2.2 Spontaanit hapettumis-pelkistymisreaktiot ja standardipotentiaali Flashcards
(16 cards)
Mitä hapettumis-pelkistymisreaktioon osallistuvilta aineilta vaaditaan, jotta reaktio voi tapahtua?
Jotta kahden eri metallin välinen hapettumis-pelkistymisreaktio voi tapahtua, epäjalomman metallin tulee olla atomimuodossa ja jalomman metallin ionimuodossa kationeina. Tällöin epäjalompi metalli hapettuu eli luovuttaa ulkoelektroninsa jalomman metallin ioneille, jotka pelkistyvät.
Mikä on metallien jännitesarja? Mitä siitä nähdään?
Metallien jännitesarjassa metallit on järjestetty pienenevän hapettumiskykynsä, eli kasvavan pelkistymiskykynsä, mukaiseen järjestykseen. Jännitesarjaan merkitty vety jakaa metallit epäjaloihin ja jaloihin metalleihin. Metallien jännitesarjan avulla voidaan ennustaa, tapahtuuko kahden eri metallin välillä hapettumis-pelkistymisreaktio spontaanisti vai ei.
Mitkä jännitesarjan metalleista reagoivat veden kanssa vapauttaen vetykaasua? Entä vesihöyryn kanssa?
Jännitesarjan metallit litiumista (Li) natriumiin (Na) reagoivat veden kanssa vapauttaen vetyä. Tällöin metalli hapettuu metalli-ioneiksi ja vesi pelkistyy vetykaasuksi. Samalla liuokseen muodostuu hydroksidi-ioneja (OH-). Näiden metallien (Li-Na) vesiliuokset ovatkin emäksisiä, ja ne löytyvät jaksollisen järjestelmän alkali- ja maa-alkalimetallien ryhmistä.
Vesihöyryn kanssa reagoivat metallit magnesiumista (Mg) kromiin (Cr). Tällöin lopputuotteena muodostuu metallien oksideja ja vetykaasua.
Mitkä jännitesarjan metallit reaoivat happojen vesiliuosten kanssa vapauttaen vetykaasua? Mitkä eivät?
Jännitesarjassa vedyn yläpuolella olevat metallit hapettuvat ioneiksi happojen vesiliuoksissa, jolloin liuoksessa olevat vetyionit eli protonit tai vesi pelkistyy vetykaasuksi.
Jännitesarjassa vedyn alapuolella olevat metallit eivät hapetu happojen vesiliuoksissa vetykaasua vapauttaen, vaan tällöin pelkistyvänä aineena on jokin muu hapon alkuaine.
Selitä, miten metallien paikka metallien jännitesarjassa määräytyy.
Metallien paikka (jännitesarjassa) suhteessa vetyyn on määritetty teoreettisella mallilla, jossa niin sanottu standardivetyelektrodi (SHE) on kytketty sähkökemialliseksi pariksi tutkittavan metallin ja sen ioneja sisältävän liuoksen kanssa. Standardielektrodissa inertti eli reagoimaton platinaelektrodi on upotettu vetyioneja sisältävään liuokseen (c = 1,00 mol/l), ja sen pinnalle johdetaan vetykaasua 100 kPa paineella.
Standardivetyelektrodi on ideaalinen malli, jota ei voi käytännössä toteuttaa. Tässä mallissa sekä vety että tutkittava metalli voivat hapettua tai pelkistyä. Mikäli tutkittava metalli hapettuu ja vety pelkistyy vetykaasuksi, tutkittava metalli on vetyä epäjalompi ja sijaitsee jännitesarjassa vedyn yläpuolella. Vastaavasti, jos tutkittava metalli pelkistyy ja vety hapettuu, tutkittava metalli on vetyä jalompi ja sijaitsee jännitesarjassa vedyn alapuolella.
Mikä on standardipotentiaalitaulukko?
Standardipotentiaalitaulukko kuvaa eri aineiden hapettumis-pelkistymistaipumusta standardipotentiaaliarvojen E avulla. Taulukossa metallit on järjestetty pienenevän hapettumiskykynsä, eli kasvavan pelkistymiskykynsä, mukaiseen järjestykseen.
Mitä tarkoitetaan standardipotentiaaliarvolla?
Standardipotentiaaliarvo (E) on se jännite (V), joka muodostuu standardivetyelektrodin ja tutkittavan aineen välille, kun ne kytketään sähkökemialliseksi pariksi. Vedyn standardipotentiaaliarvoksi on sovittu 0,00 V kaikissa lämpötiloissa, ja muiden aineiden hapettumista tai pelkistymistä on verrattu standardielektrodilla tapahtuvaan vedyn hapettumis- tai pelkistymisreaktioon.
Milloin hapettumis-pekistymisreaktio tapahtuu spontaanisti?
