22.1.2018

1

Sähköä kemiallisesta energiasta MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA, KE4

Tarkastellaan tilannetta, jossa sinkkilevy on laitettu kuparisulfaattiliuokseen. Mitä havaitaan?

Havaitaan, että sinkkilevyn päälle muodostuu kuparia. Toisaalta metallien jännite-sarjaa ja alakuvia hyödyn-täen voidaan todeta: - sinkki hapettuu ja - kupari pelkistyy. Voisikohan tätä kemiallista hapettumis-pelkistymisilmi-ötä hyödyntää mitenkään? Elektronit liikkuvat, eli…

Ihminen on ajan mittaan oppinut käyttämään erilaisia kemiallisia tapahtumia hyödykseen, kuten palaminen (lämpöä ja mekaanista työtä). 1800-luvun alus-sa oli keksitty lennätin, mutta varmatoimista virtalähdettä lennättimeen ei ol-lut. Englantilainen kemisti John Daniell pohti voisikohan edellä tarkastellun kemiallisen hap.-pelk.reaktion tuottaman lämmön hyödyntää sähkönä.

Daniell oivalsi, että erottamalla metallit toisistaan olisi mahdollista rakentaa suljettu virtapiiri, joka toimisi virtalähteenä lennättimellä.

22.1.2018

2

Näin syntynyt Daniellin kenno oli ensimmäinen ns. galvaaninen kenno eli säh-köpari. Galvaanisessa kennossa tapahtuu spontaani hapettumis-pelkistymis-reaktio, lämpöenergia muutetaan sähköenergiaksi ja elektronien siirtyminen tapahtuu ulkoista johdinta pitkin eikä suoraan metallilta toiselle.

Sähköparin rakenne: - elektrodit, upotettuina omaan ioniliuokseen - ulkoinen johdin - suolasilta

Suolasillassa kationit eli posit. ionit ja anionit eli negat. ionit siirtyvät ta-soittamaan varauseroa.

sähkövirta

Määritelmiä, käsitteitä ja merkintöjä, Galvaaninen kenno / sähköpari: Galvaanisessa kennossa hapettuva ja pelkistyvä aine eivät ole suoraan koske-tuksessa toisiinsa, vaan ne ovat yhteydessä ulkoisen virtapiirin välityksellä. Kennon kiinteitä metalleja (kuten sinkki ja kupari edellä) kutsutaan elektro-deiksi (tai kohtioiksi). Elektrodia, jolla tapahtuu hapettuminen, sanotaan anodiksi ja elektrodia, jol-la tapahtuu pelkistyminen, sanotaan katodiksi. (Tämä lause on tärkein määri-telmä sähkökemiassa!). Edellisessä esimerkissä − anodi: hapettuminen Zn s → Zn2+ aq + 2 𝑒− + katodi: pelkistyminen Cu2+ aq + 2 𝑒− → Cu s (Myöhemmin käsitellään elektrolyysi, jossa napaisuus menee toisinpäin, mut-ta edelleen anodilla hapettuminen ja katodilla pelkistyminen.)

Galvaaninen kenno voidaan ajatella kahtena puolikennona ja elektrodeilla ta-pahtuvia reaktioita tarkastellaankin erillisinä ns. kennoreaktioina. Kennoreak-tioita kirjoitettaessa on otettava huomioon elektrodimateriaalin lisäksi myös sen ympärillä olevat muut aineet (mitä ioneita liuoksessa on).

Elektrodit yhdistetään kiinteällä johtimella ja kennon virtapiiri suljetaan suo-lasillalla. Suolasiltana voi toimia huokoinen väliseinä eli ns. membraani, suo-laliuoksella kasteltu suodatinpaperi tai U-putkessa oleva suolaliuos.

22.1.2018

3

Elektronien virtausta sähköparissa voidaan verrata vesiputoukseen.

Muista, että vesiliuoksessa sähkövarauksen kuljettajina toimivat ionit eivätkä elektronit. Sähköä johtavina liuoksina eli elektrolyyttiliuoksina toimivat: - suolasulate - liukoisen ioniyhdisteen vesiliuos - hapon/emäksen vesiliuos.

Kemiallisen reaktion tuottama sähkövirta havaitaan virtapiiriin asetetun jänni-temittarin avulla. Jännitemittari mittaa potentiaalieroa (jännite), joka syntyy, koska sinkin kyky luovuttaa elektroneja on erilainen kuin kuparin kyky vas-taanottaa. Tätä mitattua jännitettä kutsutaan kennon lähdejännitteeksi.

Lähdejännitteen arvo riippuu elektrodeista. Mitä kauempana me-tallit ovat jännitesar-jassa toisistaan sen suurempi jännite saa-daan. Myös elektrolyyttiliu-oksen konsentraatio ja lämpötila vaikutta-vat jännitearvoon.

Siis potentiaaliero on jännite!

Palautetaan vielä mieleen termit lähdejännite ja napajännite. Lähdejännitet-tä voidaan verrata bruttopalkkaan minkä tienaat ja napajännitettä nettopalk-kaan, joka jää käteen verojen jälkeen.

Kemian merkkikielellä galvaaninen kenno merkitään seuraavasti:

Kennokaavio: − Zn s ZnSO4 aq ∥ CuSO4 aq Cu s +

Negatiivinen elek-trodi ja materiaali suolasilta

Positiivinen elek-trodi ja materiaali

faasiraja faasiraja

𝐸0 = +0,76 V

𝐸0 = +0,34 V

𝐸0 = +1,10 V

ON spontaani Muista: ANODIlla hapettuminen, tässä negat. kohtio ja KATODIlla pelkistyminen, tässä posit. kohtio.

22.1.2018

4