Kemiallinen energia ja kiertotalous

KE5: Kemiallinen energia ja kiertotalous

Tavoitteet ja keskeiset sisällöt

Tavoitteena on, että opiskelija

  • ymmärtää kemiallisen energian varastoinnin ja hyödyntämisen periaatteita ja osaa perustella mielipiteitään keskustelussa energiaratkaisuista

  • ymmärtää energian häviämättömyyden ja energianmuutokset kemiallisissa reaktioissa

  • tuntee merkittävien metallien ominaisuuksia sekä valmistus- ja jalostusprosesseja ympäristövaikutuksineen

  • osaa tutkia sähkökemiaan liittyviä ilmiöitä kokeellisesti ja kuvata niitä malleja käyttäen

  • tuntee yhteiskunnassa merkittävien metallien kierrätyksen ja kiertotalouden periaatteet sekä niihin liittyviä ratkaisuja.

Keskeiset sisällöt

  • reaktiossa sitoutuva tai vapautuva energia muodostumisentalpioiden, sidosenergioiden ja Hessin lain avulla

  • reaktiosarja- ja seoslaskujen periaatteet

  • hapetusluvut ja hapettumis-pelkistymisreaktiot

  • metallien ominaisuuksia ja käyttökohteita, valmistus- ja jalostusprosesseja sekä riittävyys ja kierrätettävyys

  • sähkökemian keskeiset periaatteet: jännitesarja, normaalipotentiaali, kemiallinen pari, elektrolyysi ja kemiallisen energian varastointi

  • luonnontieteelliseen tutkimukseen tutustuminen tai tutkimuksen tai ongelmanratkaisun ideointi ja suunnittelu

Tavoitteet ja keskeiset sisällöt

Kemiallinen energia ja kiertotalous

Metallien kemia

Kemiallinen energia

Sähkökemia

kemiallisen reaktion energiamuutokset

Laskuja:

Rinnakkaiset ja peräkkäiset reaktiot

ominaisuudet

elinkaari

metallien jännitesarja

hapetus-pelkistysreaktiot

reaktioyhtälön tasapainotus

KE4 laskut

Arviointi ja käytänteet

Palautustehtävät ja testit

PT1: Seoslaskut

PT2: Hessin laki

Testi: Hapetusluvut ja hapetus-pelkistysreaktiot

3 x 5 p.

Ryhmätehtävät

RT1: Kalorimetrinen mittaus ja Hessin laki

RT2: Hapetus-pelkistystitraus

RT3: Ryhmätyö

3 x 5 p.

Kirjan tehtävät

10 p.

Koe

60 p.

Oppimispäiväkirja / portfolio

+ 5 p.

YHTEENSÄ: 100 p.

5 6 7 8 9 10
Pisteet 33 43 55 67 79 91

Käytänteet

  • Opintojakson aikana on suoritettava vähintään yksi kokeellinen työ tai opintojakso keskeytyy
  • Lukion poissaolokäytänteet!
  • Opiskelusta on oltava jatkuvaa näyttöä
  • Seuraa Wilman tuntimerkintöjä, Classroomia ja aikataulua

Rinnakkaiset ja peräkkäiset reaktiot

Keskeiset asiat:

  • reaktiosarja

  • välituote

  • rinnakkaiset reaktiot

  • yhteinen reaktiotuote

  • yhteinen lähtöaine

  • seoslaskut

Sidos 5: Luku 1-2

Esimerkki

Lyijyä voidaan valmistaa lyijysulfidista seuraavan reaktiosarjan mukaisesti.

(1)\ \mathrm{PbS(s)+O_2(g)\rightarrow PbO(s)+SO_2(g)}
(2)\ \mathrm{PbO(s)+C(s)\rightarrow Pb(s)+CO_2(g)}

Kuinka paljon lyijyä saadaan valmistettua 3,5 grammasta lyijysulfidia, kun muita lähtöaineita on ylimäärin?

peräkkäiset reaktiot

Ratkaisu:

Tasapainotetaan osareaktiot erikseen.

(1)\ \mathrm{PbS(s)+O_2(g)\rightarrow PbO(s)+SO_2(g)}

vasen

oikea

Pb

S

O

1

1

1

1

2

1+2

\frac{3}{2} \cdot
(1)\ \mathrm{PbS(s)+\frac{3}{2}O_2(g)\rightarrow PbO(s)+SO_2(g)}

Reaktioyhtälön kertoimiksi ei murtolukuja!

