Gaasid. Keemilised reaktsioonid 

Kui kahe või rohkema aine aatomid korralduvad ümber, et moodustada uut ühendit, räägime, et on toimunud keemiline reaktsioon. Enamik keemilisi reaktsioone on pöördumatud. Mõni reaktsioon võib olla pööratav, kuid vajada selleks soojust või rõhku. Näiteks saab metallile tekkinud raudoksiidi kuumutada kõrgahjus, kus see muutub uuesti rauaks ja hapnikuks. 

Üks pöördumatu reaktsioon on puidu põlemine. Põlemisel puidu süsinikuaatomid reageerivad õhuhapnikuga ja moodustavad tuha, suitsu ning süsinikdioksiidi ja veeauru. Puidu molekulid hakkavad kuumuse toimel lagunema, mille tulemusel tekivad lendosised (puugaas – valdavalt CO, H2) ja söed. Need reageerivad seejärel hapnikuga moodustades põlemise lõppsaadused – süsihappegaas ja veeaur. Hapnikuga reageerimise käigus eraldub tohutus koguses soojust puidumolekulide seoseenergia arvelt. Tuhk, kui mittepõlev mineraalne osa, on samuti üks puidu põlemise lõppsaadustest. 

Korrosioon 

Keemiliste reaktsioonide toimumist on võimalik ka vältida. Võtame näiteks metallid, mis võivad hävineda nii õhu, gaaside, pinnase, vee ja kemikaalide toimel. Metalle saab kaitsta näiteks protektor-, anood- ja katoodkaitsmega. Metallide korrosioon võib kulgeda keemilise või elektrokeemilise mehhanismi järgi.  

Keemiline korrosioon toimub kuivades gaasides ja orgaanilistes vedelikes (nafta, bensiin). Kõrgtemperatuurne gaaskorrosioon esineb metallurgiaprotsessides (sulatamine, valamine, kuumvaltsimine) ja seadmetes (kollete restid, aurukatelde küttepinnad, sisepõlemismootorite klapid, silindrid, kolvid, gaasi väljalasketorud, elektriahjude kütteelemendid). Gaaskorrosiooni puhul kattub metallipind enamasti korrosioonisaaduste kihiga, mis ei lase oksüdeerijat metalli pinnale ja korrosioon aeglustub.  

Gaaskorrosiooni kaitseks kasutatakse peamiselt järgmisi meetodeid:  

1) legeerimist, st sulamile lisatakse kuumuspüsivust tõstvaid elemente;     

2) kaitsepindamist;  

3) kaitsegaasikeskkondade loomist (kasutatakse põhiliselt metallide kuumtöötlemisel). 

Elektrokeemilise korrosiooni tõttu hävinevad metallid merevees, hapete, aluste ja soolade lahustes, sulasoolades, niiskes õhus ja pinnases uitvoolude osavõtul. Elektrokeemiline korrosioon tekib välisallikast saabuva alalisvoolu (tramm, keevitusseadmed) toimel. Intensiivne korrosioon toimub näiteks ka seal, kus uitvoolud torustikust pinnasesse suunduvad.   

Elekrokeemilise korrosiooni kaitse viisideks on:  

1) pindamine. Keemiliselt püsivama metalliga katmine on üks vanemaid ja levinumaid viise metallide kaitsmisel korrosiooni vastu. Kui pindemetall on põhimetallist keemiliselt vähem aktiivne, siis on tegemist katoodpindega (Cu, Ni, Sn või Ag on rauale katoodpindeks). Katoodpinne kaitseb seni, kuni kaitsekiht on vigastamata. Anoodpinne kaitseb metalli ka siis, kui selles on põhimetallini ulatuvaid vigastusi. Nii kaitseb tsinkpinne rauda praktiliselt seni, kuni kogu tsingikiht on lahustunud.  

2) kaitsemäärded;  

3) polarisatsioon. Polarisatsiooni kasutades metallkonstruktsiooni korrosioon pidurdub. Olenevalt metalltarindi polariseerimise viisist eristatakse protektor-, katood- ja anoodkaitsemeetodit. Protektorkaitse korral ühendatakse metallkonstruktsioon isoleeritud juhtme abil temast aktiivsema metalliga, nn protektoriga, mis on moodustunud galvaanipaaris lahustuvaks anoodiks. Protektoriks kasutatakse Zn, Mg, Al. Kaitstav metall töötab katoodina ja praktiliselt ei korrodeeru. Katoodkaitse korral ühendatakse alalisvooluallika negatiivne poolus kaitstava metallkonstruktsiooniga, positiivne poolus abielektroodiga (vanad torud, rööpatükid). Pinnases asetatakse anood eriümbrisesse, mis koosneb kipsi, koksi ja keedusoola segust. Anoodkaitse korral ühendatakse kaitstav objekt alalisvooluallika positiivse poolusega ja abielektrood negatiivse poolusega. Anoodkaitsega ei kaasne metalli lahustumist, seega jääb ära keskkonna saastumine metalliioonidega.  

4) korrosiooninhibiitorid;  

5) vastava keskkonna loomine. Seadmete transportimisel, ladudes, aga ka allveelaevades, kasutatakse laialdaselt õhu kuivatamist silikageeliga – amorfse, niiskust aktiivselt imava ränihappega. 

