja
metallit on järjestetty pelkistymiskykynsä mukaiseen järjestykseen. Reaktiivisimmat metallit ovat sarjan alussa. Jännitesarja perustuu metalli-ionien kykyyn pelkistyä eli vastaanottaa elektroneja reaktiossa toisen metallin kanssa. Jännitesarjassa metallit on järjestetty epäjaloimmasta jaloimpaan.
epäjalot metallit jännitesarjassa
metallit ennen vetyä. suuri hapettumistaipumus
kullan ja platinan paikka jännitesarjassa
vaihtelee lähteittäin, käytännössä merkattu yhtä jaloiksi
milloin tapahtuu spontaani reaktio?
Jos metalli-ionina on jalompi metalli ja metalliatomina epäjalompi metalli, reaktio tapahtuu. Toisin päin reaktiota ei tapahdu.
normaalipotentiaali
lukuarvo, joka kuvaa sitä, kuinka helposti aine pelkistyy. Sen yksikkö on voltti V. Taulukoissa normaalipotentiaaliarvot annetaan aina pelkistymisreaktioille. Mitä korkeampi pelkistysreaktion normaalipotentiaaliarvo eli pelkistyspotentiaali on, sitä helpommin metalli-ioni pelkistyy metalliatomiksi ja sitä jalompi metalli on kyseessä.
hapetuspotentiaali
pelkistyspotentiaalin vastaluku
lähdejännite
normaalipotentiaalien avulla laskettu potentiaaliero. pelkistys- ja hapetuspotentiaalien summa. voidaan laskea myös pelkistyspotentiaalien erotuksena.
miten lähdejännitteestä päätellään, onko reaktio spontaani?
jos lähdejännite on suurempi kuin 0, reaktio on spontaani
vaikuttaako kertoimien muuttaminen normaalipotentiaalien arvoihin?
ei
miten johtimilla suljettu virtapiiri vaikuttaa siihen, mitä metalli-ionien ja metallin välillä tapahtuu?
ilman suljettua virtapiiriä jalomman metallin ionit pelkistyvät epäjalomman metallin pintaan, koska elektronien siirtyminen levyltä toiselle ei ole mahdollista ilman suljettua virtapiiriä. virtapiirin kanssa ne pelkistyvät jalomman metallin pintaan
sähkövirta
varauksellisten hiukkasten, kuten elektronien tai ionien, liike aikayksikköä kohti
jännite
eli potentiaaliero on edellytys sähkövirralle virtapiirissä. elektronien pyrkimys siirtyä metallilta toiselle aiheuttaa potentiaalieron. energian kannalta on edullista, että elektronit siirtyvät navalta toiselle. Mitä suurempi energiahyöty on, sitä suurempi jännite napojen välille muodostuu.
kemiallinen pari
virtalähde, joka muodostuu elektrolyytistä tai elektrolyyteistä, kahdesta elektrodista, niitä yhdistävistä johtimista ja suolasillasta (ilman tätä reaktio tapahtuu liian nopeasti ja jännite pienenee nopeasti). levyt eri astioissa. Kemiallisessa parissa hapetus-pelkistysreaktiot saavat aikaan jännitteen.
elektrolyytti
sähköä johtava aine. voi olla lähes mikä tahansa aine, jossa ionit pystyvät liikkumaan. Se on yleensä neste, mutta se voi olla myös kiinteää ainetta, jonka läpi varaus liikkuu. yleensä suolaliuos, mutta tilalla voi olla myös nestemäistä suolaa tai jokin muu ioneja sisältävä liuos, kuten happo- tai emäsliuos.
muita nimiä kemialliselle parille
kenno, sähkökenno, sähköpari, galvaaninen kenno, galvaaninen pari, sähkökemiallinen kenno/pari
elektrodit
elektrolyyttiliuoksessa olevat metallisauvat eli navat.
anodi
elektrodi, jolla tapahtuu hapettuminen. Kemiallisessa parissa anodilla muodostuu metalli-ioneja, jotka liukenevat elektrolyyttiin. Anodille siirtyy elektroneja ja sille muodostuu negatiivinen varaus.
