5. Kemia ja sähkö
Sähkökemiallinen pari
Sähkökemiallisella parilla tarkoitetaan kemiassa tilannetta, jossa kaksi eri metallia (elektrodia) laitetaan sähköä johtavaan liuokseen (elektrolyytti) jossa syntyvä kemiallinen ernergia muuttuu sähkövirraksi.
Kun kaksi eri metallia olevaa sauvaa asetetaan liuokseen, jossa on ioneja (vaikkapa suola- tai happoliuos), epäjalompi metalli hapettuu eli luovuttaa elektroneja ja liukenee positiivisina ioneina liuokseen jättäen elektroninsa sauvaan. Tällöin sauvaan muodostuu – -merkkinen varaus ja näin syntyy varausero toisen, jalompaa metallia olevan sauvan kanssa. Tämä varausero saadaan näkyville yhdistämällä sauvat jännite- eli volttimittariin tai vaikkapa herkkään sähkömoottoriin.
Syntyvä jännite on sitä suurempi, mitä kauempana metallit ovat toisistaan sähkökemiallisessa sarjassa. Metallien pyrkimystä luovuttaa elektroneja käytetään hyväksi kuivaparistoissa ja akuissa.
Kun kaksi eri metallia olevaa sauvaa asetetaan liuokseen, jossa on ioneja (vaikkapa suola- tai happoliuos), epäjalompi metalli hapettuu eli luovuttaa elektroneja ja liukenee positiivisina ioneina liuokseen jättäen elektroninsa sauvaan. Tällöin sauvaan muodostuu – -merkkinen varaus ja näin syntyy varausero toisen, jalompaa metallia olevan sauvan kanssa. Tämä varausero saadaan näkyville yhdistämällä sauvat jännite- eli volttimittariin tai vaikkapa herkkään sähkömoottoriin.
Syntyvä jännite on sitä suurempi, mitä kauempana metallit ovat toisistaan sähkökemiallisessa sarjassa. Metallien pyrkimystä luovuttaa elektroneja käytetään hyväksi kuivaparistoissa ja akuissa.
Elektrolyysi
Edellä kemiallisen reaktion avulla tuotettiin sähkövirtaa. Seuraavaksi tehdään toisinpäin, sähkövirta saa aikaan kemiallisia reaktioita. Tähän tarvitaan jännitelähde sekä ioneja sisältävä ja siis sähköä johtava elektrolyyttiliuos. Kyseistä tapahtumaa kutsutaan elektrolyysiksi.
Veden elektrolyysi
Vesimolekyylit voidaan hajottaa sähkövirran avulla vety- ja happikaasuiksi, H2 ja O2. Negatiivisella kohtiolla syntyy vetyä ja positiivisella kohtiolla happea.
Veden elektrolyysi on yksi tapa tuottaa alkuainemuodossa olevaa vetyä puhtaaksi polttoaineeksi. Elektrolyysin avulla voidaan valmistaa myös muita alkuaineita, kuten natriumia, alumiinia ja klooria.
Veden elektrolyysi on yksi tapa tuottaa alkuainemuodossa olevaa vetyä puhtaaksi polttoaineeksi. Elektrolyysin avulla voidaan valmistaa myös muita alkuaineita, kuten natriumia, alumiinia ja klooria.
Metallien päällystäminen ja puhdistaminen elektrolyysillä
Aiemmin olet oppinut, että kun jalompi metalli on ioneina ja epäjalompi metalli atomeina, tapahtuu “roolin vaihdos”. Jalompi metalli sakkautuu alkuainemuotoon, ja epäjalompi liukenee ioneina liuokseen.
Näin tapahtuu esimerkiksi, kun kuparinaula viedään hopeaioneja sisältävään liuokseen. Hopea sakkautuu kuparinaulan pinnalle ja liuokseen ilmestyvä sininen väri ilmaisee siihen liuenneen kupari-ioneja.
Edelleen tiedät, että toisin päin reaktio ei itsekseen tapahdu. Mutta jos on tarvetta päällystää jalompi metalli epäjalommalla, niin reaktio voidaan pakottaa tapahtumaan sähkövirran avulla. Vaikka sinkki on epäjalompi kuin rauta, auton teräksestä valmistettu kori päällystetään usein sinkillä elektrolyyttisesti. Sinkkikerros suojaa koria ruostumiselta.
Hyvin puhtaan kuparin valmistamisessa käytetään elektrolyyttistä puhdistusmenetelmää.
Näin tapahtuu esimerkiksi, kun kuparinaula viedään hopeaioneja sisältävään liuokseen. Hopea sakkautuu kuparinaulan pinnalle ja liuokseen ilmestyvä sininen väri ilmaisee siihen liuenneen kupari-ioneja.
Edelleen tiedät, että toisin päin reaktio ei itsekseen tapahdu. Mutta jos on tarvetta päällystää jalompi metalli epäjalommalla, niin reaktio voidaan pakottaa tapahtumaan sähkövirran avulla. Vaikka sinkki on epäjalompi kuin rauta, auton teräksestä valmistettu kori päällystetään usein sinkillä elektrolyyttisesti. Sinkkikerros suojaa koria ruostumiselta.
Hyvin puhtaan kuparin valmistamisessa käytetään elektrolyyttistä puhdistusmenetelmää.
Sinkkikloridin vesiliuoksen elektrolyysi
Sinkkikloridin vesiliuos sisältää positiivisia sinkki-ioneja Zn2+ sekä negatiivisia kloridi-ioneja Cl-.Positiivinen kohtio (+) jossa on pulaa elektroneista, vetää negatiivisia kloridi-ioneja puoleensa. Kun nämä ionit kohtaavat kohtion pinnan, kloridi-ionit luovuttavat uloimmalta kuoreltaan yhden elektronin ja hapettuvat varauksettomiksi klooriatomeiksi. Nämä klooriatomit yhdistyvät kahden atomin muodostamiksi kloorimolekyyleiksi Cl2. Syntyy kloorikaasua.
Negatiivinen kohtio (–) jossa on ylimäärin elektroneja, vetää positiivisia sinkki-ioneja puoleensa. Kun nämä ionit kohtaavat kohtion pinnan, sinkki-ionit ottavat vastaan uloimmalle elektronikuorelleen kaksi elektronia ja pelkistyvät varauksettomiksi sinkkiatomeiksi. Atomit kerrostuvat kohtion pintaan, ja syntyy sinkkimetallia.
Elektrolyysi toimii samalla tavalla myös kuparikloridin CuCl2 vesiliuoksessa. Elektrolyysin seurauksena kupari pelkistyy ja varauksettomat kupariatomit kertyvät negatiivisen kohtion pintaan. Positiivisella kohtiolla kloridi-ionit Cl- luovuttavat elektronin, ja hapettuvat kloorikaasuksi Cl2.
Sähköparin ja elektrolyysin erovaisuudet
| Ilmiö | Sähköpari | Elektrolyysi |
|---|---|---|
| energia | kemiallinen reaktio tuottaa sähkövirtaa |
Sähkövirta tuottaa kemiallisen reaktion |
| reaktio | tapahtuu itsestään | pakotettu |
| sähkövirta | kemiallinen reaktio tuottaa |
tuodaan ulkoisesta jännitelähteestä |