Elektrolyysin historiaa

Esitys aiheesta: "Elektrolyysin historiaa"— Esityksen transkriptio:

1 Elektrolyysin historiaa
1800-luvun ensimmäinen neljännes oli voimakasta kehityksen aikaa kemiassa. Luonnontiede oli hyvin kansainvälistä, tutkijat olivat jatkuvasti yhteydessä toisiinsa sodista huolimatta ja lukuisia uusia tieteen aikakausilehtiä perustettiin. Kemia tunnustettiin ensimmäistä kertaa omaksi ammatikseen, toisin kuin ennen, jolloin kemisti yleensä valmistui ensin farmaseutiksi tai lääkäriksi. Yksityisiä kemian laboratorioita perustettiin ja yliopistoihin tuli lisää kemian professoreita. Jakoa ”puhtaaseen” ja ”soveltavaan” kemiaan ei vielä ollut, vaan teoreettisen kemian kehitys kulki käsi kädessä teknillisen kehityksen kanssa. Laajamittainen kemian teollisuus sai alkunsa. Kemian kehittyessä huimaa vauhtia myös tutkijat omistautuivat joko kemialle tai fysiikalle ja kemian ja fysiikan välinen läheinen yhteistyö alkoi heiketä. Helsingin yliopisto: Kemian opettajankoulutusyksikkö Pro gradu –tutkielma, Minna-Liisa Rantaniemi

2 Hapettumis-pelkistymisreaktio tuottaa sähköä …
Voltan kokeet johtivat sähköparin keksimiseen, mikä mahdollisti edelleen suuren määrän tutkimuksia ja keksintöjä sähköstä, sähkökemiasta, sähkömagnetismista ja muista sähköön liittyvistä ilmiöistä. (Galvanin tutkimukset taas loivat pohjan sähköfysiologian tieteenalalle.) Ennen Voltan pylvään keksimistä sähkön tutkimus koski lähinnä staattista sähköä. Voltan pylvään avulla oli kuitenkin mahdollista saada aikaan jatkuvaa sähkövirtaa. Lisäksi virran voimakkuutta voitiin säädellä lisäämällä tai vähentämällä Voltan pylvään korkeutta eli metallikiekkoparien määrää pylväässä. Ennen - nyt Helsingin yliopisto: Kemian opettajankoulutusyksikkö Pro gradu –tutkielma, Minna-Liisa Rantaniemi

3 William Nicholson (1753-1815) ja Anthony Carlisle (1768-1842)
v : kootessaan Voltan pylvästä havaitsivat veden elektrolyysin : 2H2O → 2H2 + O2 Kuvassa Davyn veden elektrolyysi -laitteisto Ensimmäinen sähkön avulla tuotettu kemiallinen reaktio oli veden elektrolyysi eli veden hajottaminen vedyksi ja hapeksi. Vedyn löytyminen tapahtui sattumalta. Koottuaan Voltan pylvään Nicholson ja Carlisle tarkistivat elektrometrin avulla, että pylväs todella tuotti sähköä. Varmistaakseen kontaktin johtimien ja Voltan pylvään välillä, he laittoivat vesipisaran ylimmän metallilevyn päälle. Kun tähän tuotiin johdin, havaitsi Carlisle, että siitä irtosi kaasua, joka hänen mielestään ”haisi” vedyltä. Lukuisien jatkotutkimusten ja erilaisten koejärjestelyiden perusteella he varmistuivat siitä, että reaktiossa muodostui happea ja vetyä suhteessa 2:1, kuten tiedettiin olevan veden komponenttien suhde. Lisäksi he havaitsivat, että vapautuneiden kaasujen määrä oli suorassa suhteessa käytetyn sähkövirran määrään. Anthony Carlisle ( ) oli lontoolainen kirurgi ja William Nicholson ( ) liikemies, vesi-insinööri, opettaja ja tutkija sekä luonnontieteellisten kirjoitusten ja teosten laatija ja kustantaja. Käänsi englanniksi Voltairen teoksia (Newtonin filosofia), sekä lukuisia kemian teoksia. Keksi Areometerin, laitteen jolla voidaan määrittää nesteen tiheys. Perusti koulun, jossa myös opetti ja julkaisi lehteä, Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts, jossa julkaistiin luonnontieteellisiä tutkimuksia. Anodilla (+) hapettuu, muodostuu happea. Katodilla(-) pelkistyy vetyä. Helsingin yliopisto: Kemian opettajankoulutusyksikkö Pro gradu –tutkielma, Minna-Liisa Rantaniemi

