Elektrolyysi

Elektrolyysi tuotantoprosessissa

Puhdistamolta tulevasta sinkkisulfaattiliuoksesta saostetaan elektrolyysillä sähkövirran avulla metallista sinkkiä.

Sinkkilevyt ohjataan tämän jälkeen valimolle, jossa ne sulatetaan ja valetaan myyntituotteiksi. 

Elektrolyysin vaiheet

Elektrolyysi-osasto on noin 300 metriä pitkä rakennus, joka on järjestetty neljään virtapiiriin. Sinkin saostaminen tapahtuu altaissa, joita on yhteensä 840. Jokaisessa altaassa on 44 alumiinikatodia ja 45 lyijyanodia.

Sinkkisulfaattiliuos pumpataan altaisiin, joihin syötetään virtakisojen kautta sähkövirtaa. Sähkökemiallisen reaktion avulla sinkki saostuu liuoksesta alumiinisiin katodilevyihin, joissa sen annetaan kasvaa noin 35 tunnin ajan sinkkilevyksi. Tämän jälkeen katodit nostetaan altaista ja siirretään irrotuskoneille, joilla sinkkilevy irrotetaan katodin pinnasta mekaanisesti. Sinkki siirretään välivarastoon ja sieltä edelleen valimolle. Alumiinilevyt palautetaan takaisin altaisiin.

Elektrolyysin pääreaktiot:

Katodilla (alumiini)

  • Sinkki saostuu katodin pinnalle
  • Zn2+ + 2e– = Zn

Anodilla (lyijy-hopea)

  • Syntyy happea
  • 2 H2O = O2 + 4 H+ + 4e–

Liuoksessa

  • Sinkkipitoisuus pienenee ja rikkihappopitoisuus nousee
  • ZnSO4 = Zn2+ + SO42-
  • 2 H+ + SO42- = H2SO4

Oppimistehtävät lukiolaisille

Tehtävä 1

Rikkihappoliuos luokitellaan ärsyttäväksi, kun sen pitoisuus on yli 5 %. Mikä konsentraatio, c, vastaa 5 %:sta liuosta, kun sen tiheys on 1,03 kg/dm3?

Tehtävä 2

Vesilasia eli natriummetasilikaattipentahydraattia (Na2SiO3 x 5H2O) käytetään elektrolyysissä apuaineena. Vesilasia syötetään 59 kg sekoitusastiaan, jonka tilavuus on 6 m3. Mikä on liuoksen konsentraatio?

Tehtävä 3

Määrittele happo ja emäs.
Lisätehtävä: Mitä tarkoittaa amfolyytti? Anna esimerkki.

Tehtävä 4

Mitä tarkoitetaan sähkökemiallisella jännitesarjalla?

Tehtävä 5

Elektrolyysin altaissa kiertävä sinkkiä sisältävä happoliuos toimii elektrolyyttiliuoksena. Altaissa on lyijyanodeja ja alumiinikatodeja, altaisiin johdetaan sähkövirta. Hapetus-pelkistysreaktio tapahtuu sähkövirran avulla.

A. Miten ja mihin sinkin saostuminen tapahtuu? Mitä anodilla tapahtuu?
B. Kirjoita anolilla ja katodilla tapahtuvat hapettumis- ja pelkistymisreaktiot.

Tehtävä 6

Jos sähkövirta elektrolyysissä laskee liian alas, lähtee jo pelkistynyt sinkki – joka on epäjalo metalli – liukenemaan takaisin happoon. Millainen reaktio tästä syntyy? Miksi tämä reaktio on haitallinen ja jopa vaarallinen?

Tehtävä 7

Erään elektrolyysin halli-ilmassa ei-toivotun alkuaineen ytimessä on 17 protonia.

A. Mikä alkuaine on kyseessä?
B. Mikä on sen järjestysluku?
C. Mikä on sen moolimassa?
D. Mihin ryhmään alkuaine kuuluu?
E. Mitä alkuaineen ominaisuuksista voidaan ryhmän perusteella päätellä?

Tehtävä 8

Kipsi (CaSO4 x 2 H2O) aiheuttaa tukkeumia elektrolyysin putkistoissa, minkä vuoksi se on poistettava liuoksesta ennen elektrolyysiä. Kipsin poistoa varten on rakennettu laitteisto, jossa on jäähdytystorni ja sakeutin, jossa kipsi laskeutetaan. Selitä ja perustele, miten kipsi saadaan poistettua liuoksesta ko. laitteistoa hyödyntäen.