Lue keskustelun säännöt.
Kemian opettaja! Osaatko selittää elektrolyysin oikein?
10.12.2017 |
Olen rehellisesti sanoen todella hämmästynyt siitä, että en ole kuullut vielä yhdenkään suomalaisen opettajan selittävän siedettävästi veden elektrolyysiä, niin perustavanlaatuinen ja yleistietoon kuuluva kemiallinen ilmiö kuin se onkin. Sinä joka luet tätä, tunnetko ymmärtäväsi asian? No hyvä, kirjoita sitten kommentti ja kerro oman käsityksesi mukainen vastaus alla oleviin kysymyksiin.
Tunnettu faktahan on, että laimean natriumkloridiliuoksen elektrolyysissä natrium- ja kloridi-ionit eivät osallistu reaktioihin elektrodeilla, vaan sen sijaan vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi. Anodilla vesimolekyylit luovuttavat elektroneja ja hapettuvat vetyioneiksi ja happikaasuksi. Katodilla vesimolekyylit puolestaan vastaanottavat elektroneja ja pelkistyvät hydroksidi-ioneiksi ja vetykaasuksi.
Nyt sitten se varsinainen kysymys kuuluu: Jos liuoksen natrium- ja kloridi-ionit eivät kerran osallistu näihin reaktioihin, niin mihin niitä ylipäätään tarvitaan elektrolyysissä? Miksi puhdas vesi ei johda sähköä eikä elektrolysoidu, mutta kun veteen liuotetaan natriumkloridia (tai muuta inerttiä elektrolyyttiä), niin miksi tämä yhtäkkiä mahdollistaakin vesimolekyylien hajoamisen anodilla ja katodilla?
Selvyyden vuoksi todettakoon, että itse uskon tietäväni vastauksen kysymykseen, mutta en ole ollenkaan varma, tietääkö tai ymmärtääkö moni muu. Odotan siis mielenkiinnolla keskustelua aiheesta! :)
Kommentit (50)
Vierailija kirjoitti:
Vierailija kirjoitti:
Olen kemian opettaja ja kemisti (sähkökemiasta). Ota vaikka vanha kunnon Kivinen-Mäkitie iltalukemiseksi, sieltä selviää hyvin normaalipotentiaalit ja sen mukana myös kloridien ja muiden anionien käyttäytyminen elektrolyysissä. Hyvää yötä :)
No jos olet oikein sähkökemisti, niin olisi kyllä erittäin mielenkiintoista kuulla sinun näkemyksesi aloituspostauksen kysymyksiin. Jaksatko tulla vielä huomenna tänne kirjoittamaan vastauksen?
Niin ja siis natriumkloridihan oli aloituksessa mainittu vain esimerkkinä. Mikä tahansa inertti elektrolyytti kelpaa sen paikalle, eikä kysymyksen idea siitä muutu miksikään. Tämän takia normaalipotentiaalit eivät ole aloitusviestin kysymyksen kannalta juurikaan relevantteja.
t. ap
Sinulla on perustavanlaatuisia virheitä käsitteissä. Natriumkloridi ei ole inertti elektrolyytti. Voit elektrolysoida sulaa natriumkloridia tuottaen natriumia ja klooria, tosin näitä reaktio-olosuhteita ei ole hirveän helppo toteuttaa koululaboratorioissa.
Syy, miksi (laimeassa) natriumkloridin vesiliuoksessa ei muodostu klooria ja natriumia, johtuu arkisesti selittäen siitä, että liuoksessa on jotain joka pelkistyy ja hapettuu huomattavasti helpommin (vesi). Tämän "helppouden" määrittelee pääasiallisesti nimenomaan hapetus/pelkistysreaktion normaalipotentiaali (myös konsentraatio, pH, lämpötila ja muut olosuhteet vaikuttavat). Eli normaalipotentiaalit ovat ainoa relevantti asia kysymyksesi kannalta. Tämän lisäksi tarvitaan myös riittävän suuri jännite reaktion aikaansaamiseksi.
t. eri
Sisältö jatkuu mainoksen alla
Sisältö jatkuu mainoksen alla
Vierailija kirjoitti:
Vierailija kirjoitti:
Vierailija kirjoitti:
Olen kemian opettaja ja kemisti (sähkökemiasta). Ota vaikka vanha kunnon Kivinen-Mäkitie iltalukemiseksi, sieltä selviää hyvin normaalipotentiaalit ja sen mukana myös kloridien ja muiden anionien käyttäytyminen elektrolyysissä. Hyvää yötä :)
No jos olet oikein sähkökemisti, niin olisi kyllä erittäin mielenkiintoista kuulla sinun näkemyksesi aloituspostauksen kysymyksiin. Jaksatko tulla vielä huomenna tänne kirjoittamaan vastauksen?