katodi
tapahtuu pelkistyminen. Koska pelkistymisreaktiossa kuluu elektroneja, katodille muodostuu kemiallisessa parissa elektronivajaus ja se saa positiivisen varauksen. Sähkövarausten ero aiheuttaa elektrodien välille jännitteen, joka alkaa purkautua, kun elektrodit yhdistetään johtimilla suljetuksi virtapiiriksi.
suolasilta
voi olla liuosten välissä oleva ioneja läpäisevä seinämä, suolaliuokseen kostutettu huokoinen paperisuikale tai kylläisellä suolaliuoksella täytetty U-putki.
suolasillan tehtävä
- hidastaa elektrolyyttiliuosten sekoittumista
- siirtää ioneja elektrolyyttiliuoksiin. Kylläistä suolaliuosta sisältävä suolasilta on kuin ionivarasto, josta kulkeutuu positiivisia ioneja pelkistyvän puolen elektrolyyttiin sieltä poistuvien positiivisten ionien tilalle. Vastaavasti negatiivisia ioneja kulkeutuu hapettuvan puolen elektrolyyttiin, johon liukenee positiivisia ioneja hapettumisreaktiossa. ylläpitää siis varaustasapainoa
- yhdistää elektrolyyttiliuokset suljettuun virtapiiriin
sarjaankytkentä
Paristot ja akut sisältävät yleensä useampia kemiallisia pareja, jotka on kytketty peräkkäin toisiinsa niin, että toisen parin negatiivinen elektrodi on yhteydessä seuraavan parin positiiviseen elektrodiin.
Tällaisessa niin sanotussa sarjaankytkennässä pariston antama jännite kasvaa ja on yhtä suuri kuin kaikkien sen sisältämien kemiallisten parien yhteenlaskettu lähdejännite.
Daniellin pari
muodostuu kuparista ja sinkistä, näiden ioneja sisältävistä elektrolyyttiliuoksista ja suolasillasta
voiko pelkistyvä aine olla muukin kuin elektrolyytin metalli-ioni?
joo
miksi jännite voi aluksi olla suurempi kuin metalli-ionin pelkistymisen mukainen jännite, ja laskea sitten vedyn pelkistyspotentiaalin mukaiseksi jännitteeksi?
Jos katodin pinnalla on hapettuneita metalli-ioneja, ne pelkistyvät ensin.
voiko elektrodi olla muutakin kuin puhdasta metallia?
voi
miten normaalipotentiaalit on määritetty?
kokeellisilla mittaustuloksilla. Mittauksissa selvitetään lähdejännite kemialliselle parille, jossa toisena elektrodina on vety. Vedyn normaalipotentiaaliksi on sovittu 0,00 V. Kun mitattavaa ainetta vaihdellaan vedyn parina, kunkin kemiallisen parin lähdejännitteestä saadaan määritettyä normaalipotentiaalit mitattavien aineiden puolireaktioille. Koska vedyn normaalipotentiaali on nolla, lähdejännite on toisen puolireaktion pelkistys- tai hapetuspotentiaali.
mitkä vaikuttavat jännitteen suuruuteen?
Kennon elektrolyyttien konsentraatiot ja lämpötila sekä elektrodien pinnan laatu vaikuttavat jännitteen suuruuteen.
Taulukoissa normaalipotentiaalit on yleensä määritetty olosuhteissa, joissa osallistuvien ionien konsentraatiot ovat 1,0 mol/l, liuosten lämpötilat ovat 25 °C ja elektrodireaktioihin osallistuvien kaasujen paineet ovat 101,325 kPa.
kennokaavio
Yksi pystyviiva kuvaa elektrodin ja elektrolyytin rajapintaa eli faasirajaa ja kaksi pystyviivaa elektrolyyttiliuoksia yhdistävää suolasiltaa. Kennokaaviossa vasemmalla puolella on hapettumisreaktio ja oikealla puolella pelkistymisreaktio. Elektrodien varaukset merkitään kennokaavion molempiin päihin. Kennokaavioon voidaan merkitä joko elektrolyytin hapetus-pelkistysreaktioon osallistuvat ionit tai elektrolyyttien sisältämät yhdisteet. Esimerkiksi suolaliuoksessa voidaan merkitä suolan kaava tai pelkästään ioni, joka reagoi kennossa.
elektrolyysi
Sähkövirralla aikaansaatu hapetus-pelkistysreaktio. jännitelähde saa aikaan elektronien liikkeen. Jännitelähteen napoihin kiinnitetään johtimilla sähköä johtavat elektrodit. Elektrodina voi metallien lisäksi toimia jokin muu sähköä johtava aine, kuten grafiitti. Katodi kiinnitetään jännitelähteen negatiiviseen napaan, joka syöttää katodille elektroneja.
