Elektrokemi

KEMI
Föreläsning inför det
Nationella provet i kemi
ELEKTROKEMI
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Elektrokemin
Elektrokemi handlar om
elektroner som hela tiden är i
rörelse
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Galvanisk historia
 Luigi Galvani, 1737 – 1798
Gjorde experiment med grodlår
och elektricitetsom ledde till
dagens batterier
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Atomer och joner – en sann kärlekssaga
Lite stålull släpps ner i en bägare med
kopparsulfatlösning. Kärlek uppstår!
Järnatomerna blir järnjoner och
kopparjonerna blir kopparatomer.
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Redox-reaktion
Kopparjonerna upptar e-, reduceras och
järnatomerna avger e-, oxiderar
-2e
+2e
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Kopparatomer kan bli kopparjoner
Cu
Cu (s)
–
-
2e-
Cu2+
Cu2+
Kopparjoner kan bli kopparatomer
Cu2+ + -
-
Cu2+ + 2e-
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Cu
Cu (s)
Göran Sellberg ©
Hur är det möjligt?
Fe - 2e- → Fe2+ Järnatomer blir järnjoner (ox)
- Cu2+ + 2e- → Cu Kopparjoner blir atomer (red)
= Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu
Alltså…….
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu
För att det ska bli mer begripligt så tittar vi på...
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Spänningsserien - ädla och oädla metaller
 I spänningsserien ordnas metaller efter hur ädla de är.
 Oädla metaller kallas väteutdrivande, därför står väte (H)
mellan de ädla (hö) och oädla metallerna (vä).
Oädla metaller
Ädla metaller
Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Kort om spänningsserien
Metallerna har olika lätt att ge ifrån sig eoch bli joner.
Ju ädlare metall desto svårare att ge ifrån
sig e-.
En metall som är ädlare än en annan kan ta
e- från den oädlare.
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Varför spänningsserie?
• Ordningen talar om vilka ämnen man kan använda
för att t.ex. alstra energi i ett galvaniskt element.
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Ett batteri är ett galvaniskt element
e-
e-
eMinuspol
e-
Zn
-
Cu
+
Pluspol
Galvaniskt element = två olika
metaller som sänks ner i en
jonlösning. Mellan de båda
metallerna får man en elektrisk
spänning.
Galvanism = elektriska strömmar
som bildas när två olika metaller
binds samman av en jonlösning.
(aq.)
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Ett vanligt brunstensbatteri
1. Metallanslutning
2. Kolstav
3. Zinkcylinder
4. Brunsten (+Kolpulver)
5. Ammoniumklorid (salmiak)
6. Metallanslutning
Göran Sellberg ©
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Fler icke laddningsbara batterier