4 Humphrey Davy Osoitti, että Voltan pylväässä tapahtuu kemiallinen reaktio Eristi elektrolyysin avulla: K, Na, Mg, Ca, Sr, Ba Itseoppinut, pidetty luennoitsija Keksi ilokaasun Royal Societyn johtaja Davy alkoi myös tehdä omia kemiallisia kokeitaan Voltan pylväällä vuonna Davy havaitsi, että sähkön avulla oli mahdollista hajottaa myös hyvin pysyviksi luultuja aineita. Jo Lavoisier oli epäillyt, että osa alkuaineiksi luulluista maa-alkalimetalleista olisivat itse asiassa vielä tuntemattomien metallien oksideja, ei alkuaineita. Davy sai lopulta elektrolyysin avulla eristettyä kaliumin potaskasta ja natriumin soodasta. 1807: Kalium ja natrium, 1808 kalsium Davy, joka oli monipuolinen tutkija ja teki perusteellista työtä, totesi myös, että sähkövirta on suoraan verrannollinen johtimen poikkipinta-alaan ja kääntäen verrannollinen sen pituuteen. Davy osoitti, että sähkön syntymiseen liittyy kemiallinen reaktio, Voltan esittämä pelkkä kahden metallin välinen kontakti ei riitä. Hän teki kokeita erilaisilla metallipareilla ja liuoksilla päätyen siihen tulokseen, että toinen metalleista hapettuu. Davy esitti, että molekyylien osat ovat toisissaan kiinni sähkövoimalla, ja kun yhdisteeseen tuodaan ulkopuolista sähkövoimaa, tämä sidos voi mennä rikki. Humphrey Davy ( ) Helsingin yliopisto: Kemian opettajankoulutusyksikkö Pro gradu –tutkielma, Minna-Liisa Rantaniemi

5 Michael Faraday (1791–1867) Ammatiltaan kirjansitoja
Luonnontieteissä itseoppinut Davyn assistentti ja ”tärkein keksintö” Tutki sähköä, keksi sähkömoottorin, sähkömagneettisen induktion, dynamon ja Faradayn häkin. Michael Faradayn ( ) tutkimukset sähköstä liittyivät pääasiassa fysiikkaan. Hänet tunnetaan parhaiten sähkömagneettisen induktion keksimisestä (1831). Itseoppinut. Kirjansitojan oppipoikana sai käsiinsä luonnontieteellisiä julkaisuja ja sai lukea niitä. Kirjoitti tarkat muistiinpanot Davyn yleisöluennoista, joiden perusteella Davy palkkasi hänet avustajakseen n. 20- vuotiaana. Kuva: Helsingin yliopisto: Kemian opettajankoulutusyksikkö Pro gradu –tutkielma, Minna-Liisa Rantaniemi

6 Michael Faraday (1791-1867) Jatkoi Davyn tutkimuksia
Elektrolyysilait v Kehitti elektrolyysin sanastoa: ioni, anioni, kationi, elektrodi, katodi, anodi Päätteli 1830-luvulla, että elektrolyyttiliuoksessa sähkön kuljettajat olivat liuoksen hajaantumistuotteita, joista toiset kulkivat positiiviselle, toiset negatiiviselle kohtiolle. Faraday piti Royal Institutionissa menestyksellisen luentosarjan, nimeltä Kynttilän fysiikka ja kemia (The Chemical History of a candle)[1] liekkien kemiasta ja fysiikasta. Tämä oli alku nuorille pidettäville joululuennoille, joita pidetään edelleen joka vuosi. Michael Faradayn tutkimukset sähköstä liittyivät pääasiassa fysiikkaan. Hänet tunnetaan parhaiten sähkömagneettisen induktion keksimisestä (1831). Myös Faradayn sähkökemian tutkimukset olivat merkittävät. Fraday tutki elektrolyysiä ja julkaisi v ns. Elektrolyysilait: 1.Massa, joka vapautuu elektrodilla on verrannollinen elektrolyytissä kulkevan sähkön määrään. 2. Massa, jonka tietty sähkömäärä vapauttaa, on verrannollinen alkuaineen atomipainoon ja kääntäen verrannollinen sen valenssiin. Faraday kehitti sähkökemian termistöä yhdessä luonnontieteiden historioitsija William Whewellin ( ) kanssa. Käyttöön otettiin sanat electrode (elektrodi), anode (anodi), cathode (katodi), ion (ioni), anion (anioni) ja cation (kationi). Michael Faraday ( ) Helsingin yliopisto: Kemian opettajankoulutusyksikkö Pro gradu –tutkielma, Minna-Liisa Rantaniemi

