9. Sähkökemian sovellukset
1. Paristot ovat galvaanisen kennon sovelluksia
Yksinkertaisen kemiallisen virtalähteen rakentamiseen tarvitaan vain kahta eri metallia ja sähköä johtava liuos. Metallit voivat olla tankoja, levyjä, kuppeja, astioita tai muita muotoja käyttötarkoituksen mukaan. Sähköä johtava liuos on tavallisesti vesiliuos tai sulate, jossa on positiivisia ja negatiivisia ioneja. Metallit kytketään johtimilla toisiinsa osaksi virtapiiriä.
Myöhemmin kehitettiin kemiallisia pareja, joissa liuosta korvattiin kiinteällä aineella. Niitä kutsutaan kuivapareiksi.
Nykyaikaiset paristot ovat kuivapareja. Positiivisena elektrodina on hiilisauva, jonka ympärillä on mangaanioksidia. Negatiivisena elektrodina on sinkki, jonka ympärillä on ammoniumkloridia. Mangaanin pelkistyessä ja sinkin hapettuessa muodostuu sähkövirta, jota voidaan käyttää esimerkiksi taskulampussa. Pariston tuottama jännite on yleensä noin 1,5 V. Esimerkiksi litteä 4,5 V:n paristo on rakennettu kytkemällä yhteen kolme 1,5 V:n paristoa.
Vertaa englanninkielisiä termejä aikaisemmin esitettyyn kuivaparin piirroskuvaan, jossa ne on ilmoitettu suomeksi.
Alkaliparistossa ammoniumkloridi on korvattu kaliumhydroksidilla. Paristo tuottaa saman noin 1,5 V:n jännitteen, mutta se on tehokkaampi.
Pariston hiilitanko voidaan korvata elohopea tai hopeayhdisteellä. Näin valmistetaan niin sanottuja nappiparistoja. Ne tuottavat suuremman jännitteen, ja niitä käytetään rannekelloissa, taskulaskimissa ym. pienissä latteissa.
Aineiden reagoiduttua pariston sanotaan tyhjentyneen. Yleensä reaktioita vielä tapahtuu, mutta reaktioiden tuottama jännite ja virran määrä ovat liian alhaisia sähkölaitteen toiminnalle. Paristoa ei voi ladata. Paristot pitää hävittää asianmukaisesti keräyspisteisiin. Etenkään elohopeaparistoja ei saa päästää luontoon, sillä paristoissa oleva elohopea on myrkyllistä jo pieninä pitoisuuksina.
2. Polttokenno on ympäristöystävällinen paristo
Polttokennon toimintaperiaate on sama kuin kuivaparin. Paristossa metallikuoren sisään on pakattu aineita, jotka reagoivat keskenään ja tuottavat sähkövirtaa. Polttokennoon voidaan tuoda laitteiston ulkopuolelta uutta ainetta, kun taas paristot ovat kertakäyttöisiä.
Happea ja vetyä käyttävää polttokennoa on tutkittu paljon. Aineiden reaktiossa muodostuu ainoastaan vesihöyryä. Tällaisen kennon jännite on hieman pienempi kuin perinteisellä paristolla, noin 1,23 V, mutta sen käyttöikä on paljon pidempi. Polttokennoja käytetään kulkuvälineiden voimanlähteinä, teollisuudessa ja avaruustekniikassa.
3. Metallin rikastuslaitteet ovat elektrolyysikennon sovelluksia
Elektrolyysiä hyödynnetään pinnoituksessa ja puhdistuksessa. Pinnoitusmenetelmän kehittäjänä pidetään italialaista kemistiä ja keksijää Luigi Valentino Brugnatellia (1761–1818) (kuvassa). Keksimisen jälkeen tekniikka unohtui noin kolmeksi kymmeneksi vuodeksi ja saavutti laajemman tietoisuuden vasta venäläisen kemistin Boris Jacobin (1801–1874) ja englantilaisen lääkärin John Wrightin (1808–1844) tutkimusten myötä.
Pinnoittaminen
Pinnoittamisessa muutetaan kappaleen pintaominaisuuksia, kuten korroosionkestoa, kulutuskestävyyttä, pienentäen tai lisäten pinnan aiheuttamaa kitkaa tai esteettisyyttä. Pinnoittamalla voidaan korjata pinnassa olevia virheitä kuten naarmuja ja jossain määrin myös lisätä liian pienen kappaleen paksuutta.