\|\cdot 2
(1)\ \mathrm{2\ PbS(s)+3\ O_2(g)\rightarrow 2\ PbO(s)+2\ SO_2(g)}
(2)\ \mathrm{PbO(s)+C(s)\rightarrow Pb(s)+CO_2(g)}

vasen

oikea

Pb

C

O

1

1

1

1

1

2

(2)\ \mathrm{2\ PbO(s)+C(s)\rightarrow 2\ Pb(s)+CO_2(g)}
2 \cdot
2 \cdot
2 \cdot
(1)\ \mathrm{2\ PbS(s)+3\ O_2(g)\rightarrow 2\ PbO(s)+2\ SO_2(g)}
(2)\ \mathrm{2\ PbO(s)+C(s)\rightarrow 2\ Pb(s)+CO_2(g)}

Yhdistetään reaktioyhtälöt kokonaisreaktioksi.

Välituote supistuu pois!

(1+2)\ \mathrm{2\ PbS(s)+3\ O_2(g)+C(s)\rightarrow 2\ SO_2(g)+2\ Pb(s)+CO_2(g)}

Reaktioyhtälön kertoimien perusteella \(n(\mathrm{PbS})=n(\mathrm{Pb})\).

m(\mathrm{PbS})=3{,}5\mathrm{\ g}
M(\mathrm{PbS})=239{,}27\ \mathrm{g/mol}
M(\mathrm{Pb})=207{,}2\ \mathrm{g/mol}
n(\mathrm{PbS})=\frac{m(\mathrm{PbS})}{M(\mathrm{PbS})}
=\frac{3{,}5\mathrm{\ g}}{239{,}27\ \mathrm{g/mol}}
=0{,}01462...\mathrm{\ mol}
m(\mathrm{Pb})=n(\mathrm{Pb})\cdot M(\mathrm{Pb})
=0{,}01462...\mathrm{ \ mol}\cdot 207{,}2\mathrm{ g/mol}
=3{,}030...\mathrm{\ g}

Vastaus: Lyijyä saadaan valmistettua 3,0 g.

Kokonaisreaktioyhtälön kirjoittaminen reaktiosarjalle

  • Kirjoitetaan jokainen osareaktio erikseen ja tasapainotetaan ne.
  • Kerrotaan osareaktioiden kertoimet tarvittaessa sellaisella luvulla, että välituotteilla on eri osareaktioissa yhtä suuri kerroin.
  • Lasketaan osareaktiot puolittain yhteen ja vähennetään välituotteet samalla pois.
  • Jos kokonaisreaktion yhtälössä jokin aine on sekä lähtöaineena että tuotteena, sitä vähennetään yhtä suuret määrät reaktioyhtälön molemmilta puolilta.
  • Tarkistetaan, että kokonaisreaktion yhtälössä kertoimet ovat mahdollisimman pieniä kokonaislukuja.

Rinnakkaiset reaktiot

  • Reaktioiden lähtöaineet usein seoksia
    • välillä vain yksi seoksen ainesosista reagoi ja muut jäävät alkuperäiseen muotoonsa
    • välillä kaikki seoksen aineosat reagoivat yhtä aikaa
  • ​Jos seoksen aineosat eivät reagoi keskenään, niitä ei voi merkitä samaan reaktioyhtälöön!
    \(\rightarrow\) jokaiselle aineelle kirjoitetaan oma reaktioyhtälö!
    \(\rightarrow\) reaktioyhtälöitä ei voi yhdistää kokonaisreaktioyhtälöksi!

Seoslaskun vaiheet

2-5

Reaktio-

entalpia

Keskeiset asiat:

  • endoterminen reaktio

  • eksoterminen reaktio

  • entalpian muutos

  • reaktioentalpia

  • energiakaavio

  • aktivoitumisenergia

  • siirtymätila

  • muodostumisentalpia

  • sidosenergia

  • Hessin laki

Sidos 5: Luku 3-4

\mathrm{NH_4NO_3(s)\rightarrow NH_4^+(aq)+NO_3^-(aq)}

Mitä sidoksia katkeaa ja mitä muodostuu, kun ammoniumnitraatti liukenee veteen?

Kemiallisen reaktion energiamuutokset

ammonium- ja nitraatti-ionien välinen ionisidos katkeaa

veden ja ammonium-ionien sekä veden ja nitraatti-ionien välille muodostuu ioni-dipolisidoksia

+

-

+

-

+

-

-

+

+

-

sidosten katkeaminen sitoo energiaa!

sidosten muodostuminen vapauttaa aina energiaa!

Endoterminen vaihe

Eksoterminen vaihe

\Delta H=+26\ \mathrm{kJ/mol}

reaktion entalpiamuutos

Endoterminen reaktio

  • Sidosten katkeaminen sitoo enemmän energiaa kuin sidosten muodostumisessa vapautuu energiaa.
\Delta H>0

Eksoterminen reaktio

  • Sidosten katkeaminen sitoo vähemmän enemmän energiaa kuin sidosten muodostumisessa vapautuu energiaa.
\Delta H<0

VIHKOON!