7 Pariston rakennetta kehiteltiin…
1829 A.C.Becquerell keksi erottaa elektrodit omiin elektrolyytteihinsä. John Daniell kehitteli rakennetta edelleen: Daniellin pari 1836 Voltan pariston heikkouksia: sinkkilevyt hapettuivat helposti ja positiivisella elektrodilla muodostui vetykaasukuplia, mikä heikensi pariston tehoa. Voltan parista kehittyi nopeassa tahdissa uusia versioita. vuoteen 1830 saakka oli yleisesti käytössä sähköntutkimuksessa William Cruickschankin ( ) kehittelemä paristotyyppi. Se koostui pitkästä puisesta kaukalosta, joka oli jaettu lokeroihin yhteen juotetuilla kupari- ja sinkkilevyillä. Elektrolyyttinä toimi rikkihappoliuos. Muutamassa vuosikymmenessä Voltan paristo saatiin kehitettyä käyttökelpoiseen muotoon. Haitallinen vetykaasukuplien muodostuminen (ns. polarisoituminen), joka heikensi sähkön kulkua, saatiin estettyä laittamalla kummallekin elektrodille oma elektrolyyttinesteensä, joiden sekoittumisen esti huokoinen väliseinä. Tämän keksi vuonna 1829 A.C.Becquerell, jonka pojanpoika keksi radioaktiivisuuden. Rakennetta kehitti edelleen käytännöllisemmäksi J.F. Daniell Daniellin paristossa oli savilieriön sisällä rikkihapossa sinkkielektrodi, jota ympäröi kuparielektrodi kuparisulfaattiliuoksessa. Pariston jännite oli 1,08 V, ja sillä saatiin sähkövirtaa noin kuuden tunnin ajan. Daniellin parin periaate kuva: Helsingin yliopisto: Kemian opettajankoulutusyksikkö Pro gradu –tutkielma, Minna-Liisa Rantaniemi

8 Alumiinin elektrolyysi
1886 USA ja Ranska ylellisyysmetallista monipuolinen käyttömetalli n. 5% USA:n sähköstä alumiinin valmistukseen Paul Héroult (1863–1914) Vuonna 1807 englantilainen kemisti Sir Humphrey Davy määritti alumiinisuolan ominaisuuksiensa perusteella ja kutsui sitä nimellä alumium, jossa ”alum” on tuntematon metalli ja –ium pääte sen suola. Davy yritti siinä onnistumatta valmistaa alumiinia alumiinioksidin ja potaskan (puutuhkasta valmistettu kaliumhydroksidi) elektrolyysin avulla. Myöhemmät sukupolvet muuttivat nimen muotoon ”aluminium”. Vuonna 1825 Davyn työn jalanjäljissä tanskalainen fyysikko H.C. Oersted onnistui tuottamaan ensimmäiset alumiinihiukkaset (grammat) kuumentamalla kaliumhydroksidiamalgaamia ja alumiinioksidia. Alumiinia osattiin valmistaa bauksiitista kalliilla prosessilla vuodesta 1854 alkaen. Alumiini oli yhtä kallista kuin hopea ja sitä käytettiin koruihin ja ylellisyystavaroihin. Napoleon III hovissa vain arvovieraat saivat alumiinista valmistetut ruokailuvälineet. (Vuonna 1886 alumiinin teollinen tuotanto pienessä mittakaavassa tuli mahdolliseksi, kun ranskalainen Henry Sainte-Claire Deville kehitti tuotantomenetelmän. Nyt oli mahdollista tuottaa alumiinia kilogrammoja, mikä oli merkittävä askel teollisen tuotannon kehittymiselle ja vei alumiinin laboratorioista tehtaisiin.) Varsinainen teollisen tuotantotavan kehittivät samanaikaisesti toisistaan tietämättä sekä Yhdysvalloissa Charles Martinin Hall että Ranskassa Paul Lois Toussaint Hèroult. Molemmat jalostivat alumiinioksidia kryoliitista ja alumiinia alumiinioksidista sulatuselektrolyysin avulla. Prosessia kutsutaan keksijöidensä perusteella Hall-Héroultin menetelmäksi. Lähde: ( ) Charles Martin Hall ( ) Helsingin yliopisto: Kemian opettajankoulutusyksikkö Pro gradu –tutkielma, Minna-Liisa Rantaniemi Kuvat: Wikipedia