1. No category

Sähkökemia I
Metallien jännitesarja, sähkökemialliset
parit, normaalipotentiaali, galvaaninen
kenno
Kertausta
Pohdi kertauksen vuoksi seuraavia käsitteitä
a)  Hapettuminen
b)  Pelkistin
c)  Hapetusluku
d)  Elektrolyytti
e)  Epäjalo metalli
f )  Jalo metalli
g)  Spontaani reaktio
Sähkökemia
•  Hapetus-pelkistysreaktioiden energiaa
muutetaan sähköksi tai sähköenergiaa
käytetään kemiallisten reaktioiden
aikaansaamiseksi
•  Sähkökemia jokapäiväisessä elämässä:
–  akut ja paristot (galvaaninen kenno),
–  kloorikaasun valmistus, metalliesineiden pinnoitus
(elektrolyysi),
–  ruostuminen (metalli hapettuu sähkökemiallisesti)
Metallien sähkökemiallinen
jännitesarja
•  Metallit on laitettu järjestykseen
epäjaloimmasta jalompaan metalliin
•  Vety on epäjalojen ja jalojen metallien rajana
•  Mitä epäjalompi metalli, sitä helpommin se
hapettuu, eli luovuttaa elektroneja
•  Mitä jalompi metalli, sitä helpommin se
pelkistyy, eli vastaanottaa elektroneja
(muuttuu ionista atomiksi)
Metallien sähkökemiallinen
jännitesarja
Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb <-­‐Epäjalot metallit H Cu Hg Ag Jalot metallit-­‐> •  Sarjan avulla voidaan päätellä, mikä reak9okomponenteista pelkistyy ja, mikä hape=uu •  Epäjalompi pelkistää jalomman ja hape=uu samalla itse. Jos se ei ole mahdollista, reak@ota ei tapahdu •  Jalompi ei voi pelkistää epäjalompaa! Au Esimerkki
Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb <-­‐Epäjalot metallit H Cu Hg Ag Jalot metallit-­‐> Voiko reaktio tapahtua? Perustele
a)  Alumiini-ioni hapettaa kultaa?
b)  Alumiini-metalli pelkistää kulta-ionin?
c)  Sinkki-ioni ja metallinen rauta reagoivat
d)  Kupari pelkistää hopea-ionin
Au Spontaani hapetuspelkistysreaktio
•  Kun reaktio on eksoterminen, sen tapahtuessa
vapautuu energiaa
•  Reaktio on spontaani, kun lämpötila, entalpia ja
entropia ovat suotuisat (Gibbsin energia)
•  Esimerkiksi epäjalon metallin ollessa jalomman metallin
ioneja sisältävässä vesiliuoksessa, epäjaloa metallia
ionisoituu ja jaloa metallia kertyy epäjalon metallin
pinnalle.
•  Eksotermisten hapetuspelkistysreaktioiden kemiallista
energiaa pystytään muuttamaan Galvaanisen kennon
avulla sähköenergiaksi
Galvaaninen kenno
•  Jotta sähköparin energiaa voidaan
hyödyntää, elektronit siirtyvät hapettuvalta
aineelta pelkistyvälle aineelle ulkoista
johdinta pitkin
•  Pyritään muodostamaan järjestelmä, jossa
kulkee sähkövirta, eli elektronit liikkuvat
tiettyyn suuntaan. Tähän tarvitaan
epäjalompi ja jalompi metalli, jotka reagoivat
spontaanisti.
Daniellin pari
•  Yksinkertaisin Galvaaninen kenno on kuvassa näkyvä Daniellin pari •  Sinkkisauva sinkki-­‐
ioniliuoksessa •  Kuparisauva kupari-­‐ioneja sisältävässä liuoksessa. •  Sauvat yhdiste=y joh9milla •  Liuosten välissä suolasilta Daniellin pari
•  Kumman massa kasvaa kuparin vai sinkin?
–  Kuparin, koska se on jalompi metalli. Näin ollen
sinkkimetallia hapettuu sinkki-ioneiksi ja kupariioneja pelkistyy kuparimetalliksi
•  Mihin suuntaan elektronit kulkevat?
–  Sinkki-elektrodilta kohti kupari-elektrodia
•  Mihin suuntaan kationit kulkevat?
–  Suolasiltaa pitkin sinkkiliuoksesta
kupariliuokseen.
Anodi ja katodi
•  Toinen elektrodeista toimii katodina ja toinen anodina
•  Anodilla tapahtuu hapettuminen ja katodilla
pelkistyminen
•  Daniellin parissa anodi on sinkkisauva ja katodi on
kuparisauva
•  Anodi on Galvaanisessa kennossa epäjalompi ja katodi
jalompi
•  Anodi on Galvaanisessa kennossa negatiivinen ja katodi
positiivinen. Huom! Merkit ovat vastakkaiset
elektrolyysikennossa.