Niin ja siis natriumkloridihan oli aloituksessa mainittu vain esimerkkinä. Mikä tahansa inertti elektrolyytti kelpaa sen paikalle, eikä kysymyksen idea siitä muutu miksikään. Tämän takia normaalipotentiaalit eivät ole aloitusviestin kysymyksen kannalta juurikaan relevantteja.
t. ap
Sinulla on perustavanlaatuisia virheitä käsitteissä. Natriumkloridi ei ole inertti elektrolyytti. Voit elektrolysoida sulaa natriumkloridia tuottaen natriumia ja klooria, tosin näitä reaktio-olosuhteita ei ole hirveän helppo toteuttaa koululaboratorioissa.
Syy, miksi (laimeassa) natriumkloridin vesiliuoksessa ei muodostu klooria ja natriumia, johtuu arkisesti selittäen siitä, että liuoksessa on jotain joka pelkistyy ja hapettuu huomattavasti helpommin (vesi). Tämän "helppouden" määrittelee pääasiallisesti nimenomaan hapetus/pelkistysreaktion normaalipotentiaali (myös konsentraatio, pH, lämpötila ja muut olosuhteet vaikuttavat). Eli normaalipotentiaalit ovat ainoa relevantti asia kysymyksesi kannalta. Tämän lisäksi tarvitaan myös riittävän suuri jännite reaktion aikaansaamiseksi.
t. eri
Juurikin näin. T.Sama :)
Osaan, kun luen Wikipediasta.
T. Ei ope
Mä en ymmärrä tän keskustelun pointtia. Aloittaja siis haluaa vaan tietää, kuinka moni täällä osaa selittää elektrolyysin? Mitä teet tällä tiedolla?
Liitteenä nyt kuitenkin aineiden normaalipotentiaaleja kaikille, jotka haluavat laskea mikä hapettuu ja pelkistyy missäkin elektrolyysiliuoksessa:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/electpot.html
On, mutta eivät ala vastailemaan täällä. Luuletko oikeasti, että eri kemian alan dosentit alkavat vastailemaan sinulle vauva-palstalla? Yliopisto-opiskelijoiden perustutkinto-opiskelijoiden kannattaisi aluksi hoitaa tuo lukiotason osaaminensa kuntoon, niin saattaisi sujua hiukan paremmin tuo besservisseröinti sen jälkeen.
Sisältö jatkuu mainoksen alla
Kyllä minulle on kemian opettajat aina osanneet selittää elektrolyysin, oikein selkeästi myös varmaan koska minulla on surkea ulkomuisti. Ainakin yläasteella, lukiossa ja teknillisessä yliopistossa opettajat ovat olleet tältä osin hyviä. Outo ajatus, ettei kemian opettaja tuohon pystyisi.
Itsehän olen kuitenkin autuaasti unohtanut kaiken mitä minulle on koskaan selitetty, koska en ole tarvinnut kemiaa mihinkään vuosikausiin. Työskentelen aivan erilaisten tehtävien parissa, joten tehokkaasti on tullut vapautettua aivokapasiteettia uusille töihin liittyville asioille. Hetki pitää miettiä ennen kuin muistuu mieleen, mistä koko elektrolyysissä (tai missä tahansa muussa kemian ilmiössä) olikaan pohjimmiltaan kyse.
Tuo ylempänä kommentoineen selitys normaalipotentiaaleista vaikuttaisi kuitenkin olevan vastaus kysymykseesi. Sen verran nyt sentään on tarttunut johonkin muistin sopukoihin, että kun aiheesta lukee, niin asia palautuu mieleen. :D
Vierailija kirjoitti:
Sinulla on perustavanlaatuisia virheitä käsitteissä. Natriumkloridi ei ole inertti elektrolyytti. Voit elektrolysoida sulaa natriumkloridia tuottaen natriumia ja klooria, tosin näitä reaktio-olosuhteita ei ole hirveän helppo toteuttaa koululaboratorioissa.