Jännitelähteen napoihin kiinnitetyt elektrodit upotetaan sähköä johtavaan elektrolyyttiin. Elektrolyytti on osa suljettua virtapiiriä. Elektrolyytissä virtaa kuljettavat ionit.
elektrolyysilaitteisto
Elektrolyysilaitteistoon kuuluu jännitelähde, kaksi sähköä johtavaa kiinteää elektrodia sekä sähköä johtava elektrolyytti.
passiivinen elektrodi
ei itse hapetu tai pelkisty elektrolyysissä
miksi grafiitti johtaa sähköä?
Grafiitissa hiiliatomit ovat löyhästi toisiinsa sitoutuneina levyinä. Levyissä jokaisella hiiliatomilla on kolme kovalenttista sidosta muihin hiiliatomeihin. Hiilen neljäs ulkoelektroni delokalisoituu samaan tapaan kuin bentseenissä, ja sen seurauksena grafiitti johtaa sähköä.
suolasulate
nestemäinen suola, joka ei ole vesiliuos.
miten elektrolyysi toimii?
Jännitelähteen negatiivinen napa syöttää katodille elektroneja. Negatiivisesti varautunut katodi vetää puoleensa liuoksen positiivisia ioneja. Samaan aikaan anodilla on elektronivaje eli positiivinen varaus ja sitä kohti kulkeutuu negatiivisia ioneja.
elektrolyysiin tarvittava jännite
jännite, joka on suurempi kuin hapetus-pelkistysreaktioiden normaalipotentiaalien summan itseisarvo.
katodi elektrolyysissä
Koska katodille johdetaan elektroneja jännitelähteen negatiivisesta navasta, se on elektrolyysikennon negatiivinen elektrodi päinvastoin kuin kemiallisessa parissa. sen on siis negatiivinen kohtio. Pelkistyminen tapahtuu sillä elektrodilla, joka on kiinnitetty jännitelähteen negatiiviseen napaan.
Kun elektrolyysikennoon johdetaan sähköä, onko pelkistyvä aine aina elektrolyytin positiivinen ioni?
ei, vaan esimerkiksi jokin molekyyli, kuten vesi, voi pelkistyä. Myös hapettuva aine voi olla esimerkiksi vesi.
miten saadaan selville, mikä mahdollisista pelkistyvistä tai hapettuvista aineista reagoi ensin?
Mahdollisista hapettuvista ja pelkistyvistä aineista reagoivat ensin ne, joilla on suurin normaalipotentiaali. Jos normaalipotentiaalit ovat lähellä toisiaan, useita aineita reagoi samanaikaisesti. Tällöin se aine reagoi enemmän, jonka konsentraatio on suurempi.
mitä pitää veden reaktiosta muistaa, kun katsoo normaalipotentiaalitaulukkoa?
Veden hapetus- ja pelkistysreaktiot ovat normaalipotentiaalitaulukossa kahtena eri reaktioyhtälönä. ensin on veden pelkistyminen, sitten toinen “pelkistyminen” arvolla +1,23, jonka yhtälö pitää kääntää toisin päin
mitä eroa on sillä, onko elektrolyytti laimea vai väkevä liuos?
jos liuos on laimea, veden konsentraatio on suurempi, eli vesi reagoi. väkevämmässä liuoksessa myös toinen aine reagoi
voiko natrium ja muut alkalimetallit pelkistyä vesiliuoksista?
ei
millaiseksi vety-ionit tekevät liuoksen anodin ympärillä veden elektrolyysissä?
happamaksi
millaiseksi hydroksidi-ionit tekevät liuoksen katodin ympärillä veden elektrolyysissä?
emäksiseksi
aktiivinen elektrodi
elektrodi joka osallistuu elektrolyysiin
hapettuuko tai pelkistyykö katodimateriaali itse?
