Sähkökemiallinen pari

Työssä tarkastellaan kuparilevyn ja sinkkipäällysteisen naulan muodostaman sähkökemiallisen parin jännitettä elektrolyytin ollessa peruna. Jännitteen mittaamiseen käytetään yleismittaria.

Kiiltäväksi hiottu kuparilevy ja sinkkipäällysteinen naula työnnetään perunan eri päihin.  Musta anodi liitetään sinkittyyn naulaan ja punainen katodi kuparilevyyn.





Jännitteeksi mitataan 0,83 V. Teoreettinen  maksimijännite parille Cu - Zn on 1,1 V, johon kokeessa ei siis aivan päästy. Kun antureiden paikkoja vaihdetaan metallista toiseen, saadaan likimain sama tulos, mutta negatiivisena.










Metallien koskettaessa toisiaan, tulos on 0 V ( tai -0 V).













Tavallisesta paristosta mitataan tulos 1 V (sekä -1 V antureiden paikkaa vaihtamalla).

Metallit ja hapot

Epäjalot metallit reagoivat happojen kanssa ja muodostavat vetykaasua. Seuraavassa kokeessa tarkastellaan tätä ilmiötä eri metalleja käyttäen.


Koetta varten varataan viisi koeputkea, joihin kuhunkin pipetoidaan pieni määrä 6 M suolahappoa. Jokaiseen putkeen lisätään eri metallia:





 




 
Putki 1: Cu (kuparilastuja)
Putki 2: Fe (terästangon pätkä)
Putki 3: Zn (sinkkipaloja)
Putki 4: Mg (magnesiumnauhaa)
Putki 5: Al (alumiinilevyä)










Videolta voidaan nähdä, että sinkki, magnesium ja alumiini reagoivat suolahappoon kiivaimmin, kun taas raudan ja kuparin kohdalla ei tapahtunut silmin havaittavaa reaktiota. Tämä on loogista, sillä nimenomaan sinkki, magnesium ja alumiini olivat tutkittavista metalleista epäjaloimmat.

Epäjalomman metallin uhraus

 Kahden metallin ollessa kosketuksissa toisiinsa tapahtuu epäjalomman metallin spontaani hapettuminen eli syöpyminen. Ns. uhrimetallin käyttö perustuu tähän reaktioon: raudan ruostuminen hidastuu, kun siihen on kiinnitetty toista, epäjalompaa metallia. Seuraavassa työssä tarkastellaan ilmiötä vertailemalla kolmen terästangon pätkän ruostumista.



 

Terästanko 1: Hiotaan kiiltäväksi ja asetetaan dekantterilasiin, johon on lisätty 50 ml elektrolyyttiliuosta (1 M NaCl vesijohtovedessä).

Terästanko 2: Menetellään kuten edellä, mutta tangon ympärille pyöritetään kuparilankaa.

Terästanko 3: Menetellään kuten edellä, mutta tangon ympärille pyöritetään magnesiumnauhaa.

 Näytteitä tarkastellessa huomataan, että kaikkein eniten on ruostunut terästanko 2, kun taas terästanko 3 ei ole ruostunut ollenkaan. Tulos on odotetun mukainen, sillä kupari on rautaa jalompi metalli, ja näin ollen rauta hapettuu eli ruostuu ollessaan kosketuksissa sen kanssa. Magnesium sen sijaan on rautaa epäjalompi, joten nyt magnesium on hapettuva osapuoli ja se syöpyykin lopulta lähes kokonaan raudan ympäriltä.

Raudan ruostuminen

Raudan  korroosiolla, kansanomaisesti ilmaistuna ruostumisella tarkoitetaan raudan hapettumista, jonka lopputuotteena syntyy oranssinruskeaa rauta(III)oksidia (Fe₂O₃ x 2 H₂O). Korroosion edellytyksenä ovat elektrolyytti, kuten vesi, sekä happi. Mikäli jompi kumpi näistä puuttuu, korroosiota ei tapahdu. Ilmiön toteamiseksi suoritetaan koe, jonka tarkoituksena on vertailla kolmen erilaisissa olosuhteissa olevan raudan reagointia. Jokainen näyte laitetaan omaan koeputkeensa:

Putki 1: Elektrolyytti + happi
           
Putkeen lisätään 5 ml vesijohtovettä.




Putki 2: Vain elektrolyytti (ei happea)

Putkeen lisätään 5 ml vesijohtovettä. Vedessä oleva happi poistetaan johtamalla veteen typpikaasua. Hapen poistamisen jälkeen veden pinnalle lisätään välittömästi kerros parafiiniöljyä estämään hapen liukeneminen uudelleen veteen.

Putki 3: Vain happi (ei elektrolyyttiä)

Putkeen lisätään vain kidevedetöntä kalsiumkloridia (CaCl₂) sitomaan ilman koteus.









Kahden päivän päästä putkia tarkasteltaessa nähdään, että vain putkessa 1 oleva terastanko on ruostunut. Korroosiota ei siis tapahdu ilman happea ja elektrolyyttiä.

Kuka varasti kahvikassan?

Päivän laboratoriotyö toteutettiin kromatografista menetelmää hyödyntäen. Menetelmän tarkoituksena on erottaa tutkittavan näytteen sisältämät yhdisteet toisistaan analysointia varten.

Tehtävänanto oli rikoksen ratkaiseminen: Keudan kassakaapista on viety opettajien kahvikassa, ja varas on jättänyt jälkeensä vain muistilapun, johon on kirjoitettu mustalla tussilla kassakaapin tunnusluku. Paperissa ei ole sormenjälkiä, mutta valvontakamera antaa poliisille aiheen epäillä neljää henkilöä. Kotietsinnässä jokaiselta epäillyltä löytyi musta tussi, mutta valitettavasti tussien piirustusjäljistä ei kyetty päättelemään syyllistä. Kuinka siis saada syyllinen selville?

Rikoksen selvittäminen on erittäin nopeaa ja helppoa yksinkertaisen paperikromatografian avulla. Työn suorittamiseksi tarvitaan vahvaa paperia (esim. suodatinpaperia), johon piirretään yhtenevät kuviot tutkittavalla tussilla sekä vertailutusseilla.











Paperi kastetaan veteen niin, että tussimerkinnät eivät ole vedessä. Vesi lähtee nousemaan paperia pitkin saavuttaen merkinnät ja erottaen musteen sisältämät ainesosat paljaalla silmällä tarkasteltaviksi.














Kun koe on suoritettu loppuun, voidaan helposti nähdä, että näyte (N) vastaa tussia numero 2.