Kyllä natriumkloridi on inertti elektrolyytti laimeana vesiliuoksena silloin, kun elektrodien välinen jännite on matala. Inertillä tarkoitin tässä yhteydessä nyt sitä, että kyseisen elektrolyytin ionit eivät hapetu tai pelkisty mainituissa olosuhteissa. Tämä on ihan peruskauraa lukiotason kemian oppikirjoissa, ja niiden asiasisällön kyllä hallitsen, mikäli kurssiarvosanoihin on yhtään uskomista.
Vierailija kirjoitti:
Syy, miksi (laimeassa) natriumkloridin vesiliuoksessa ei muodostu klooria ja natriumia, johtuu arkisesti selittäen siitä, että liuoksessa on jotain joka pelkistyy ja hapettuu huomattavasti helpommin (vesi). Tämän "helppouden" määrittelee pääasiallisesti nimenomaan hapetus/pelkistysreaktion normaalipotentiaali (myös konsentraatio, pH, lämpötila ja muut olosuhteet vaikuttavat). Eli normaalipotentiaalit ovat ainoa relevantti asia kysymyksesi kannalta. Tämän lisäksi tarvitaan myös riittävän suuri jännite reaktion aikaansaamiseksi.
t. eri
*Huokaus*
Kun aloitusviestissä nimenomaan EI kysytty sitä, MIKSI jokin hapettuu/pelkistyy ja jokin ei. Tässä ei nyt ollut kyse siitä. Nämä asiat selitetään kyllä lukion kirjoissa ihan siedettävästi normaalipotentiaaleilla (ja yliopistotasolla hapettumis- ja pelkistymisreaktioiden Gibbsin energioilla), mutta tässä kysymyksessä oli kyse ihan muusta.
Jos nyt vielä kerran: Alkuperäinen kysymys oli siis se, että jos ne vesimolekyylit kerran hapettuvat/pelkistyvät siellä elektrodeilla niin helposti (paljon helpommin kuin Na- ja Cl-ionit), niin miksei elektrolyysi sitten toimi aivan yhtä hyvin puhtaassa, tislatussa vedessä. Mihin niitä elektrolyytin ioneja silloin ylipäätään tarvitaan siinä tilanteessa, jos ne eivät osallistu minkäänlaisiin reaktioihin elektrolyysikennossa?
Refleksinomainen vastaus tähän kysymykseen yleensä on, että niitä tarvitaan johtamaan sähköä liuoksessa. Valitettavasti tämä ei kuitenkaan pidä paikkaansa, ja syyn tajuaa, kun vähänkin yrittää miettiä asiaa omilla aivoillaan. Syy on se, että jos elektrolyytin ionit eivät voi luovuttaa tai vastaanottaa elektroneja joko elektrodeilta tai muilta liuoksen ioneilta/molekyyleiltä, niin eivät ne silloin voi osallistua sähkövirran kuljettamiseenkaan. Tällöin ne voivat korkeintaan liikkua liuoksessa edestakaisin ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta, mikä ei vielä mahdollista tasavirran kulkemista elektrolyysikennon läpi. Edelleenkin tässä jää siis selittämättä se oikea mekanismi, jolla elektrolyytin ionit mahdollistavat vesimolekyylien hajoamisen elektrodeilla, osallistumatta itse reaktioihin.
t. ap
PS. Olen ihmetellyt tätä kysymystä aikoinaan jo yläasteella, ja yksikään opettaja ei ole osannut siihen vielä tyydyttävästi vastata. Itse asiassa monelta tuntuu menevän koko kysymys ihan yli hilseen, niinkuin valitettavasti tässäkin ketjussa, jossa vain pari vastaajaa tuntuu ymmärtäneen aloitusviestin sisällön oikein. Onko ulosantini siis todellakin niin sekavaa ja jäsentymätöntä, että ajatuksenkulkuani on mahdotonta seurata? Vai voisiko olla kyse sittenkin siitä, että harva oikeasti jaksaa rasittaa aivojaan miettiäkseen asioita riittävän syvällisesti, jotta ymmärtäisi, mitä toinen tarkoittaa?