Pinnoituksessa sähköä johtavan kappaleen pintaan muodostetaan hyvin ohut metallikerros. Pinnoitemetalli saadaan saostumaan kohteen pintaan ulkoisen sähkövirran avulla. Päällystettävä kappale kytketään jännitelähteen negatiiviseen napaan ja se upotetaan elektrolyyttiin. Liuoksessa on saostuvan metallin ioneja.Esimerkiksi jos halutaan päällystää kupariavain kuparilla, niin kupariavain liitetään negatiiviseen napaan ja pinnoitekupari positiiviseen napaan. Liuoksessa on kupari-ioneja.
Jos taas kappale pinnoitetaan sinkillä, on liuoksessa sinkki-ioneja. Jännitelähteen positiiviseen napaan kytketään metallilevy, joka on samaa ainetta kuin liuoksessa olevat metalli-ionit. Reaktioiden edetessä negatiivisella elektrodilla tapahtuu metallin saostumista ja positiivisella metallin liukenemista.
Kuvasarjassa alla kappale sinkitetään upottamalla se sinkkikylpyyn.
Pinnoitemetallisuojaa pinnan alle jäänyttä metallia ympäristön vaikutukselta. Esimerkiksi auton teräksestä valmistettu kori päällystetään sinkillä elektrolyyttisesti. Sinkkikerros suojaa sen alla olevaa teräspintaa ja ehkäisee sen ruostumista.
Sähköä johtavia kappaleita on helppo pinnoittaa kytkemällä ne suoraan osaksi virtapiiriä, mutta sähköä johtamattomat materiaalit pitää tehdä sähköä johtaviksi ennen pinnoitusta. Esimerkiksi kankaan voi päällystää metallilla, kunhan kangas on ensin kasteltu sähköä johtavaan liuokseen, kuten suolaliuokseen.
Puhdistus
Elektrolyysiä käytetään metallien puhdistamiseen ja rikastamiseen. Se on kallis menetelmä, ja sitä käytetään vain, kun valmistetaan arvokkaita tai hyvin helposti reagoivia metalleja, kuten alkalimetalleja. Menetelmällä voidaan valmistaa erittäin puhdasta metallia.
Esimerkiksi kuparin puhdistuksessa ja rikastamisessa raakakuparilevy kytketään jännitelähteen positiiviseen napaan ja puhdistettua kuparia oleva levy negatiiviseen napaan. Kun virta kytketään, raakakupari liukenee elektrolyyttiin ja vastaava määrä puhdasta kuparia saostuu negatiivisella elektrodilla. Prosessin edetessä raakakuparissa oleva epäpuhtaudet jäävät saostumana altaan pohjalle.
Kuparin puhdistus teollisuudessa
4. Akku on galvaanisen ja elektrolyysikennon yhdistelmä
Akku on laite, joka toimii galvaanisena kennona, kun sitä kuormitetaan, ja elektrolyyttikennona, kun sitä ladataan. Akkuja käytetään monissa teknologisissa sovelluksissa. Yleisimpiä sovelluksia ovat liikennevälineissä käytetyt lyijyakut, matkapuhelimissa käytetyt litiumioniakut ja kodinelektroniikan laitteissa käytetyt sormiparistojen näköisen metallihydridiakut.
Lyijyakku rakentuu lyijy- ja lyijyoksidi elektrodeista ja rikkihappoliuoksesta. Akkua käytettäessä molemmille elektrodeille saostuu vaaleaa lyijysulfaattia. Akkua ladattaessa lyijysulfaatti liukenee. Latauksen loppuvaiheessa on vaarana, että vesi alkaa hajota vedyksi ja hapeksi. Tästä aiheutuu räjähdysvaara.
Lyijyakkuja käytetään esimerkiksi autoissa. Auton latausjärjestelmä on varustettu suojamekanismilla, joka katkaisee akun latauksen ennen kuin veden hajoaminen lähtee käyntiin. Akku purkautuu itsestään, minkä johdosta sitä on aika ajoin ladattava. Latauskertojen määrä on rajallinen, koska elektrodeilla tapahtuu myös palautumattomia muutoksia. Yhden parin tuottama jännite on noin 2 V.
Litiumioniakun toiminta perustuu litiumionien siirtymiseen anodin ja katodin välillä. Akun etuna on keveys, nopea latautuminen, vähäinen itsepurkautuminen ja turvallisuus. Laitteen keksi amerikkalainen kemisti Gilbert Lewis (1875–1946) vuonna 1912.