Entalpian muutos \(\Delta H\) (kJ/mol)

\Delta H_r=\sum\Delta H_\mathrm{tuotteet}-\sum\Delta H_\mathrm{lähtöaineet}

Reaktioentalpia

Reaktion ja sen käänteisreaktion entalpiamuutokset ovat toistensa vastalukuja!

  • eri reaktioiden entalpian muutokset voidaan laskea osareaktioiden summan avulla: \(\Delta H_3=\Delta H_1+\Delta H_2\)
\mathrm{C(s)}
\mathrm{CO(g)}
\mathrm{CO_2(g)}
+\frac{1}{2}\ \mathrm{O_2(g)}
+\frac{1}{2}\ \mathrm{O_2(g)}
+\ \mathrm{O_2(g)}
\Delta H_1
\Delta H_2
\Delta H_3

Hessin laki

Metanolista voidaan valmistaa formaldehydiä, jota käytetään monien yhdisteiden lähtöaineena:

Määritä reaktioentalpia \(\Delta H_r\) annettujen kokeellisten palamisentalpioiden avulla.

Esimerkki

Ratkaisu:

\mathrm{2\ CH_3OH(g)+3\ O_2(g)\rightarrow2\ CO_2(g)+4\ H_2O(g)}
\Delta H=-1\: 353\ \mathrm{kJ}
\mathrm{H_2O(g)+CO_2(g)\rightarrow H_2CO(g)+O_2(g)}
\Delta H=+520\ \mathrm{kJ}
\mathrm{2\ H_2O(g)\rightarrow 2\ H_2(g)+O_2(g)}
\Delta H=+484\ \mathrm{kJ}
\|:2
\|:2
\mathrm{ CH_3OH(g)+\frac{3}{2}\ O_2(g)\rightarrow CO_2(g)+2\ H_2O(g)}
\Delta H=-676\ \mathrm{kJ}
\mathrm{H_2O(g)+CO_2(g)\rightarrow H_2CO(g)+O_2(g)}
\Delta H=+520\ \mathrm{kJ}
\mathrm{ H_2O(g)\rightarrow H_2(g)+\frac{1}{2}O_2(g)}
\Delta H=+242\ \mathrm{kJ}
\mathrm{ CH_3OH(g)\rightarrow H_2CO(g)+H_2(g)}
\Delta H=+86\ \mathrm{kJ}

Vastaus: Reaktioentalpia on +86 kJ.

Jos tehtävänannossa ei ole annettu valmiiksi entalpia-arvoja, hyödynnetään MAOLista löytyviä arvoja.

Jos pyydetään käyttämään muodostumislämpöjä

Jos pyydetään käyttämään sidosenergioita

Entalpiamuutoksen mittaaminen

  • onnistuu kalorimetrillä
  • jos kalorimetrissä on vettä ja reaktion seurauksena lämpötila muuttuu:
\Delta H=c\cdot m\cdot \Delta T

\(c=\) veden ominaislämpökapasiteetti (4,19 \(\mathrm{\frac{kJ}{kg\cdot K}}\))

\(m=\) veden massa

\(\Delta T=\) lämpötilan muutos

ei siis konsentraatio!

MAOLissa fyssan puolella!

Ratkaisu:

Kalorimetriin laitetaan 50,0 ml vettä, jonka alkulämpötila oli 17 astetta. Veteen liuotetaan 3,1 g natriumhydroksidia NaOH ja samalla seurataan veden lämpötilan muuttumista. Natriumhydroksidin liuetessa liuoksen lämpötila oli korkeimmillaan 32 astetta. Kuinka suuri natriumhydroksidin liukenemislämpö on?

Esimerkki

\Delta H=c\cdot m\cdot \Delta T
t_\text{alku}=17\ ^\circ \mathrm{C}
t_\text{loppu}=32\ ^\circ \mathrm{C}
\Delta T=(32-17)\ ^\circ\mathrm{C}
=15\ \mathrm{K}
\rho(\mathrm{H_2O})=1{,}0\ \mathrm{kg/l}
V=50{,}0\ \mathrm{ml}
=0{,}0500\mathrm{\ l}
m(\mathrm{H_2O})=0{,}0500\ \mathrm{l}\cdot1{,}0\ \mathrm{kg/l}

\(c=\) 4,19 \(\mathrm{\frac{kJ}{kg\cdot K}}\)