Sisältö jatkuu mainoksen alla
Vierailija kirjoitti:
Osaan, kun luen Wikipediasta.
T. Ei ope
Muista sitten välttää ainakin suomenkielistä wikipediaa. Esim. tuo suomiwikin elektrolyysiä käsittelevä artikkeli sisältää ihan kasapäin virheellistä tietoa.
Vierailija kirjoitti:
Vierailija kirjoitti:
Osaan, kun luen Wikipediasta.
T. Ei ope
Muista sitten välttää ainakin suomenkielistä wikipediaa. Esim. tuo suomiwikin elektrolyysiä käsittelevä artikkeli sisältää ihan kasapäin virheellistä tietoa.
Mitä virheitä siellä on esimerkiksi? Voitko sanoa edes muutaman, varmaan bongaat nopeasti kun niitä on kasapäin?
Jos sinulla on parempaa tietoa, niin mikset korjaisi näitä asioita Wikipediaan? Näin me muutkin saisimme oikeaa tietoa.
Sisältö jatkuu mainoksen alla
Jopa oli harvinaisen omahyväinen aloitus...
Sen verran, että tuo ei kuulu peruskoulun kemian kurssiin. Toisin kuin ap luulee.
Sivistyneen ja kouluttautuneen ihmisen tunnuspiirteisiin kuuluu, että kemianalan ongelmiin tullaan hakemaan tietoa av:ltä. Niinhän ne muinaiset nabylonialaisetkin tekivät ja sitä tekevät maamme yliopistojen tutkijatkin. Ne mitään koejärjestelyjä tee tai kirjoja ja julkaisuja lue. Ne kyselee av:ltä.
T. Ei Ap
Sisältö jatkuu mainoksen alla
Aloitusviestissä sanot, että tiedät vastauksen, mutta olet kiinnostunut kuulemaan kuinka moni muu tietää myös. Kovin moni ei näytä tietävän.
Minua kiinnostaisi tuo vastaus tietää, koska en itse osaa elektrolyysiä sen paremmin selittää kuin kukaan täällä vastanneista. Voisitko siis kertoa vastauksen omaan kysymykseesi?
laitoin kokispulloon mentoskarkin ja sain aikaan valtavasti vaahtoa, olenko kemisti nyt???
Sisältö jatkuu mainoksen alla
AP tainnut käydä lukiossa jonkun kemia 1 -kurssin ja kuvittelee nyt olevansa suurikin tietäjä. Joku elektrolyysi on niin peruskauraa, että se tosiaan opitaan jo peruskoulussa.
Vierailija kirjoitti:
Aloitusviestissä sanot, että tiedät vastauksen, mutta olet kiinnostunut kuulemaan kuinka moni muu tietää myös. Kovin moni ei näytä tietävän.
Minua kiinnostaisi tuo vastaus tietää, koska en itse osaa elektrolyysiä sen paremmin selittää kuin kukaan täällä vastanneista. Voisitko siis kertoa vastauksen omaan kysymykseesi?
Todellako? Ketjun tähänastisten vastausten perusteella on vaikea uskoa, että ketään täällä kiinnostaisi aidosti keskustella asiakysymyksistä - lähinnä kun suosiossa näyttäisi olevan kaikenlainen huutelu ja lällättely. Mutta jos nyt vielä kerran otan riskin ja yritän palauttaa keskustelun asialinjalle...
Oman järkeilyni mukaan se mekanismi, jolla elektrolyytti mahdollistaa veden elektrolyysin itse reaktioihin osallistumatta, on tiivistetysti se, että elektrolyytin ionit neutraloivat staattisen sähkövarauksen, joka elektrodien ympärille muodostuisi ioneja sisältämättömässä vesiliuoksessa.
Jos asetelmana on kaksi inertistä metallista valmistettua elektrodia tislatussa vedessä, niin kytkettäessä niiden välille jännite, alkaa katodilla muodostua hydroksidi-ioneja ja vetyä, anodilla puolestaan vetyioneja ja happea. Elektrodeilla tapahtuvissa reaktioissa elektronien vastaanottajina ja luovuttajina siis toimivat suoraan vesimolekyylit.
