3. Sähkökemia

Hapettumis-pelkistymisreaktiot

Metallien sähkökemiallinen sarja


Raudan ruostumisessa tapahtuu hapettumista. Tällöin Fe-atomi luovuttaa uloimman kuoren elektroninsa eli muodostuu positiivinen Fe2+- tai joskus Fe3+-ioni. Hapettuminen on elektronien luovuttamista. Samanaikaisesti tapahtuu myös elektronien vastaanottaminen eli pelkistyminen eli jonkin aineet täytyy vastaanottaa metalliatomien luovuttamat 1-3 uloimman kuoren valenssielektronit.
Metallit jaetaan jaloihin ja epäjaloihin metalleihin. Jaloja metalleja on vaikea saada hapettumaan.

  • Epäjalot metallit hapettuvat, kun ne laitetaan esim suolahappoliuokseen (sisältää vetyioneja).
    • tällöin vetyionit, H+ pelkistyvät vetykaasuksi, H2
    • Esim kun magnesiumia laitetaan suolahappoliuokseen Mg-atomit hapettuvat Mg2+-ioneiksi (Mg luovuttaa 2 elektronia) ja 2H+ ionit vastaanottavat kaksi elektronia eli pelkistyvät, jolloin muodostuu vetykaasua H2
  • Metallit voidaan asettaa hapettumiskykynsä mukaisesti järjestykseen eli saadaan metallien sähkökemiallinen jännitesarja
    • jokainen metalli pystyy pelkistämään (itse hapettuen) sarjassa sen jälkeen tulevien eli sitä jalompien metallien ioinit metalliatomeiksi
    • Esim.
    • Jännitesarjasta voidaan päätellä, että epäjalot metallit vapauttavat vetykaasua reagoidessaan happojen kanssa, jalot metallit eivät


Hapetusluvut

  • Hapettumisen eri tasoja merkitään hapetusluvuilla, joita merkitään yleensä roomalaisilla numeroilla
  • Osa alkuaineista saa tietyn hapetusluvun johtuen sen elektronirakenteesta
    • Happi saa yleensä hapetusluvun -II ja vety +I
    • 1. ryhmän alkuaineet saavat hapetusluvut +I ja 2. ryhmän +II, halogeenit (17. ryhmä) taas -I
    • Sivuryhmien alkuaineet, esim rauta, voivat esiintyä useilla eri hapetusluvuilla
  • Hapetuslukuja määritettäessä nuodatetaan seuraavia sääntöjä
    1. Puhtaan alkuaineen hapetusluku on aina nolla
    2. Yhdisteessä alkuaineiden hapetuslukujen summa on nolla
    3. Ionin muodostavien alkuaineiden hapetuslukujen summa on ionin varaus




Kotitehtävät: 75, 78 ja 79


Reaktioyhtälön kertoimien määritys hapetuslukumenetelmällä

Koska hapettumis-pelkistymisreaktioissa luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrät ovat yhtä suuret, niin reaktiossa tapahtuvien hapetuslukujen muutosten täytyy olla yhtä suuret.

esim. tasapainota reaktioyhtälö
HNO_3\left(aq\right)+H_2S\ \left(s\right)\ \rightarrow\ S\left(s\right)+NO\left(g\right)+H_2O\ \left(l\right)

Selvitetään, mikä alkuaine hapettuu ja mikä pelkistyy tässä reaktioyhtälössä
Lähtöaineet
+I  -II
HNO_3\ \ \Rightarrow\ N:n\ hapetusluku\ on\ +V\ \left(+5\right)
H_2S:ssä\ H:n\ hapetusluku\ on\ +I{,}\ joten\ S\ on\ -II

Tuotteet:
S:n\ hapetusluku\ on\ 0
NO:ssa\ hapen\ hapetusluku\ on\ -II{,}\ joten\ N:n\ hapetusluku\ on\ +II
\left(H_2O:ssa\ vedyllä\ +I\ ja\ hapella\ -II\right)

\begin{array}{l|l} &&&muutos&pyj&\ker roin\\ \hline S&-II\rightarrow0&hapettuu&2&6&\frac{6}{2}=3\\ N&+V\rightarrow+II&pelkistyy&3&6&\frac{6}{3}=2 \end{array}

2HNO_3\left(aq\right)+3H_2S\ \left(s\right)\ \rightarrow\ 3S\left(s\right)+2NO\left(g\right)+4H_2O\ \left(l\right)