A. Kan ej laddas
 Alkaliska (basiska)batterier : skiljer sig från det vanliga brunstensbatteriet
genom ökad livslängd och spänning, tålighet mot kyla, samt elektrolyten
som innehåller kaliumhydroxid och zinkpulver.
 Silveroxidbatteriet (knappbatteri): Pluspolen är silveroxid
Ag2O.Minuspolen är zinkoxid. Kan innehålla kvicksilver.
 Litiumbatteriet Metallen litium minuspol, brunsten pluspol. Dyrt men
varar länge. T ex i pacemakers.
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Laddningsbara batterier
 I ett vanligt batteri:
Me → Me2+ + 2eNär alla atomer övergått till jonform är batteriet slut
I ett laddningsbart batteri:
Me → Me2+ + 2eSedan kör vi reaktionen baklänges:
Me2+ + 2e- → Me
Nu är batteriet laddat och vi kan få ut ström igen:
Me → Me2+ + 2e-
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Ackumulator (latinska ordet ackumulera betyder samla)
Ett laddningsbart batteri kallas ackumulator
Nickel-metallhybridackumulator
Blyackumulator
Bil, motorcykel mm
Litiumjonbatteri
Bärbar dator t.ex
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Olika laddningsbara batterier
 B. Kan laddas (sekundära batterier eller ackumulatorer).
 Nickel-kadmium-batteri (NiCd): i princip förbjudet inom EU,
men kan finnas i vissa handverktyg. Minuspol:kadmium
 Nickel-metallhydridbatteriet (NiMH): Pluspol Nickeloxid
(NiO).
Minuspol: metall-väte-legering. Anses miljövänligt
 Litium-jonbatteriet: Pluspol litiumoxid, minuspol grafit. Vanligt i
mobiler, datorer m.m.
 .
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Batteriinsamling
 Många batterier innehåller tungmetaller som vi inte
vill ha ut i naturen.
 Slänger du ett batteri som innehåller kvicksilver, bly eller kadmium i
soporna, går alltså tungmetallen ut i luften när soporna bränns, och sen
vidare in i ekosystemet till djur och natur.
 Där stannar de kvar.
 Det betyder alltså att om du äter kött eller fisk som utsatts för till
exempel kvicksilver, bly eller kadmium, så förs tungmetallerna över till
din kropp. Det är en av anledningarna till att det är så viktigt att gå till
återvinningen med dina batterier.
 Alla batterier ska därför samlas in!
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Bilbatteri
 Består av blyplattor i svavelsyra.
 Två blyplattor ger ingen ström. Varför?
 Laddat bilbatteri: Pluspol blyoxid, minuspol rent bly
 Varje cell ger 2 volt.
 För att få 12 V seriekopplas 6 celler.
 Även ett uppladdningsbart batteri blir med tiden utslitet. I bilbatteriet
blir blysulfatet grovkristallint
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Bilbatteriet
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Bränslecellen
minuspol
pluspol
Bränslecell:
Pluspol: metallplatta med syrgas,
minuspol: metallplatta med vätgas.
Vätgas + syrgas → vatten + energi
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Bränslecell
 Minuspol:
 Vätgas → vätejon + elektron(ström)
 Pluspol:
 Syrgas → syreatom + elektron(från minuspolen)
→ oxidjon (syrejon)
 Därefter :
 vätejon + oxidjon(syrejon) ger vatten
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Är bränslecellen miljövänlig?
 Det beror på hur vi framställer vätgasen och syrgasen!
 Bra alternativ: vatten + solel (dyrt!)
 Annat bra alternativ: metanol (från skogsavfall) kan ge
vätgas (under utveckling)
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Korrosion (från franska ordet corrodere = gnaga sönder)
Metaller reagerar med syror och fuktig luft och fräts
sönder
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Varning!!
Kopplar du ihop vattenledningar av olika metaller
kan de bilda ett svagt galvaniskt element och börja
läcka, eller om man spikar ett koppartak med
järnspik kan det lossna.
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Korrosion hos järn
 När järn korroderar kallas det rost. Rost är en kemisk
förening av järn, syre och vatten.
 Järn rostar lättare i fuktig luft.
 Järn rostar lättare i salt luft (Västkusten)
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Förhindra korrosion
 Metaller kan målas.
 Metaller kan täckas med en oädlare metall. T ex kan
spikar förzinkas. Då bildas zinkoxid på ytan som
skyddar mot angrepp. Om det blir en repa i zinkoxiden
så järnet kommer fram så får vi ett galvaniskt element
– då blir zinken till jonform, järnet förblir i atomform.
 Offeranod – fartygsplåt av stål skyddas genom att man
sätter på zinkklumpar på skrovet. Den oädlare zinken
korroderar istället för järnet – den ”offrar” sig
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Anodisering av aluminium
 Aluminium korroderar inte. I luft bildas ett skyddande
skikt av aluminiumoxid.
 Om man vill göra det tjockare kan man göra det
genom en elektrisk process som kallas anodisering
eller eloxering
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Elektrolys
Positiv – Anod
Negativ –Katod
PANK
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Viktiga ord om elektrolys
 Elektrolys:








Att leda elektricitet genom en elektrolyt (jonförening).
Att omvandlas joner i elektrolyten till atomer med ström.
Elektrolyt:
En lösning (vätska) som innehåller joner.
Jon:
Laddade atomer eller molekyler.
Anod:
Den elektrod som är kopplad till pluspolen.
PANK:
En minnesregel: Positiv anod negativ katod.
Elektrod:
En stav (av metall eller kol) kopplad till en strömkälla.
Oxidation: En reaktion där elektroner avges (lämnas iväg).
Reduktion: En reaktion där elektroner upptas (tas emot).
Redoxreaktion: En reaktion där både ox. och red. sker.
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Elektrolys av kopparklorid
 Kopparklorid består av
kopparjoner Cu2+ och
kloridjoner Cl Kloridjonerna vandrar till
anoden, lämnar ifrån sig en
elektron, klorgas bildas.
Cl- → Cl + eCl + Cl → Cl2
 Kopparjonerna vandrar till
katoden, plockar upp
elektroner, kopparatomer
bildas.
Cu2+ + 2 e- → Cu
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Elektrolys
Joner i lösningen (elektrolyten)
omvandlas till atomer eller molekyler.
Används tex vid förgyllning,
förkromning mm.
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©
Framställa ämnen
 Viktiga ämnen kan framställas genom elektrolys:
EX: Vatten kan sönderdelas i vätgas och syrgas
EX: Natriumklorid kan sönderdelas i natrium och klor
Natrium får sedan reagera med vatten. Då bildas
natriumhydroxid och väte. Natriumhydroxid behövs
vid framställning av tvål, tvättmedel och
pappersmassa
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Framställa ämnen
 Aluminium framställs genom elektrolys.
 Ur marken hämtas bauxit och sen renas
aluminiumoxid fram, Al2O3.
 Vid elektrolysen löses Al2O3 så att aluminiumjonerna
Al3+ blir fria. De dras till minuspolen där de tar upp
elektroner och aluminiumatomer bildas.
 Stora mängder elektricitet går åt! Det är därför vi ska
återvinna aluminium!
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Elektrolys av saltsyra
Saltsyra, HCl, innehåller joner H+ och ClVid anoden bildas klorgas och vid pluspolen
bildas vätgas
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Kom ihåg!
Det är coolt att vara smart!!
Göran Sellberg, Annika Adolfsson
Göran Sellberg ©