Tämä ionien (ja kaasun) muodostuminen kuitenkin pysähtyy käytännössä heti, ennenkuin se on ulkoisesti edes havaittavissa, sillä katodin ympärille liuokseen muodostuu hydroksidi-ionien vaikutuksesta negatiivinen staattinen sähkövaraus ja anodille vetyionien vaikutuksesta positiivinen staattinen sähkövaraus. Hydroksidi-ionien negatiivinen sähkövaraus hylkii katodin vapaita elektroneja ja estää niiden siirtymisen liuoksen vesimolekyyleille. Vetyionien positiivinen sähkövaraus taas vetää puoleensa anodin vapaita elektroneja, alentaen anodin pinnalla vallitsevan sähkökentän potentiaalia ja näin heikentäen olennaisesti anodin kykyä repiä vesimolekyyleiltä elektroneja itselleen. Tämän seurauksena elektrolyysin jatkuminen estyy.
Olennaista tässä on nyt se, että puhtaassa vedessä nämä elektrodien ympärille syntyneet varauskeskittymät eivät pääse purkautumaan minnekään (tai purkautuvat erittäin hitaasti), sillä purkautuminen edellyttäisi hydroksidi- ja vetyionien vaeltamista liuoksen läpi toistensa luokse (jolloin ne tietysti yhtyisivät vesimolekyyleiksi). Tämä on kuitenkin kohtuullisen pitkä matka kuljettavaksi diffundoitumalla. Vedessä luontaisesti autoprotolyysin takia esiintyvät ionitkaan eivät näitä varauskeskittymiä kovin tehokkaasti pysty purkamaan, sillä puhtaassa vedessä niiden yhteenlaskettu konsentraatio tunnetusti on hyvin alhainen, huoneenlämpötilassa vain 0,2 mikromoolin luokkaa litraa kohden.
(jatkuu seuraavassa viestissä)
(jatkoa viestistä 46)
Joko alkaa valjeta, miten tilanne muuttuu, kun vedessä on mukana elektrolyytti, esim. NaCl? No, katodilla tietysti sitä mukaa kun hydroksidi-ioneja syntyy, siirtyy liuoksessa elektrodin läheisyyteen natriumioneja tasapainottamaan muodostuvien hydroksidi-ionien negatiivista varausta. Vastaavasti anodia kohti kulkeutuu kloridi-ioneja tasapainottamaan siellä syntyvien vetyionien positiivista varausta. Tällä tavalla elektrolyytin ionit siis neutraloivat elektrodeilla syntyvien ionien sähkövaraukset, eikä mitään staattisia varauskeskittymiä pääse muodostumaan. Elektrolyysi voi siis jatkua esteettä.
Kun katodilla syntyy lisää hydroksidi-ioneja, niin yhä enemmän Na-ioneja siirtyy katodin läheisyyteen niiden sähkövarausta kumoamaan. Samoin tapahtuu anodilla vetyionien ja Cl-ionien kanssa. Vähitellen, sitä mukaa kun hydroksidi-ioneja kertyy yhä runsaammin katodin ympäristöön, ne alkavat diffundoitua kauemmas liuokseen. Näin tietysti käy myös anodin ympäristöön kertyville vetyioneille. Aikaa myöten liuoksen keskivaiheille (suurinpiirtein yhtä kauas anodista ja katodista) muodostuu vyöhyke, jossa tapahtuu voimakasta hydroksidi- ja vetyionien yhtymistä vesimolekyyleiksi. Kun vesimolekyylien muodostumisnopeus tällä vyöhykkeellä lopulta kasvaa yhtä suureksi kuin hydroksidi- ja vetyionien muodostusnopeus katodilla ja anodilla, on saavutettu tasapainotila, jossa ionien konsentraatiot elektrodien läheisyydessä tai muualla liuoksessa eivät enää muutu. Voidaan tavallaan ajatella, että nyt hydroksidi- ja vetyionit ovat muodostaneet liuokseen yhtenäisen sähköä johtavan väylän.