Muistisääntö (jos auttaa)
•  Elektrolyysi-PANKKI
•  Toimii elektrolyysissä, galvaanisessa kennossa
toistepäin.
•  Positiivinen Anodi
•  Negatiivinen Katodi
Kohtioiden positiivisuus/
negatiivisuus
•  Galvaanisessa kennossa tuotetaan sähköenergiaa
kemiallisen energian avulla. Elektrolyysissä tilanne
on toisinpäin. Älä siis sovella näitä merkkisääntöjä
elektrolyysiin.
•  Anodilla tapahtuu hapettuminen
–  Zn(s)→Zn2+(aq) + 2e-(aq)
–  Elekronit lähtevät vaeltamaan elektrodia pitkin katodille ->
anodi on negatiivinen kohtio
•  Katodilla tapahtuu pelkistyminen
–  Cu2+(aq)+2e-(aq)→Cu(s)
–  Katodi on siis positiivinen kohtio, jonne elektronit vaeltavat.
Puolireaktiot
•  Puolikenno = kennon anodinen tai katodinen
puoli
•  Puolireaktio = toisella puolikennolla tapahtuva
reaktio
•  Toinen puolireaktioista on hapetusreaktio ja
toinen pelkistysreaktio
•  Daniellin kennon puolireaktiot:
Katodireaktio Cu2+(aq)+2e-(aq)→Cu(s)
Anodireaktio Zn(s)→Zn2+(aq) + 2e-(aq)
Kennokaavio
•  Puolireaktiot voidaan myös yhdistää yhteen lausekkeeseen,
kennokaavioon. Tällöin ei merkata elektroneja näkyviin, eikä reaktiota
tasapainoteta. HUOM! Eri asia kuin kokonaisreaktio!
•  Daniellin parin kennokaavio
-  Zn(s) I ZnSO4(aq) II CuSO4(aq) I Cu (s) +
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
7. 
Merkataan negatiivinen elektrodi
Merkataan rajapintaa pystyviivalla
Merkataan negatiivisen elektrodin elektrolyyttiliuoksen ioniyhdiste tai
ioni, jos yhdistettä ei kerrota
Merkataan suolasiltaa kahdella viivalla
Merkataan positiivisen elektrodin elektrolyyttiliuoksen ioniyhdiste
Rajapinta pystyviivalla
Merkataan positiivinen elektrodi
Esimerkki
Muodosta puolireaktiot ja kennokaavio
seuraaville Galvaanisille kennoille
a)  Elektrodi 1 on hopeaa ja elektrolyysiliuos
hopeanitraattia. Elektrodi 2 on rautaa ja
elektrolyyttiliuos rauta(II)nitraattia. Astioita
yhdistää suolasilta
b)  Elektrodi on 1 on kaliumia elektrolyyttiliuos
kaliumnitriittiä. Elektrodi 2 on kalsiumia ja
elektrolyysiliuos kalsiumnitriittiä
Ratkaisu
•  a) Koska hopea on rautaa jalompi metalli,
hopea-ionit pelkistyvät ja kiinteää rautaa
hapettuu. Hopea on siis positiivinen kohtio ja
rauta negatiivinen.
- Fe(s) I Fe(NO3)2(aq) II AgNO3(aq) I Ag(s) +
•  b) Koska kalsium on kaliumia jalompi metalli,
kalsium-ionit pelkistyvät ja kiinteää kaliumia
hapettuu. Kalsium on positiivinen kohtio ja
kalium negatiivinen.
- K(s) I KNO2(aq) II Ca(NO2)2(aq) I Ca(s) +
Sähkökemiallisen parin jännite
•  Kun sähkökemiallisen parin avulla muodostettuun
virtapiiriin liitetään mukaan jännitemittari, pystytään
mittaamaan anodin ja katodin välinen jännite-ero
–  lähdejännite
•  Jännitteeseen vaikuttavat elektrolyyttiliuosten
konsentraatiot, lämpötila ja kohtiomateriaali
–  erilaisia pareja ja lähdejännitteitä on hyvin suuri määrä.
•  Jotta pystyisimme laskemaan jonkun tietyn
sähkökemiallisen parin välisen jännitteen,
normaalipotentiaalin, tarvitsemme vertailukohtion.
•  Tähän käytetään normaalivetyelektrodia.
Normaalivetyelektronin ominaisuudet
•  Itse elektrodi on platinaa
•  Elektrolyyttiliuos on 1,0M HCl-liuosta
•  Elektrodin pinnalle on johdettu vetykaasua, jonka paine
on 101,325kPa ja lämpötila 298,15K
•  Mahdolliset kennoreaktiot normaalivetyelektrodilla
2 H+(aq) + 2e-(aq) → H2(g)
H2(g) → 2H+(aq) + 2e-(aq)
•  Elektrodi voi siis toimia sekä anodina, että katodina.
