docSähkökemia II
download 
Report Transcription
Sähkökemia II
Sähkökemia II Elektrolyysi Esimerkki • 2,5g painava sinkkilevy on upotettu AgNO3liuokseen. Jonkin ajan päästä levyn pinnalle oli ilmestynyt tumma hopeinen kerros. Levy otettiin liuoksesta, kuivattiin, pestiin ja punnittiin. Levyn massa oli kasvanut 1,5g. Muodosta reaktioyhtälö ja laske muodostuneen hopean massa. • Mukaelma k1993 YO-tehtävästä Mikä ihmeen elektrolyysi? • Sähkövirralla saadaan aikaan pakotettu hapetuspelkistysreaktio • Elektrolyysin ylläpitoon tarvitaan paljon sähkövirtaa à paljon energiaa! • ”Galvaanisen kennon toiminta väärinpäin” • Lähdejännite on negatiivinen. Mitä tämä tarkoittaa? • Käytetään mm metallien pinnoitukseen, metallien puhdistukseen, vaikeasti valmistettavien puhtaiden alkuaineiden tuottoon Elektrolyysilaitteisto • Kuten Galvaanisessa kennossa tarvitaan elektrodit, elektrolyyttiliuos ja elektrodit yhdistävät johtimet sekä mahdollisesti suolasilta • Tarvitaan myös ulkoinen energianlähde (tasavirtalähde) Elektrolyysin toimintaperiaate • Anodilla tapahtuu hapettuminen ja katodilla pelkistyminen (samoin kuin Galvaanisessa kennossa) • Anodi on elektrolyysissä positiivinen ja katodi negatiivinen – PANK= positiivinen anodi, negatiivinen katodi – Varaukset ei päde Galvaaniseen kennoon! Mikä aine reagoi? • Aine, jonka pelkistyspotentiaali on suurin, yleensä pelkistyy. Aine, jonka hapettumispotentiaali on suurin, yleensä hapettuu. • Tämä voi siis olla elektrolyytin komponentti, vesi tai elektrodi • Elektrolyysissä käytetään usein passiivisia elektrodeja, jotka eivät osallistu reaktioihin – Grafiitti, jalometallit – Jos käytetään muita metalleja, myös elektrodi voi osallistua reaktioon Mikä aine reagoi? • Jos kaksi hapetuspotentiaalia ovat lähes samat ja toisen konsentraatio on paljon suurempi, suuremman konsentraation omaava aine hapettuu – Konsentraatio voi määrätä, mitkä aineet reagoivat • Sähkövirran suuruus vaikuttaa reaktion nopeuteen, ei reagoiviin aineisiin Veden elektrolyysi • Veden elektrolyysissä on pyritään usein vedyn valmistukseen • Kennoreaktio katodilla: 2H2O+2e- à 2OH-+H2 • Kennoreaktio anodilla 4OH- à O2+2H2O+4e• Lähdejännite: -1,24V • Voi häiritä muissa kennoissa toivotun reaktion toteutumista Esimerkki 1 Mikä aine hapettuu ja mikä pelkistyy, kun käytetään platinaelektrodeja ja elektrolyyttiliuoksena on kaliumkloridi? Käytetään 3A tasavirtalähdettä. Kirjoita kokonaisreaktioyhtälö. Reak%o E/ V (25°C) K++e-‐èK -‐2,93 2H2O+2e-‐è2OH-‐+H2 -‐0,83 O2+2H2O+4e-‐è4OH-‐ +0,40 Cl2+2e-‐è2Cl-‐ +1,36 Ratkaisu • Suurin pelkistyspotentiaali on kloorikaasulla, mutta sitä ei ole liuoksessa. Myöskään happikaasua ei liuoksessa ole, joten vesi pelkistyy. • Suurin hapettumispotentiaali (kun etumerkit on vaihdettu) on kaliumilla, mutta sitä ei ole liuoksessa. Myöskään vetykaasua ei liuoksessa ole, joten hapettuja on hydroksidiioni. • Kyseessä on siis veden elektrolyysi 2H2O+2e-è2OH-+H2 Kerrotaan kahdella 4OH-èO2+2H2O+4e2H2OèO2+2H2 Esimerkki 2 a) Miksi ruostuminen on nopeampaa merivedessä kuin ilmassa b) Miksi teiden suolaus vaikuttaa auton ruostumiseen? c) Olli pinnoittaa rautalevyn litiumilla. Miten tämä vaikuttaa korroosioon? Ratkaisu a) Merivedessä on paljon liuenneita suoloja, jotka helpottavat korroosiota, koska tällöin elektrolyyttiliuoksessa on enemmän varauksenkuljettajia b) Sama syy kuin a c) Litium on rautaa epäjalompi metalli, joten korroosio nopeutuu