=0{,}0500\mathrm{\ kg}
\Delta H=4{,}19\ \mathrm{\frac{kJ}{kg\cdot K}}\cdot 0{,}0500\ \mathrm{kg}\cdot 15\ \mathrm{K}
=3{,}1425\ \mathrm{kJ}
m(\mathrm{NaOH})=3{,}1\ \mathrm{g}
M(\mathrm{NaOH})=39{,}998\ \mathrm{g/mol}
n(\mathrm{NaOH})=\frac{m(\mathrm{NaOH})}{M(\mathrm{NaOH})}
=\frac{3{,}1\ \mathrm{g}}{39{,}998\ \mathrm{g/mol}}
=0{,}0775...\mathrm{\ mol}
\Delta H_\text{sol}=\frac{\Delta H}{n\mathrm{(NaOH)}}
=\frac{3{,}1425\ \mathrm{kJ}}{0{,}0775...\mathrm{\ mol}}
=40{,}546...\ \mathrm{kJ/mol}

Vastaus: Natriumhydroksidin liukenemislämpö on -41 kJ/mol.

Lämpötila nousee reaktion aikana, joten reaktio on eksoterminen. Näin ollen entalpiamuutos on negatiivinen.

  • pienin energiamäärä, jolla reaktio tapahtuu
  • korkeimman entalpiatason ja lähtöaineiden entalpiatason välinen erotus.

Aktivoitumisenergia \(\mathrm{E_a}\)

Aktivoitumis-energia on aina positiivinen arvo!

Törmäysteoria: Kemiallinen reaktio tapahtuu vain, jos lähtöaineiden rakenneosat törmäävät toisiinsa oikeasta suunnasta riittävän suurella nopeudella.

Jos energiaa liian vähän, palautuu lähtöaineiksi!

Siirtymätila

  • lyhytikäinen välivaihe, jossa tuotteen sidokset ovat muodostumaisillaan ja lähtöaineen sidokset katkeamaisillaan
  • energeettisesti epätehokas \(\rightarrow\) vaatii paljon energiaa
AB+C\rightarrow A\cdots B\cdots C\rightarrow A+BC

Miksi reaktiolla on aktivoitumisenergia?

AB ja C törmäävät toisiinsa

siirtymätila

Jos energiaa tarpeeksi, tuotteita muodostuu!

Hapettuminen ja pelkistyminen

Keskeiset asiat:

  • hapetusluku

  • hapetuslukujen päätteleminen

  • reaktion tasapainottaminen hapetusluvuilla

Sidos 5: Luku 6

\mathrm{Fe^{2+}(aq)+Cu^{2+}(aq)\rightarrow Fe^{3+}(aq)+Cu(s)}

Pohdi:

  • Onko reaktioyhtälö tasapainossa?
  • Mistä hiukkasten erilaiset varaukset johtuvat?
  • Miten raudan varaus muuttuu reaktion aikana? Miksi?
  • Miten kuparin varaus muuttuu reaktion aikana? Miksi?

luovuttanut 2 \(e^-\)

luovuttanut 2 \(e^-\)

luovuttanut 3 \(e^-\)

\mathrm{Fe^{2+}(aq)\rightarrow Fe^{3+}(aq)}
+e^-
\mathrm{Cu^{2+}(aq)}
\mathrm{\rightarrow Cu(s)}
+2e^-
\|\cdot 2
\mathrm{2\ Fe^{2+}(aq)\rightarrow 2\ Fe^{3+}(aq)+2e^-}
\mathrm{Cu^{2+}(aq)+2e^-\rightarrow Cu(s)}

puolireaktiot

\mathrm{2\ Fe^{2+}(aq)+Cu^{2+}(aq)\rightarrow 2\ Fe^{3+}(aq)+Cu(s)}

kokonais-reaktio

Hapetus-pelkistysreaktiot

Hapettuminen: aine luovuttaa elektroneja

Pelkistyminen: aine ottaa vastaan elektroneja

\mathrm{Fe^{2+}(aq)\rightarrow Fe^{3+}(aq)+e^-}
\mathrm{Cu^{2+}(aq)+2e^-\rightarrow Cu(s)}

Rauta luovutti elektroneja kuparille eli rauta hapettui ja kupari pelkistyi.

Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat aina samaan aikaan!

Hapettuva aine saa pelkistyvän aineen pelkistymään eli toimii pelkistimenä.

Pelkistyvä aine saa hapettuvan aineen hapettumaan eli toimii hapettimena.

Fe

Cu

Pohdi:

  • Onko atomien välillä poolinen vai pooliton sidos?
  • Jos sidos on poolinen, anna sidoksen elektronegatiivisemmalle atomille varaukseksi -1 ja elektropositiivisemmalle +1. Millaiset varaukset atomit saavat?