Normaalivetyelektrodin potentiaaliksi on sovittu 0,00V.
Tro: Chemistry, A Molecular Approach Normaalipotentiaalit → sähkökemiallinen
jännitesarja
•  Normaalivetyelektrodin avulla lasketut lähdejännitteet
määräävät sähkökemiallisen jännitesarjan järjestyksen.
–  Mikä vaikuttaa alkuaineen pelkistymiskykyyn?
à Orbitaalirakenne, etenkin ulkokuori
•  Taulukoista: Jos elektrodin normaalipotentiaali on
negatiivinen, toimii kyseinen metalli
normaalivetyelektrodin seurassa negatiivisena
kohtiona, eli anodina.
–  Metalli sijoittuu sarjassa vedyn vasemmalle puolelle
–  Tällöin metalli hapettuu ja normaalivetyelektrodilla tapahtuu
pelkistyminen reaktiolla
2 H+(aq)+2e-(aq) → H2(g)
Normaalipotentiaalit → sähkökemiallinen
jännitesarja
•  Taulukoista: Jos elektrodin normaalipotentiaali on positiivinen,
metalli toimii positiivisena kohtiona, eli katodina.
–  Metalli sijoittuu sarjassa vedyn oikealle puolelle
–  Tällöin metalli pelkistyy ja normaalivetyelektrodilla tapahtuu
hapettuminen reaktiolla
H2(g) → 2H+(aq)+ 2e-(aq)
•  Normaalipotentiaalitaulukoissa on aina ilmoitettu
pelkistymisreaktion potentiaali. Hapetusreaktion potentiaalin
etumerkki on vastakkainen.
•  Normaalivetyelektrodin avulla mitattuja normaalipotentiaaleja
käytetään sähkökemiallisen parin aiheuttaman jännitteen
laskemiseen standardiolosuhteissa.
Lähdejännitteen kaava
E = Ehapetusreaktio + Epelkistysreaktio
•  Muista kääntää etumerkki, kun muutat
pelkistysreaktion potentiaalin hapetusreaktion
potentiaaliksi!!
Ered = -Eox
•  Normaalipotentiaali ei muutu, vaikka reaktiota
jouduttaisiin kertomaan kokonaisreaktioyhtälöä
muodostettaessa
Esimerkki
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Reaktio
Li+(aq) + e- -> Li(s)
K+(aq) + e- -> K(s)
Ca2+(aq) + 2e- -> Ca(s)
Pb2+(aq) + 2e- -> Pb(s)
Fe3+(aq) + 3e- -> Fe(s)
2H+(aq) + 2e- -> H2(g)
Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s)
Ag+(aq) + e- -> Ag(s)
E˚/V (25°C)
-3.04
-2.93
-2.87
-0.13
-0.045
0.00
0.34
0.80
Mikä on parin lähdejännite ja kokonaisreaktioyhtälö?
a) - Li(s) I Li+(aq) II Cu2+(aq) I Cu(s) +
b) – Cu(s) I Cu2+ II Ag+ (aq) I Ag(s) +
Ratkaisu
a) Li(s) → Li+(aq) +e-(aq) V=3,04V
Cu2+(aq)+2e- → Cu(s) V=0,34V
Kerrotaan litiumin reaktio kahdella
2Li(s)+Cu2+(aq) → 2Li+(aq)+Cu(s)
E = Ehapetusreaktio+ Epelkistysreaktio
= 3,04V + 0,34V=+3,38V
b) Cu(s) → Cu2+(aq)+2e-(aq)
V=-0.34V
Ag+(aq)+e-(aq) → Ag(s)
V=0.80V
Kerrotaan hopean reaktio kahdella
Cu(s) +2Ag+(aq)→ Cu2+(aq)+2Ag(s)
E = Eh + Ep = 0,46V
Esimerkki
Sydämentahdistimen tarkoituksena on pitää potilaan
sydämen rytmi säännöllisenä. Akkuna käytetään
litiumjodikennoa, joka kestää lataamatta 10-14 vuotta.
Litium toimii anodina ja katodina toimii jodi.
Elektrolyyttinä on poly-2-vinyylipyridiini. Kirjoita
kennoreaktio, kokonaisreaktioyhtälö ja laske
lähdejännite
Litiumin pelkistymispotentiaali on -3,04V ja jodin
0,54V.
Ratkaisu
- Li | Li+ || I2 | I- +
Li → Li+ +e- Kerrotaan kahdella
I2+2e-→2I2Li +I2→ 2Li+ +2IE = Ehapetusreaktio+ Epelkistysreaktio
=3,04V + 0,54V = 3,6V