Katodimateriaalina (+) on litiumyhdiste (LiCoO2 tai LiFePO4) ja anodina (-) hiili. Elektrolyytit vaihtelevat akkutyypin mukaan. Litiumioniakuissa ei ole raskasmetalleja, joten ne ovat ympäristöystävällisempiä kuin monet muut akkutyypit. Nykyaikaisissa litiumioniakuissa on mukana elektroniikkaa, joka ohjaa akun latausta niin, ettei synny räjähdysvaaraa ja jotta laitteen käyttöikä olisi mahdollisimman pitkä.
Metalliyhdisteakuista tunnetuimpia ovat nikkelimetallihydridiakku, nikkelikadmiumakku ja litiumakku. Akut kestävät enemmän latauskertoja kuin lyijyakut, mutta ovat niitä kalliimpia. Toisaalta metallihydridiakut ovat halvempia ja painavampia kuin litiumioniakut. Metallihydridiakuissa ei yleensä ole vastaavaa tekniikkaa kuin litiumioniakuissa, joten ne pitää ladata ohjeen mukaisesti. Raskasmetalleja sisältävät akut pitää hävittää asianmukaisesti toimittamalla ne ongelmajätteen keräyspisteeseen.
5. Korroosio
Monet metallit reagoivat ympäristön aineiden kanssa, jolloin niiden kemiallinen koostumus muuttuu. Kovasta metallisesta raudasta tulee punertavaa ruostetta, joka murenee helposti.
Metallien korroosiota voidaan käyttää myös tarkoituksenmukaisesti ja esteettisesti. Esimerkiksi kupari saa hapettuessaan sille tunnusomaisen vihertävän sävyn. Korroosiota aiheuttavat happi sekä liikenteen ja teollisuuden päästöissä muodostuvat hiilen ja rikin oksidit ja vetysulfidi.
Korroosio alkaa yleensä metallin ja hapen reaktiolla, jolloin muodostuu metallioksidia. Metalli ja happi muodostavat sähkökemiallisen parin. Epäjalosta metallista tulee parin negatiivinen elektrodi ja hapesta positiivinen. Metallioksidi reagoi ympäristössä olevien muiden aineiden kanssa ja tuottaa uusia reaktiotuotteita. Ne edistävät metallin korroosiota entisestään. Suolapitoinen vesi edistää korroosiota, koska suola parantaa veden sähkönjohtavuutta. Kahden eri metallin koskettaessa toisiaan voi tapahtua korroosiota.
Metallin pinnalle muodostuva oksidikerros voi myös suojata metallia. Raudalle ei tapahtu näin, vaan ruoste on huokoista ja ruostuminen etenee metallissa yhä laajemmalle ja syvemmälle, kunnes koko kappale on täysin ruostunut. Alumiinin ja sinkin pintaan muodostuu tiivis oksidikerros, ja alun hapettumisen jälkeen prosessi pysähtyy.
Korroosio voidaan estää estämällä hapen pääsy metallin pinnalle tai pitämällä metalli kuivana. Kuivissa olosuhteissa puuttuu sähkökemiallisen reaktion edellyttämä elektrolyytti. Korroosiota voidaan ehkäistä maalaamalla, galvanoimalla, käyttämällä metalliseosta puhtaan metallin sijaan ja käyttämällä uhrimetallia. Maalaamalla tai lakkaamalla pinta ruosteenestomaalilla estetään ilmassa ja vedessä olevan hapen reaktio metallin kanssa. Galvanoimisessa metalli päällystetään epäjalommalla metallilla.
Esimerkiksi rautanaulat sinkitään, jotta raudan sijaan sinkki hapettuisi. Rauta pysyy muuttumattomana niin kauan kun sinkkiä on jäljellä. Puhtaan raudan ja teräksen sijaan käytetään ruostumatonta terästä. Ruostumaton teräs sisältää kromia ja nikkeliä. Ne reagoivat hapen kanssa ja muodostavat suojaavan oksidikerroksen. Suojattava metalli voidaan liittää johtimella epäjalompaan metalliin. Uhrimetallina toimiva epäjalompi metalli hapettuu ja suojattava metalli säilyy muuttumattomana. Uhrimetallipalat pitää uusia säännöllisin väliajoin.
Maahan upotettu raudasta valmistettu säiliö on kytketty johdolla epäjalompaan metalliin (magnesiumia). Magnesium toimii uhrimetallina ja hapettuu sen sijaan, että metallisäiliössä oleva rauta hapettuisi.