0

0

-I

+I

+I

-I

-I

-I

+I

+I

\mathrm{O_2}
\mathrm{H_2O_2}
\mathrm{H_2O}
\mathrm{OF_2}

-I

-I

+I

+I

0

-II

+I

+I

-I

+II

-I

Hapetusluku on se varaus, jonka alkuaine saa, kun sidoselektronien oletetaan kuuluvan elektronegatiivisemmalle alkuaineelle.

Hapetuslukusäännöt

vapaat alkuaineet

  • Vapaalla alkuaineella hapetusluku aina 0

vety

  • Yhdisteissä yleensä +I, hydrideissä -I

pääryhmän 1, 2 tai 13 metalli

  • Yhdistyneenä epämetalliin vain yksi hapetusluku ulkoelektronien mukaan

pääryhmän 15, 16 tai 17 epämetalli

  • Yhdistyneenä metalliin yleensä vain yksi hapetusluku ulkoelektronien mukaan

yksiatominen ioni

  • Hapetusluku on sama kuin ionin varaus
  • Yhdisteessä hapetuslukujen summa on nolla.
  • Ioneissa hapetuslukujen summa on ionin varaus.
\mathrm{O_2, He}

0

0

happi

  • Yhdisteissä yleensä -II, peroksideissa -I, fluorin kanssa +II
\mathrm{H_2O, NaH}

+I

-I

\mathrm{CaO, Na_2O_2, OF_2}

-II

-I

+II

\mathrm{Al^{3+}, Cl^-}

+III

-I

\mathrm{NaCl, CaBr_2, AlCl_3}

+I

+II

+III

\mathrm{Na_3N, CaS, LiI}

-I

-II

-III

Esimerkki

Määritä alkuaineiden hapetusluvut.

\mathrm{BaCl_2, Cl_2, MnO_4^-, NH_4NO_3}

+II

-I

0

-II

+VII

+I

-III

-II

pääryhmä 2

pääryhmä 17

vapaa alkuaine

4\cdot (-2)=-8
x+(-8)=-1
\mathrm{NH_4^+}
\mathrm{NO_3^-}

+V

Hapetus-pelkistysreaktioiden tasapainottaminen

Tasapainota reaktiohtälö.

\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+Cl^-(aq)+H^+(aq)\rightarrow Cr^{3+}(aq)+Cl_2(g)+H_2O(l)}

0

-I

+I

+III

+I

-II

-II

7\cdot (-2)=-14

ionin varaus -2

2x+(-14)=-2
\|+14
2x=12
\|:2
x=6

+VI

Vaihe 1:

Määritetään kaikkien alkuaineiden hapetusluvut.

Kromi pelkistyy: +VI \(\rightarrow\) +III

Kloori hapettuu: -I \(\rightarrow\) 0

Vaihe 2:

Tasapainotetaan hapettuvan ja pelkistyvän alkuaineen määrät.

\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+Cl^-(aq)+H^+(aq)\rightarrow Cr^{3+}(aq)+Cl_2(g)+H_2O(l)}

Kromi pelkistyy: +VI \(\rightarrow\) +III

Kloori hapettuu: -I \(\rightarrow\) 0

  • kloridi-ioneja on 2 kpl, joten elektroneita siirtyy 2 kpl
  • kloridi-ionien määrä on kerrottava kolmella!
  • yhden kromin pelkistymiseen tarvitaan elektroneita 3 kpl
  • kromeja on 2 kpl, joten elektroneja tarvitaan 6 kpl
\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+2\ Cl^-(aq)+H^+(aq)\rightarrow 2\ Cr^{3+}(aq)+Cl_2(g)+H_2O(l)}

Tasataan siirtyvät elektronit.

\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+6\ Cl^-(aq)+H^+(aq)\rightarrow 2\ Cr^{3+}(aq)+3\ Cl_2(g)+H_2O(l)}

Tapa 1: Kokonaisreaktion avulla

Vaihe 3:

Tasapainotetaan muut alkuaineet.

\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+6\ Cl^-(aq)+H^+(aq)\rightarrow 2\ Cr^{3+}(aq)+3\ Cl_2(g)+H_2O(l)}
\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+6\ Cl^-(aq)+H^+(aq)\rightarrow 2\ Cr^{3+}(aq)+3\ Cl_2(g)+7\ H_2O(l)}
\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+6\ Cl^-(aq)+14\ H^+(aq)\rightarrow 2\ Cr^{3+}(aq)+3\ Cl_2(g)+7\ H_2O(l)}

Dikromaatti-ionissa on happea. Tasapainotetaan sen määrä veden avulla.

Vesimolekyyleissä on vetyä. Tasapainotetaan se vetyionien avulla.