Alkuaineiden valmistus • Suurinta osaa alkuaineista ei saada puhtaina luonnosta • Elektrolyysi on suuren sähkönkulutuksen vuoksi kallis menetelmä, mutta sitä käytetään, jos tarvitaan erittäin puhdasta ainetta ja sitä ei voida tuottaa muulla menetelmällä • Esim halogeenit reagoivat niin helposti, että niitä voidaan valmistaa vaan elektrolyysillä Esimerkki 3 • Haluat valmistaa kloorikaasua. Miten toteutat koejärjestelyn, kun sinulla on käytössä NaCl-sulaa, platina-elektrodeja, virtajohtoa, jännitelähde ja kiinnitykseen tarvittava laitteisto. Kirjoita kokonaisreaktioyhtälö ja laske lähdejännite. Reak%o E/ V (25°C) Na++e-‐èNa -‐2,71 2H2O+2e-‐è2OH-‐+H2 -‐0,83 O2+2H2O+4e-‐è4OH-‐ +0,40 Cl2+2e-‐è2Cl-‐ +1,36 Ratkaisu • Koska emme saa käyttää vettä, ainoat mahdolliset reaktiot ovat • Na++e-èNa E1=-2,71V • 2Cl-èCl2+2e- E2=-1,36V • Kerrotaan natriumin reaktio kahdella • 2Na++2Cl-èCl2+2Na • E=E1+E2=-4,07V • Platinaelektrodien väliin laitetaan virtajohdon välityksellä jännitelähde. Platinaelektrodit laitetaan samaan astiaan suolasulaan. Elektrolyysin säännöt 1. Alkuainemäärä, joka lähtee suolasta sähkövirran vaikutuksesta on suoraan verrannollinen sähkövirtaan 2. Massa, joka erkanee on suoraan verrannollinen atomimassaan 3. Samansuuruinen sähkövirta hajottaa määrätyssä ajassa saman ainemäärän mitä tahansa yksiarvoisista ioneista koostuvaa suolaa Q=It • • • • Q= sähkömäärä I=sähkövirta (yksikkö A) t=aika (yksikkö s) Q=[A][s]=C (coulombi) It=nzF • • • • • • Perustuu elektrolyysin sääntöihin I=sähkövirta (yksikkö A) t=aika (yksikkö s) n=ainemäärä (mooleissa) Z=elektronien määrä puolireaktiossa F= Faradayn vakio, eli sähkömäärä, jonka elektronimooli kuljettamaa =alkeisvaraus * avogadron vakio =Qe/A =96485As/mol Simuloitu 3 (2013) Monissa tapauksissa sähkökemialliset parit eivät reagoi standardiolosuhteissa, jolloin niiden tuottamat jännitteet muuttuvat. Minkä tahansa ”ei standardin” galvaanisen kennon kokonaisjännitettä voidaan kuvata ns. Nernstin yhtälöllä: Yhtälössä E˚kenno kuvaa sähkökemiallisen parin normaalipotentiaalia, z reaktiossa siirtyvien elektronien määrää ja Q heterogeenisen tasapainoreaktion tasapainovakiota. Intohimoinen kemisti Olavi haluaa tehdä kotikäyttöisen virtalähteen pöytälampulleen. Hänellä on käytettävissään johtimia, lasisia reaktioastioita (joihin mahtuu liuosta 1,0l /astia), tislattua vettä, kiinteinä aineina sinkkiä, alumiinia, kuparia, rautaa, mangaania ja kromia sekä näiden tyypillisimpiä ioneja vastaavia suoloja: sinkkisulfaattia, alumiini(III)nitraattia, alumiinihydroksidia, kuparisulfaattia, kuparikarbonaattia, rauta(III)nitraattia, rauta(III)hydroksidia, magnaani(II)sulfaattia, mangaanisulfidia, kromi(III)nitraattia ja kromi(III)hydroksidia. a) b) c) d) Millainen kenno Olavin tulisi laatia, jotta elektrodien välille saataisiin mahdollisimman suuri jännite? Esitä kennon puolireaktiot, kokonaisreaktio ja laadi kennokaavio. Laske kennon lähdejännite, kun lämpötila on normaali huoneenlämpö ( ~21,0˚C) ja kyseisten liuosten konsentraatiot ovat anodin puolella 0,0550M ja katodin puolella 1,20M? Mikä on kennon jännite sen jälkeen, kun kennosta on otettu 6,00A virtaa 7,00h ajan? Olavi haluaa ladata kennonsa elektrolyyttisesti ja hänellä on käytössään virtalähde, jolla voidaan tuottaa 4,70A virtaa. Miten Olavin tulee kytkeä kenno virtalähteeseen? Kuinka kauan Olavi latasi akkuaan, kun hän huomasi latautuvan elektrodinsa massan kasvaneen 1,60g?