yleensä ei, vaan sen pinnalla tapahtuu pelkistyminen
onnistuisiko metallin päällystäminen jalommalla metallilla ilman sähkövirtaa?
ei, sillä sähkövirtaa tarvitaan jotta päällystykseen käytettävää metallia hapettuisi anodilta elektrolyyttiin.
pinnoittamisen tarkoitus
Pinnoitteen tarkoituksena on tehdä metallista kestävämpää tai muuttaa sen ulkonäköä.
elektrolyysin sovelluksia
- pinnoitus
- kuparin puhdistus
- alkuaineiden tai yhdisteiden valmistus
- akun lataus
elektrolyysin reaktiojärjestys
- Jos elektrolyytin ionien ja molekyylien konsentraatiot ovat lähellä toisiaan, se aine reagoi ensin, jonka normaalipotentiaali on suurin.
- Jos normaalipotentiaalit ovat lähellä toisiaan, se aine reagoi eniten, jonka konsentraatio on suurin.
- Laimeissa liuoksissa veden konsentraatio on niin suuri, että siitä muodostuu käytännössä aina vetyä ja happea.
- Elektrolyytin aineiden lisäksi anodimateriaali on huomioitava normaalipotentiaalitarkastelussa, jos se ei ole passiivinen.
Elektrolyysin aikana siirtyneiden elektronien ja hapettuvan tai pelkistyvän aineen ainemäärän välinen yhteys
It=nzF
I=sähkövirta, t=aika (s), n=ainemäärä, z=siirtyvien elektronien määrä, F= Faradayn vakio As/mol
Mistä Faradayn vakio tulee?
Yhden elektronimoolin kuljettama varaus voidaan laskea kertomalla yhden elektronin varauksen suuruus Avogadron vakiolla
pinnoitteen paksuuden laskeminen
Myös pinnoitteen paksuus h on mahdollista laskea, jos käytetään tilavuuden suureyhtälöä 𝑉=𝐴⋅ℎ
. Pinnoitteen tilavuus V voidaan laskea pinnoitemateriaalin tiheyden avulla ja A on pinnoitetun materiaalin pinta-ala.
korroosio
ympäristötekijöiden vaikutuksesta tapahtuva hapettuminen. Korroosiota tapahtuu, kun epäjalo metalli altistuu ilman hapelle ja kosteudelle. Suolat ja hapot nopeuttavat korroosiota.
kuivapari
paristo, jossa elektrolyytti ei pääse valumaan, koska se on imeytetty liisterimäiseen väliaineeseen. Kuivaparin etuna on, että paristo toimii asennosta riippumatta. Sinkki-hiiliparisto on tyypillinen kuivapari.
lyijyakku
Lyijyakun latausta purettaessa katodina toimii lyijyoksidi PbO2(s), anodina lyijy Pb(s) ja elektrolyyttinä rikkihappo H2SO4(aq). Sekä anodi että katodi reagoivat lyijysulfaatiksi PbSO4(s) ja rikkihappo laimenee. Ladattaessa anodi ja katodi palautuvat lyijyoksidiksi ja lyijyksi. (OPETTELE REAKTIO)
polttokenno
laite, jolla voidaan tuottaa sähköä. Erona paristoon tai akkuun on se, että polttokennoon syötetään polttoainetta, kuten vetyä. Vetyä valmistetaan esimerkiksi veden elektrolyysillä. Polttokennoon johdetaan lisäksi happea. Vetypolttokennon päästönä syntyy ainoastaan vettä.
matalassa lämpötilassa toimivien polttokennojen haasteet?
niissä tarvitaan kalliita ja harvinaisia katalyyttimateriaaleja, kuten platinaa.
vetytalous
energian siirto ja varastointi vetyä käyttäen.
vetypolttokennon reaktiot
anodilla tapahtuu vedyn hapettuminen vetyioneiksi ja elektroneiksi. Elektronit johdetaan ulkoiseen virtapiiriin sähkövirraksi. Katodilla tapahtuu vetyionien, hapen ja elektronien pelkistymisreaktio vedeksi. Anodimateriaali voi olla esimerkiksi platinaa ja katodi nikkeliä.