Reaktioyhtälö on nyt tasapainossa.

Tapa 2: Puolireaktioiden avulla

\mathrm{Cl^-(aq)\rightarrow Cl_2(g)}
2
+\ \ \ e^-
\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+H^+(aq)}
\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+H^+(aq)+6e^-\rightarrow 2\ Cr^{3+}(aq)+H_2O(l)}
\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+H^+(aq)+6e^-\rightarrow 2\ Cr^{3+}(aq)+7\ H_2O(l)}
\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)+14\ H^+(aq)+6e^-\rightarrow 2\ Cr^{3+}(aq)+7\ H_2O(l)}

Kromi pelkistyy: +VI \(\rightarrow\) +III

Kloori hapettuu: -I \(\rightarrow\) 0

2
+3e^-

Kokonaisreaktio:

\mathrm{\rightarrow Cr^{3+}(aq)+H_2O(l)}
\|\cdot 3
\mathrm{6\ Cl^-(aq)+Cr_2O_7^{2-}(aq)+14\ H^+(aq)\rightarrow 3\ Cl_2(g)+2\ Cr^{3+}(aq)+7\ H_2O(l)}

Puolireaktioita hyödyntäessä voi käyttää MAOLin standardipotentiaalitaulukkoa.

Metallit

Keskeiset asiat:

  • metallisidos

  • s-lohkon metallit

  • d-lohkon metallit

  • f-lohkon metallit

  • p-lohkon metallit

Sidos 5: Luku 5

Metalliesiintymät muodostuneet kallioperässä jopa 
2 mrd
vuotta sitten

Korkea teknologia hyödyntää paljon metalleja

kaikkia metalliseoksia ei saa eroteltua kierrätyksessä

Miksi metallit?

Nearpod

suuri osa metalleista saadaan kierrätettyä, jos laitteet päätyvät kierrätykseen

metallien riittävyys

metallien valmistuksen eettisyys

metallien valmistuksen ympäristövaikutukset

Metallien saatavuus tulevaisuudessa

Alkuaineiden riittävyys maaperässä

5-20 vuotta

20-50 vuotta

50-100 vuotta

100-500 vuotta

Lapset kaivoksilla

epämetalli

puolimetalli

metalli

  • 95/118 jaksollisen järjestelmän alkuaineista on metalleja

Metalleja on jaksollisen järjestelmän joka lohkossa.

\(\rightarrow\) ominaisuudet vaihtelevat

  • ero johtuu erilaisista elektronirakenteista

Elektronikonfiguraatiot

Kirjoita rauta-atomin ja sinkkiatomin elektronirakenteet.

Miten rauta muodostaa \(\mathrm{Fe^{2+}}\) ja  \(\mathrm{Fe^{3+}}\) -ionit?

1s^22s^22p^63s^23p^64s^23d^{6}

Fe:

Zn:

1s^22s^22p^63s^23p^64s^23d^{10}

Löytyy myös MAOLista, mutta ionien elektronirakenteen ymmärtämiseksi täyttymisjärjestys on syytä tietää.

\mathrm{Fe^{2+}:}
\mathrm{Fe^{3+}:}
1s^22s^22p^63s^23p^63d^{6}
1s^22s^22p^63s^23p^63d^{5}

molemmat \(\mathrm{e^-}\) 4s-kuorelta

2 \(\mathrm{e^-}\) 4s-kuorelta ja 1 \(\mathrm{e^-}\) 3d-kuorelta

Metallisidos

  • Metallit muodostavat metallisidoksen, jossa metallin ulkoelektronit delokalisoituvat koko metallihilan alueelle
  • Delokalisoituneiden elektronien ansiosta metallit ovat hyviä sähkönjohteita.

s-lohko

p-lohko

d-lohko

f-lohko

  • Metallisidoksen voimakkuus ja metallien ominaisuudet riippuvat siitä, mihin lohkoon metalli kuuluu
    • metallit luokitellaan lohkoihin sen mukaan, missä orbitaalissa niiden uloimmat elektronit ovat
  • Mitä enemmän orbitaaleja osallistuu sidoksen muodostamiseen, sitä kestävämpi sidos on.
  • s-lohkon metallit luovuttavat helposti elektroneja
    • alkali- ja maa-alkalimetallit metallisina hyvin
      reaktiivisia

  • p-lohkon metallit ovat usein pehmeitä ja hauraita samaan tapaan kuin epämetallit.