- - -
Tässä oman järkeilyni mukainen vastaus aloitusviestin kysymykseen. Yritin kirjoittaa niin selkeästi ja täsmällisesti kuin kohtuullisessa ajassa pystyin - sen takia pitkä teksti. Otan toki vastaan perusteltua kritiikkiä rakentavasti esitettynä, eli halutessaan voi kommentoida esim. mahdollisia aukkokohtia ylläolevassa selityksessä. Jos kuitenkin ajattelit kirjoittaa vastaukseksi jotain epäkypsää nälvintää, niin unohda koko juttu.
Mielelläni kuulisin kommenttia myös siltä kirjoittajalta, joka esitteli itsensä sähkökemistiksi, mikäli hän nyt tätä ketjua vielä lukee... Kuten jo aiemmin totesin, niin ihmettelen todella ettei tätä asiaa selitetä edes lukion kemiankirjoissa, vaikka kyseessä on mielestäni aivan keskeinen ilmiö elektrolyysin teorian ymmärtämisen kannalta. Myös jokaisen kemianopettajan pitäisi minusta osata asia selittää, jos oppilas sitä kysyy.
t. ap
"Jos asetelmana on kaksi inertistä metallista valmistettua elektrodia tislatussa vedessä, niin kytkettäessä niiden välille jännite, alkaa katodilla muodostua hydroksidi-ioneja ja vetyä, anodilla puolestaan vetyioneja ja happea. Elektrodeilla tapahtuvissa reaktioissa elektronien vastaanottajina ja luovuttajina siis toimivat suoraan vesimolekyylit."
Eli vaikka työntäisi veteen pelkästään yhden elektrodin, jolla on positiivinen tai negatiivinen varaus, niin sen pinnassa tapahtuisi noita mainitsemiasi reaktioita?
Vierailija kirjoitti:
"Jos asetelmana on kaksi inertistä metallista valmistettua elektrodia tislatussa vedessä, niin kytkettäessä niiden välille jännite, alkaa katodilla muodostua hydroksidi-ioneja ja vetyä, anodilla puolestaan vetyioneja ja happea. Elektrodeilla tapahtuvissa reaktioissa elektronien vastaanottajina ja luovuttajina siis toimivat suoraan vesimolekyylit."
Eli vaikka työntäisi veteen pelkästään yhden elektrodin, jolla on positiivinen tai negatiivinen varaus, niin sen pinnassa tapahtuisi noita mainitsemiasi reaktioita?
Ei tietenkään. Miksi ihmeessä noin tapahtuisi? Mikä tuossa viestissäni sai sinut tuollaisen päätelmän tekemään? t. ap
Vierailija kirjoitti:
Vierailija kirjoitti:
"Jos asetelmana on kaksi inertistä metallista valmistettua elektrodia tislatussa vedessä, niin kytkettäessä niiden välille jännite, alkaa katodilla muodostua hydroksidi-ioneja ja vetyä, anodilla puolestaan vetyioneja ja happea. Elektrodeilla tapahtuvissa reaktioissa elektronien vastaanottajina ja luovuttajina siis toimivat suoraan vesimolekyylit."
Eli vaikka työntäisi veteen pelkästään yhden elektrodin, jolla on positiivinen tai negatiivinen varaus, niin sen pinnassa tapahtuisi noita mainitsemiasi reaktioita?
Ei tietenkään. Miksi ihmeessä noin tapahtuisi? Mikä tuossa viestissäni sai sinut tuollaisen päätelmän tekemään? t. ap
No kun eihän niiden kahden elektrodin välillä ole sähkövirtaa, jos niiden välissä on vain sähköä johtamatonta ainetta = puhdasta vettä. Tällöin kummankin elektrodin jännite on yhdentekevä sieltä vedestä tarkasteltuna, veden "näkökulmasta" elektrodin jännite on nolla. Miksi siinä elektrodilla siis tapahtuu reaktioita?
Ketjun paras vastaus tähän asti.
Muista vastauksista näkee, että (nais)kemistit eivät ole koskaan jääneet pohtimaan ilmiötä syvällisesti vaan opetelleet potentiaalit ja muut ulkoa tentissä pärjätäkseen.
Tuo lue kemian kirjasta -vastaus on pöhköin. Ihan samaan kategoriaan kuuluva kuin jehovien 'vastaus löytyy raamatusta' kun esittää niille liian vaikean kysymyksen.