mitä veden elektrolyysissä tapahtuu siitä huolimatta, että grafiittia pidetään passiivisena elektrodina?
anodilla muodostunut happi reagoi grafiitin kanssa ja syntyy hiilidioksidia.
ruostuminen
Ruostumisessa rauta-atomit hapettuvat rauta(III)ioneiksi Fe3+. Samalla veteen liuennut happi pelkistyy oksidi-ioneiksi O2−. Rauta- ja oksidi-ionit muodostavat veden kanssa kidevedellisiä rauta(III)oksideja Fe2O3 ⋅ x H2O, jotka ovat punaruskeaa ruostetta. Merkintä tarkoittaa, että ruosteessa voi olla eri määriä kidevettä. Todellisuudessa ruostumisen mekanismi on tätä monimutkaisempi: rauta muun muassa muodostaa ensin hapen ja veden kanssa rautahydroksideja.
miten kosteus edesauttaa korroosiota?
Veteen liuennut happi reagoi helpommin kuin suoraan ilmassa oleva happi. Vesi myös toimii elektrolyyttiliuoksena, jossa ionit liikkuvat. + galvaaninen korroosio
sähkökemiallinen korroosio
Kun kaksi metallia on kosketuksissa toisiinsa ja niiden väliin päätyy kosteutta, syntyy kemiallinen pari. Se aiheuttaa epäjalomman metallin nopeamman hapettumisen eli korroosion kiihtymisen.
korroosion esto
- päällystys toisella metallilla, muovilla, maalilla
- anodinen suojaus
- uhrimetalli eli katodinen suojaus
- passivoituminen eli oksidin muodostuminen
oksidin muodostuminen
Tietyt metallit reagoivat hapen kanssa muodostaen korroosiolta suojaavan oksidipinnoitteen. voidaan hyödyntää metalliseoksissa, esim. ruostumaton teräs (raudan ja kromin seos)
anodisointi
tapahtuu elektrolyysillä. Siinä anodipinta hapettuu oksidiksi ja katodilla tapahtuu elektrolyyttinä toimivan hapon vetyionien pelkistyminen. Prosessin aikana metallioksidipintaan voidaan lisätä väriainetta. saadaan paksumpi oksidikerros kuin luonnollisesti passivoitumisella
millainen oksidikerroksen on oltava, jotta se olisi suojaava?
kova ja säännöllinen. Myös raudan pinnalle muodostuu oksideja, mutta ne ovat lohkeilevia ja jauhemaisia.
päällystys toisella metallilla, muovilla, öljyllä tai maalilla
Korroosiota estetään suojaamalla metallin pinta hapelta ja kosteudelta. voidaan tehdä maalaamalla, lakkaamalla tai öljyämällä pinta tai pinnoittamalla metalli muovilla tai muulla metallilla. Jalommalla metallilla päällystäminen suojaa metallia, koska pinnoite ei hapetu niin herkästi kuin suojattava metalli. Jos pinnoitukseen käytetään sen sijaan epäjalompaa metallia, se hapettuu ensisijaisesti ja suojaa näin jalompaa metallia. Tällöin suojavaikutus pysyy, vaikka metallin pinta naarmuuntuisi.
katodinen suojaus
metalli voidaan suojata epäjalommalla metallikappaleella, jota kutsutaan uhrianodiksi. Uhrianodi kiinnitetään suojattavan metallin pintaan. Kosteissa olosuhteissa metallista ja uhrianodista muodostuu kemiallinen pari, jossa epäjalompi metalli hapettuu suojaten näin jalompaa metallia
galvanointi
rautaa suojataan päällystämällä se sinkillä. sinkki estää hapen ja kosteuden pääsemisen raudan pinnalle, mutta myös hapettuu helpommin kuin rauta. Jos pinta naarmuuntuu ja naarmuun päätyy kosteutta, sinkki hapettuu raudan sijaan. Sinkki suojaa rautaa myös pintaansa muodostuvalla sinkkioksidikerroksella. Galvanointi perustuu sekä pinnan suojaamiseen päällystämällä että uhrianodin käyttöön.
sähkösinkitys
metallia suojaava sinkkipinta muodostetaan elektrolyyttisesti
kuumasinkitys
metalli päällystetään upottamalla se sulaan sinkkiin