    • metallisidoksen muodostamiseen
      osallistuvat s- ja p- alakuoret

    • metallihila ei yhtä pysyvä kuin
      siirtymämetalleilla

  • f-lohko
    • lantanoidit: ionit yleensä varauksella +3
    • aktinoidit: radioaktiivisia, suurin osa synteettiä, muodostavat ioneja eri varauksilla

s-lohko

Metallien ominaisuuksia

p-lohko

f-lohko

d-lohko

Siirtymämetallit

  • alkuaine, joilla on vajaa d-alakuori tai jotka voivat muodostaa ioneja, joilla on vajaa d-alakuori \(\rightarrow\) ryhmät 3-11
  • Raskaammilla siirtymämetalleilla sekä s- että d-alakuori osallistuvat metallisidoksen muodostamiseen
    \(\rightarrow\) hyvin pysyvä metallisidos
  • muodostaessaan ioneja luovuttavat ensin elektroneja korkeaenergisimmältä s-alakuorelta ja sen jälkeen korkeaenergisimmältä d-alakuorelta
  • yhdisteissä siirtymämetallien ioneilla on eri varauksia

energiaero hyvin pieni!

1s^22s^22p^63s^23p^64s^23d^9
1s^22s^22p^63s^23p^64s^13d^{10}

täysi alakuori on energeettisesti tehokkaampi kuin melkein täysi

Onko sinkki siirtymämetalli?

Pääryhmien metallien suolaliuokset ovat värittömiä ja siirtymämetallien suolaliuokset usein värillisiä.

Saman siirtymämetallin eri hapetusasteiset suolat voivat olla eri värisiä.

kaliumferrisyanidi

kaliumferrosyanidi

\(\mathrm{Fe^{3+}}\)

\(\mathrm{Fe^{2+}}\)

Metallien jännitesarja

Keskeiset asiat:

  • jalo metalli

  • epäjalo metalli

  • sähkökemiallinen jännitesarja

  • spontaani reaktio

  • normaalipotentiaali

  • pelkistyspotentiaali

  • hapetuspotentiaali

  • lähdejännite

Sidos 5: Luku 7

Metallin jalous

  • Epäjalot metallit reagoivat suolahapon kanssa vetykaasua vapauttaen
  • Jalot metallit eivät reagoi suolahapon kanssa vetykaasua vapauttaen
\mathrm{Mg(s)+2\ HCl(aq)\rightarrow MgCl_2(aq)+H_2(g)}
\mathrm{Zn(s)+2\ HCl(aq)\rightarrow ZnCl_2(aq)+H_2(g)}

ei reaktiota

Metallien jännitesarja

Mikä metalli?

  1. hapettuu helpommin kuin tina ja on jalompi kuin koboltti
  2. ei liukene suolahappoliuokseen
  3. vastaanottaa elektroneja helpommin kuin kromi ja voi pelkistää koboltti-ioneja niiden liuoksesta

Jalomman metallin ionit pelkistyvät spontaanissa reaktiossa!

Normaalipotentiaali \(E^\circ\)

  • lukuarvo, jolla kuvataan aineen kykyä pelkistyä tai hapettua
  • jos arvo on positiivinen, aine pelkistyy helposti
  • jos arvo on negativiinen, aine hapettuu helposti
  • mitä jalompi metalli, sitä suurempi on sen normaalipotentiaali

pelkistymisreaktiolle!

mitä ylempänä, sitä epäjalompi

mitä alempana, sitä jalompi

Hapetus-pelkistysreaktion lähdejännite

  • reaktion lähdejännite on pelkistys- ja hapetuspotentiaalien summa
  • jos puolireaktioiden muodostama lähdejännite on positiivinen, reaktio tapahtuu spontaanisti

Esimerkki

Tapahtuuko reaktiota, kun metallista bariumia lisätään natriumkloridiliuokseen?

\mathrm{Ba(s)+Na^+(aq)}

epäjalompi hapettuu

jalompi pelkistyy

\mathrm{Ba(s)\rightarrow Ba^{2+}(aq)+2\ e^-}
E_h=+2{,}91\ V
\mathrm{Na^+(aq)+e^-\rightarrow Na(s)}
E_p=-2{,}71\ V

Lähdejännite:

E_h+E_p
=+2{,}91\ V+(-2{,}71\ V)=+0{,}20\ V
>0

spontaani

\mathrm{Ba(s)+2\ Na^+(aq)\rightarrow Ba^{2+}(aq)+2\ Na(s)}

Reaktioyhtälö

Reaktiohtälön kertoimet eivät vaikuta lähde-jännitteeseen!