Kotitehtävät: 83 ja 86a,b

Sähkökemiallinen pari

Kun kaksi eri metallia kytketään saman metallin ioneja sisältävässä liuoksessa johtimella toisiinsa muodostuu sähköpari
  • Jotta saadaan suljettu virtapiiri, täytyy astiat yhdistää suolasillalla toisiinsa
  • epäjalompi hapettuu ja jalompi pelkistyy
  • Hapettuminen ja pelkistyminen saa elektronit liikkumaan johtimessa
  • Esimerkkinä Daniellin pari
  • data_url_to_image_2ssfrh.png
  • Sinkkisulfaattiliuoksessa on sinkki- ja sulfaatti-ioneita ja kuparisulfaattiliuoksessa kupari- ja sulfaatti-ioneita
    • [[$CuSO_4\left(aq\right)\ \rightarrow\ Cu^{2+}\left(aq\right)+SO_4^{2-}\left(aq\right)\ \ ja\ ZnSO_4\left(aq\right)\rightarrow Zn^{2+}\left(aq\right)+SO_4^{2-}\left(aq\right)$]]
  • Anodi on negatiivinen elektrodi (kohtio), jossa tapahtuu hapettuminen.
    • [[$Zn\left(s\right)\rightarrow Zn^{2+}\left(aq\right)+2e^-$]]
    • Zn-ionit siirtyvät liuokseen
    • Elektronit siirtyvät johdita pitkin kuparielektrodille (katodille)
  • Katodi on posit. elektrodi, jossa tapahtuu pelkistyminen.
    • [[$Cu^{2+}\left(aq\right)+2e^-\ \rightarrow\ Cu\left(s\right)$]]
    • liuoksessa olevat kupari-ionint pelkistyvät puhtaaksi kupariksi Cu-elektrodin pintaan
  • Suolasillan (jokin suolaliuos) saadaan suljettu virtapiiri. Suolasiltaa pitkin ionit siirtyvät liuoksesta toiseen.
  • sähköparin kennokaavio
    • [[$-\ Zn\left(s\right)\ \mid\ Zn^{2+}\left(aq\right)\ \parallel\ Cu^{2+}\left(aq\right)\ \mid\ Cu\left(s\right)\ +$]]

Miten sähkökemiallisen parin tuottama jännite saadaan?

  • käytetään apuna normaalipotentiaalitaulukkoa (standardipotentiaali)
    • data_url_to_image_jk87pt.png
    • Reaktiot ovat pelkistymisreaktioita
  • Kun katodilla tapahtuu pelkistyminen niin taulukosta saadaan suoraan pelkistymisreaktion potentiaali Ep
  • Anodilla tapahtuvan hapettumispuolireaktion reaktio kirjoitetaan toisin päin eli saadaan hapettumisreaktion potentiaali Eh
  • Koko reaktion potentiaali eli jännite E = Eh+Ep

Esimerkiksi Daniellin parin antama jännite (teoreettinen) saadaan
[[$anodilla\ hapett.:\ Zn\left(s\right)\ \rightarrow\ Zn^{2+}\left(aq\right)+2e^-\ \ \ {,}\ E_h=0{,}76\ V$]]
[[$katoodilla\ pelk.:\ Cu^{2+}\left(aq\right)+2e^-\ \ \rightarrow\ Cu\left(s\right){,}\ E_p=0{,}34\ V$]]
[[$Parin\ jännite\ E=\left(0{,}76+0{,}34\right)V=1{,}1\ V$]]

Tehtäviä alkaen 92 →

Kotitehtävät: 98 ja 99
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

Elektrolyysi

  • Elektrolyysissä sähkövirran avulla saadaan aikaan pakotettu hapettumis-pelkistymisreaktio. Negatiivisella elektrodilla, katodilla tapahtuu pelkistyminen ja posit. elektrodilla, anodilla hapettuminen.


  • Posit. ionit, kationit kulkevat katodille (saavat elektroneja) ja negat. ionit anionit anodilla (luovuttavat elektroneja).
  • Elektrodit ovat metallia tai hiiltä. Passiviset elektrodit (hiili ja platina) eivät ota osaa reaktioon.
  • Elektrolyyttiliuoksen tulee olla sähköä johtavaa.
    • suolan vesiliuos tai sula suola
  • Käyttökohteita
    • tärkeä merkitys monien alkuaineiden, kuten natriumin, alumiinin ja kloorin valmistuksessa
    • käytetään hyväksi raakakuparia puhdistettaessa
    • käytetään metalliesineiden suojaukseen, galvanointiin päällystämällä ne paremmin kestävillä metalleilla
      •  
      • Kuvassa metalli Mb päällystetään metallilla Ma. Elektrolyyttinä on suolaliuos, jossa on Ma2+-ioneita.
  •  
    • Vedyn valmistus: vedestä hajotetaan vety- ja happikaasua
  • Elektrolyyttien vesiliuoksessa on elektrolyyteistä syntyneiden ionien ja vesimolekyylien lisäksi aina myös oksonium-ioneita, H3O+ ja hydroksidi-ioneita, OH-. Liuoksessa olevat eri ionit ja vesimolekyylit "kilpailevat" reaktiojärjestyksestä elektrodeilla.
    •  Norm. potentiaalien arvojen avulla voidaan päätellä, missä järjestyksessä ja mitkä reaktiot elektrolyysissä tapahtuvat
    • Esim tarkastellaan laimeaa NaCl:n vesiliuosta
      • [[$Liuoksessa\ on\ vesimolekyylejä\ sekä\ Na^+{,}\ Cl^-{,}\ H_3O^+\ ja\ OH^-\ -ioneja$]]
      • [[$Anodilla\ Cl^-\ ja\ H_2O\ kilpailevat\ hapettumisesta:$]]

