2.3 Sähkökemiallinen pari ja sen sovelluksia Flashcards
(9 cards)
Mitä sähkökemiallinen pari eli galvaaninen kenno mahdollistaa?
Erilaiset akut, paristot ja polttokennot synnyttävät sähköenergiaa spontaanien hapettumis-pelkistymisreaktioiden seurauksena. Useat hapettumis-pelkistymisreaktiot ovat eksotermisia, eli ne vapauttavat lämpöenergiaa. Jotta reaktiossa vapautuva lämpöenrgia voitaisiin hyödyntää sähköenergiana, tulee osareaktiot eristää toisistaan. Tämä toteutuu sähkökemiallisessa parissa eli galvaanisessa kennossa.
Millainen on galvaanisen kennon periaate?
Galvaanisessa kennossa hapettuva ja pelkistyvä aine eivät ole suorassa kosketuksessa toisiinsa, vaan ne ovat yhteydessä ulkoisen virtapiirin välityksellä. Tällöin hapettuvan aineen luovuttamat elektronit kulkeutuvat ulkoista johdinta pitkin pelkistyvälle aineelle. Sähkövirran kulkusuunta on johtimessa vastakkaissuuntainen. Se, mikä aine hapettuu ja mikä pelkistyy, määräytyy aineiden jalousjärjestyksen perusteella.
Mitä ovat elektrodit, suolasilta, elektrolyytti?
Kohtioita, joiden pinnalla hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat, kutsutaan elektrodeiksi. Negatiivista elketrodia kutsutaan anodiksi ja positiivista katodiksi.
Jotta sähkövirta saadaan kulkemaan elektrodit upotetaan sähköä johtavaan aineeseen, elektrolyyttiin. Elektrolyyttinä voi toimia esimerkiksi ioniyhdisteen vesiliuos tai sulate.
Elektrodien välissä on niin sanottu suolasilta. Suolasilta on joko väkevää suolaliuosta sisältävä putki, huokoinen kalvo tai polymeeri. Suolasillan tehtävä on paitsi kytkeä elektrodit yhtenäiseksi virtapiiriksi, myös säilyttää sähköisten varausten tasapaino, eli ionien määrä, kennon eri kohtioilla.
Mitä tarkoittaa lähdejännite?
Lähdejännitteellä tarkoitetaan elektrodien välistä jännitettä, kun sähkökemiallisesta parista ei oteta virtaa.
Mitä ovat polttokennot? Mihin ja miten niitä käytetään?
Polttokenno on sähkökemiallinen pari eli galvaaninen kenno, joka synnyttää sähköenergiaa spontaanien hapettumis-pelkistymisreaktioiden seurauksena. Polttokennoja käytetään henkilöautojen, avaruusrakettien, linja-autojen, junien ja jopa droonien energialähteenä ja energian varastona. Polttokennojen toiminta on periaatteeltaan samankaltainen kuin paristojen, mutta polttokennoissa reagoivia aineita syötetään kennoon jatkuvana virtana kennon ulkopuolelta.
Polttokennon katodille syötetään tavallisesti happikaasua, joka toimii reaktiossa hapettimena eli pelkistyy itse. Anodille voidaan syöttää mitä tahansa hapettuvaa ainetta. Nykyisin yleisimmin käytetyissä polttokennoissa hapettuvana aineena eli polttoaineena on vety, mutta myös metanolia ja etanolia sekä metaania polttoaineena käyttäviä kennoja on kehitetty.
Miten polttoaineena käytettävää vetyä saadaan tuotettua nyt? Entä tulevaisuudessa? Mitä haasteita siihen liittyy?
Jos polttokennojen polttoaineena käytetään vetyä, sitä voidaan valmistaa elektrolyyttisesti esimerkiksi merivedestä. Nykyisin suurin osa energialähteenä käytetystä vedystä tuotetaan fossiilisista lähteistä, sillä se on taloudellisesti kannattavampaa. Tavoitteena on kuitenkin alkaa käyttää tuuli- ja aurikovoimaa vedyn tuottamiseen. Tällöin vetyä voidaan tuottaa elektrolyysillä päästöttömästi, ja puhutaan vihreästä vedystä. Tekniikan kehittyessä vihreän vedyn tuottamisesta tulee taloudellisesti kannattavampaa.
Toisaalta myös vedyn varastointi on ongelmallista. Vety nesteytyy vasta 253 celsiusasteen lämpötilassa, joten sitä tulee pyrkiä säilyttämään paineistettuna tai metallihydridiin sidottuna.
Mitä ovat akut?
Akut ovat niin sanottuja sekundäärisiä virtalähteitä, eli niitä voidaan ladata uudelleen niiden tyhjenemisen jälkeen. Tämä johtuu siitä, että akuissa kemialliset reaktiot saadaan tapahtumaan kumpaankin suuntaan. Kun akkua käytetään virtalähteenä, tapahtuu spontaani hapettumis-pelkistymisreaktio. Akkua ladattaessa saadaan puolestaan aikaan pakotettu hapettumis-pelkistymisreaktio. Näin ollen akkua käytettäessä se toimii virtalähteenä ja latauksen aikana tapahtuu elektrolyysi.
Mitä kertakäyttöiset paristot ovat? Entä mikä on kuivapari?
Kertakäyttöiset paristot ovat sähkökemiallisia pareja, jotka toimivat, kunnes anodilla ja katodilla olevat aineet ovat kuluneet loppuun. Kuivapari eli Leclanché-pari on kertakäyttöinen paristo eli sähkökemiallinen pari, jota kutsutaan arkikielessä sauvaparistoksi. Kuivaparin anodina toimii sinkki ja katodina mangaani(IV)oksidin ja hiilen seos. Sähkönjohteena toimii grafiittisauva, joka on kosketuksissa elektrolyyttinä toimivan, vedellä kostutetun ammoniumkloridi-sinkkikloriditahnan kanssa. Yksittäisen sauvapariston eli kuivaparin lähdejännite on 1,5 V.
Mitä ovat alkaliparit?
Nykyään yleisesti käytetty alkalipari on korvannut kuivaparin monissa käyttökohteissa. Alkaliparin etuna on, että se tuottaa 50 % enemmän energiaa kuin saman kokoinen kuivapari. Tässä sähkökemiallisessa parissa kuivaparin am-moniumkloridi on korvattu alkalimetallihydroksidilla.
Ajan myötä alkaliparit ovat kuitenkin alttiita vuotamaan emäksistä kaliumhydroksidia, joka saattaa aiheuttaa silmä-, iho- tai hengitysärsytystä. Vuotoja voidaan estää laittamalla samaan laitteeseen vain saman tyypin paristoja, vaihtamalla paristot samaan aikaan ja poistamalla ne, ku laitetta ei käytetä.