Spontaani hapetus-pelkistysreaktio

Keskeiset asiat:

  • kemiallinen pari

  • elektrodi, anodi, katodi

  • elektrolyytti

  • suolasilta

  • kennokaavio

Sidos 5: Luku 8

Galvaaninen kenno kokeellisesti

1,030 V

\mathrm{Zn(s)}
\mathrm{Cu(s)}
\mathrm{Zn^{2+}(aq)}
e^-
e^-
\mathrm{Cu^{2+}(aq)}
\mathrm{Zn(s)\rightarrow Zn^{2+}(aq)+2\ e^-}
-
+
\mathrm{Cu^{2+}(aq)+2\ e^-\rightarrow Cu(s)}
\mathrm{Zn(s)+Cu^{2+}(aq)\rightarrow Zn^{2+}(aq)+Cu(s)}
2\ e^-
E=+0{,}76\ V
E=+0{,}34\ V
E=+1{,}10\ V

Kokeellisesti ei saada välttämättä samaa arvoa kuin taulukoissa.

saostuu

liukenee

  • epäjalo metalli hapettuu, jalo pelkistyy
  • hapettuminen anodilla (negatiivinen elektrodi)
  • pelkistyminen katodilla (positiivinen elektrodi)
  • suolasilta
    • yhdistää elektrolyyttiliuokset suljettuun virtapiirii
    • estää elektrolyyttiliuoksia sekoittumasta
    • ylläpitää varaustasapainoa

Sähköpari

\mathrm{-Zn(s)|Zn^{2+}(aq)||Cu^{2+}(aq)|Cu(s)}

kennokaavio

Pakotettu hapetus-pelkistysreaktio ELEKTROLYYSI

Keskeiset asiat:

  • elektrolyysi

  • passiivinen elektrodi

  • aktiivinen elektrodi

Sidos 5: Luku 9

Elektrolyysi

  • hapetus-pelkistysreaktio saadaan tapahtumaan spontaanin reaktion vastaisesti syöttämällä systeemiin sähkövirtaa
    • jännitelähteen syöttämät elektronit aikaansaavat pelkistymisen
  • hapettuminen anodilla
  • pelkistyminen katodilla
  • elektrolyyttinä voidaan käyttää suolasulatetta tai suolan vesiliuosta

PANK
Positiivinen Anodi, Negatiivinen Katodi

Passiivinen elektrodi

  • ei kulu reaktiossa, esim. grafiitti

Aktiivinen elektrodi

  • osallistuu reaktioon

Natriumkloridisulatteen elektrolyysi

Epäjalompi pelkistyy, jalompi hapettuu

\mathrm{Na^+(aq)+e^-\rightarrow Na(s)}
\mathrm{2\ Cl^-(aq)\rightarrow Cl_2(g)+2\ e^-}
E_p=-2{,}71\ V
E_h=-1{,}36\ V

Katodilla muodostuu natriummetallia ja anodilla muodostuu kloorikaasua.

Natriumkloridiliuoksen elektrolyysi

\mathrm{Na^+(aq)+e^-\rightarrow Na(s)}
\mathrm{2\ Cl^-(aq)\rightarrow Cl_2(g)+2\ e^-}
E_p=-2{,}71\ V
E_h=-1{,}36\ V

Katodilla muodostuu vetykaasua ja anodilla muodostuu happikaasua.

Natriumin ja kloorin reaktioiden lisäksi huomioitava myös veden reaktiot!

Hapettuminen

Pelkistyminen

\mathrm{2\ H_2O(l)\rightarrow O_2(g)+4\ H^+(aq)+4\ e^-}
E_h=-1{,}23\ V
\mathrm{2\ H_2O(l)+2\ e^-\rightarrow 2\ OH^-(aq)+H_2(g)}
E_p=-0{,}83\ V

Jos kyseessä on NaCl väkevä liuos, muodostuu anodilla myös kloorikaasua.

Elektrolyysilaskut

It=nzF

I = sähkövirta (A)

t = aika (s)

n = ainemäärä (mol)

z= siirtyvien elektronien määrä

F = Faradays vakio 96 485 As/mol

Esimerkki

Elektrolyysiin käytetään 15 A suuruista virtaa tunnin ajan. Kuinka monta grammaa jodia saadaan valmistettua kaliumjodidin liuoksesta?

\mathrm{KI(aq)\rightarrow K^+(aq)+I^-(aq)}
\mathrm{2\ I^-(aq)\rightarrow I_2(s)+2\ e^-}
I=15\ A
It=nzF
t=60\cdot 60\ s
z=2
F = 96\ 485 \ \dfrac{\text{A}\cdot \text{s}}{\text{mol}}
n=?
M\mathrm{(I_2)=253{,}8\ g/mol}
m\mathrm{(I_2)=?}
n=\frac{m}{M}

Vastaus: Jodia muodostuu 71 g.

KE5: Kemiallinen energia ja kiertotalous

By Opetus.tv

KE5: Kemiallinen energia ja kiertotalous

  • 540

More from Opetus.tv