        • [[$H_2O\left(aq\right)\xrightleftharpoons[]{}\ \frac{1}{2}O_2\left(g\right)+2H^+\left(aq\right)+2e^-\ \ {,}\ E_h=-1{,}23\ V $]]

        • [[$tai\ 2Cl^-\left(aq\right)\ \xrightleftharpoons[]{}\ Cl_2\left(g\right)+2e^-\ {,}\ E_h=-1{,}36\ V$]]
      • Näistä ylempi tapahtuu, koska norm.potentiaali on pienempi (hapettuu helpommin)
      • [[$Katodilla\ Na^{+\ }\ ja\ H_2O\ kilpailevat\ pelkistymisestä$]]
        • [[$2H_2O\ \left(aq\right)+2e^-\ \xrightleftharpoons[]{}\ H_2\left(g\right)+2OH^-\left(aq\right)\ {,}\ E_p=-0{,}83\ V$]]

        • [[$tai\ \ Na^+\left(aq\right)+e^-\ \xrightleftharpoons[]{}\ Na\left(s\right)\ {,}\ E_p=-2{,}71\ V$]]
      • Näistä ylempi tapahtuu, koska norm. potentiaali on suurempi (pelkistyy helpommin)
      • Näistä tapahtuvat:
        • [[$Katodilla:\ 2\ H_2O\ +2e^-\ \rightarrow\ H_2+2\ OH^-{,}\ E_p=-0{,}83\ V$]]
        • [[$Anodilla:\ H_2O\ \rightarrow\ \frac{1}{2}O_2+2\ H^++2e^-\ {,}\ E_h=-1{,}23\ V$]]
        • [[$Kok:\ 3\ H_2O\ \ \rightarrow\ H_2+\frac{1}{2}\ O_2+2\ H^++2\ OH^-\ eli$]]

        • [[$H_2O\ \rightarrow\ H_2+\ \frac{1}{2}\ O_2\ {,}\ E=-0{,}83\ V\ -1{,}23\ V=-2{,}06\ V$]]
      • Laimeissa elektrolyyttien vesiliuoksissa vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi
        • [[$2\ H_2O\ \left(aq\right)\ \rightarrow\ 2\ H_2\ \left(g\right)+O_2\ \left(g\right)$]]
    • Jos anodimateriaalina käytetään esim kuparia ja se hapettuu helpommin kuin elektrolyyttiliuoksen ionit tai molekyylit, hapettuu anodimateriaali esim kupari ioneina liuokseen
      • [[$Cu\left(s\right)\ \rightarrow\ Cu^{2+}\left(aq\right)+2e^-$]]
      • Näin voidaan kuparoida anodimateriaali
  •  


Kotitehtävät: 130 ja 131

Elektrolyysissä liikkuva sähkömäärä


Faradayn elektrolyysilaista saadaan johdettua kaava, jossa Q on sähkömäärä

[[$\left(Q=\right)\ \ It=nzF$]], jossa

[[$I=elektrolyysissä\ käytetyn\ virran\ voimakkuus$]]
[[$t=elektrolyysiin\ käytetty\ aika$]]s
[[$n=erottuneen\ aineen\ ainemäärä\ \left(=\frac{m}{M}\right)$]]
[[$z=ionin\ varaus$]]
[[$F=Faradayn\ elektrolyysivakio\ =\ 96485\ \frac{As}{mol}$]]

Kaavaa käytetään, kun lasketaan
  • elektrolyysissä purkautuvien aineiden määrää
  • purkautumisessa tarvittavaa sähkömäärää (virta ja /tai aika)


Jos sama virta samassa ajassa niin 

[[$Q=It\ on\ vakio\ \ \Rightarrow\ \ n_1z_1F=n_2z_2F\ \ \Leftrightarrow\ n_1z_1=n_2z_2\ \ \left(kahdessa\ tilanteessa\right)$]]


Lyijyakku




[[$Kokonaisreaktio:\ \ 2\ PbSO_4\left(s\right)+2\ H_2O\ \left(l\right)\ \ \xrightleftharpoons[purkaus]{lataus}\ Pb\left(s\right)+PbO_2\left(s\right)+2\ H_2SO_4\left(aq\right)$]]
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.