Kahden eri metallin välinen hapettumis-pelkistymisreaktio tapahtuu spontaanisti eli ilman ulkoista painetta, kun hapettumisreaktion standardipotentiaalin (hapettumispotentiaalin) Eh ja pelkistymisreaktion standardipotentiaalin (pelkistymispotentiaalin) Ep summa on positiivinen luku.
Mitä haittaa spontaaneista hapettumisreaktioista voi olla?
Spontaaneista hapettumisreaktioista voi olla myös haittaa. Esimerkiksi elintarvikkeiden säilymistä parannetaan erilaisilla hapettumisenestoaineilla eli antioksidanteilla tai poistamalla pakkauksesta happi ja korvaamalla se suojakaasuseoksella (esim. typen ja hiilidioksidin seos). Näin elintarvikkeet saadaan säilymään pidempään ja ruokahävikki vähenee. Soluissa antioksidantit hidastavat tai estävät kokonaan biomolekyylien haitallista hapettumista.
Mitä tarkoitetaan korroosiolla?
Metallia sisältävien tuotteiden tai rakenteiden korroosio eli hapettuminen ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta on esimerkki spontaanista hapettumis-pelkistymisreaktiosta. Tällöin metallin pintaan tai kahden metallin liitoskohtaan muodostuu sähkökemiallinen pari.
Mitä hyötyä on helposti hapettuvista metalleista (korroosio)? Missä hyödynnetään?
Joidenkin metallien pintaan muodostuu melko nopeasti tiivis oksidikerros niiden reagoidessa ilman hapen kanssa. Muodostunut oksidikerros estää metallia syöpymästä enempää.
- Alumiinin laaja käyttö kone-, elektroniikka-, rakennus- ja metalliteollisuuden sovelluksissa perustuu alumiinia suojaavan oksidikerroksen muodostumiseen
- Tinaa käytetään muiden metallien pinnoittamiseen, sillä tinan pinnalle muodostuva oksidikerros suojaa tinakerroksen alla olevaa metallia hapettumiselta
- Lyijyakuissa oksidikerros estää lyijyelektrodin liukenemisen akun sisältämään rikkihappoon
Mitä haittaa korroosiosta on taloudellisesta ja ympäristön näkökulmasta?
Korroosiolla on suuri kansantaloudellinen merkitys, sillä sen kustannukset ovat teollisuusmaissa noi 3-4 % maan bruttokansantuotteesta.
Lisäksi korroosion vaikutuksesta muodostuneet metalli-ionit voivat liueta esimerkiksi sadeveteen ja muuttaa maaperän kemiallista koostumusta.
Mitä tarkoitetaan raudan ruostumisella? Mitkä tekijät edesauttavat sitä? Miten tämä ilmenee talven olosuhteissa?
Raudan korroosio eli raudan ruostuminen on hapettumistapahtuma, jossa ilman happi ja vesi pääsevät vaikuttamaan rautaan. Raudan korroosiota nopeuttavat sekä veteen liuenneet suolat että liuoksen alhainen pH (perustele standardipotentiaalien avulla). Ruostuminen onkin erityisen nopeaa merivedessä, jossa on runsaasti liuenneita suoloja.
Alueilla, joissa maanteitä suolataan runsaasti talviaikoina, autot ruostuvat helposti, sillä auton pohjaan kertyvä suolapitoinen vesi edesauttaa raudan korroosiota.
Miksi raudan korroosiota joudutaan estämään eri keinoin?
Raudan korroosiota eli raudan ruostumista joudutaan estämään eri keinoin, sillä siitä aiheutuu vuosittain useiden miljardien eurojen tappiot. On arvioitu, että noin 20 % vuosittain tuotetusta raudasta vaurioituu ruostumisen seurauksena.
Miten raudan korroosionopeutta voidaan hidastaa galvanoinnin avulla?
Raudan ruostumista eli korroosiota ei pystytä täysin estämään, mutta korroosionopeutta voidaan hidastaa suojaamalla raudan pinta. Yksi keino on päällystää rauta sellaisella metallilla, joka reagoi helposti ilman hapen kanssa. Tällöin uloimman metallin pintaan muodostuu oksidikerros, joka estää hapen ja veden pääsyn kosketukseen raudan kanssa.
Kun suojaukseen käytetään rautaa epäjalompaa metallia, epäjalompi metalli on hapettuva aine. Yleisin rautaa epäjalompi suojametalli on sinkki (Zn), jolloin suojausmenetelmää kutsutaan galvanoinniksi.
(myös uhrianodit!!)
Mitä pitää huomioida, jos rauta suojataan sitä jalommalla metallilla korroosion estämiseksi?
Mikäli rauta on suojattu sitä jalommalla metallilla, suojapinnan tulee säilyä ehjänä. Mikäli pinta vaurioituu, raudan ruostuminen eli korroosio etenee hyvinkin nopeasti, sillä tällöin rauta epäjalompana metallina pääsee hapettumaan.