Endo- ja eksotermilised reaktsioonid 

Keemilistes reaktsioonides võib soojus nii eralduda kui ka neelduda. Endotermilise reaktsiooniga kaasneb soojuse neeldumine. Seda soojusefekti loetakse positiivseks ning tähistatakse sümboliga ΔU või ΔH olenevalt sellest, kas reaktsioon toimub püsival ruumalal või püsival rõhul. Endotermilised reaktsioonid on paljud lagunemisreaktsioonid ja ka mõningad ühinemisreaktsioonid (nt N2 + O2 = 2NO). Eksotermilise reaktsiooniga kaasneb soojuse eraldumine, ning seda loetakse negatiivseks ja tähistatakse sarnaselt eksotermilise reaktsiooniga. Eksotermilised reaktsioonid on kõik põlemisreaktsioonid ja paljud ühinemisreaktsioonid (nt C + O2 = CO2).  

Paisupaak 

Paisupaagi põhiline ülesanne on kompenseerida vedeliku temperatuuri tõusust tekkivat paisumist.  

Paisupaagid jagunevad ehituselt kaheks: 

  • membraanipaisupaagid – gaasilist keskkonda ja vedelikku eraldab teineteisest kummist membraan. 
  • kottpaisupaagid – gaasilist keskkonda ja vedelikku eraldab teineteisest kummist kott. 
Membraanpaisupaak
Kottpaisupaak

Clapeyroni võrrand  

Claperyoni võrrand on ideaalse gaasi olekuvõrrand. Ideaalgaasiks nimetatakse gaasi mille molekulide vahel puuduvad vastastikused jõud, ning molekulide maht loetakse tühiseks. 

pV = nRT, kus  

p – rõhk (Pa)  

V – gaasi ruumala (m3

n – gaasi hulk (moolides) 

R – universaalne gaasikonstant 

T – temperatuur (K) 

Le Chatelier’ printsiip  

Kui keemilise tasakaalu korral muutub mingi osapoole kontsentratsioon, temperatuur, ruumala või rõhk, siis keemilise reaktsiooni toimumise suund on vastupidine selle teguri muutusele. Ehk tasakaalus süsteemile rõhu rakendamine sunnib süsteemi liikuma seisu, mis vähemalt osaliselt vähendab selle rõhku. 

Miks korstendel on spiraalid? 

Spiraalid aitavad takistada keeriste tekkimist, mis on gaasile iseloomulik kui gaas on liikumises. Spiraalid aitavad hoida ära korstnate kõikumise. Kuid pööriste lisamine teeb korstna ülemise osa palju raskemaks ja kallimaks. Kui korstna kõrval on teine samasugune korsten, siis pole spiraalidest kasu, sest efektid kahe korstna vahel teevad spiraalid kasutuks. Spiraalide puuduseks on aga see, et need tekitavad nö suurema purjepinna, mis soodustab korstnate kõikumist ikkagi. 

Keemiliste reaktsioonide ülesanded

1. Auto rehvis on õhk temperatuuril -10 ° C ja  rõhk 190 kPa. Mõne aja pärast tõuseb temperatuur kuni 10 ° C-ni. Leia, milline on nüüd rõhk rehvis. 

Vastus: Rõhk auto rehvis on arvutatav Clapeyroni valemi alusel, kusjuures temperatuuri puhul tuleb arvestada absoluutse temperatuuri väärtusi. Selle kohasel rõhk auto rehvis pärast temperatuuri tõusu on 204 kPa. 

2.Sõidad maale vanaema juurde. Paraku poolel teel saab autol bensiin otsa. Sinu õnneks juhtub just sõber mööda sõitma ning nõustub sind hädast välja aitama pakkudes võimalust pumbata bensiini tema autost välja, et saaksid lõpuni sõita. Otsustate sifoonida (pumbata) bensiini välja. Sifooni kõrgeim punkt on 2 m kõrgemal kui kütusepaak ning anum, kuhu bensiin sifoonitakse on 0,75 m madalamal kui kütusepaak. Sifooni läbimõõt on 4 mm ja hõõrdekadu sifoonis on tühine. Määrake minimaalne aeg 4 L bensiini paagist anumasse sifoonimiseks ja rõhk sifooni kõrgeimas osas. Bensiini tihedus on 750 kg/m3. Õhurõhk on 1 atm ja tihedus 1,29 kg/m3.

Vastus: Kui hõõrdetakistust mitte arvesse võtta kulub bensiini sifoonimiseks 1 minut ja 23 sekundit. Bensiini voolamise kiiruse leiab Bernoulli võrrandist ning vooluhulk on võimalik leida siis, kui korrutada viimane läbi sifooni ristlõike pindalaga. Kusjuures, siinkohal ei mängi sifooni harja kõrgus mitte kõige vähimatki rolli – oluline on anumate kõrguste vahe.  

Rõhk sifooni kõrgeimas punktis on samuti leitav Bernoulli valemi abiga ning selle tulemuseks on 81,1 kPa. 

3. Kuumaõhupalli ballooni maht on 1700 m3 ja mass 160 kg. Reisijakorvi, gaasipõleti ja kütuse mass kokku on 150 kg. Milline peab olema gaasi (õhk) temperatuur balloonis, et see jaksaks kanda 10°C õhus 400 kg reisijaid? 

Vastus: Õhu tihedus õhupalli balloonis peaks olema 0,834 kg/m3 ja see vastab õhu temperatuurile 155 °C. Ülesande lahenduses tuleb arvestada millised jõud tirivad ballooni allapoole ja millised ülespoole. Allapoole tirivad kuumaõhupalli massist tingitud raskusjõud mgmg ja kuumaõhupalli balloonis oleva kuuma õhu massist tingitud raskusjõud VBρBgVB𝜌Bg (ρB on balloonis oleva õhu tihedus) 

Ülespoole lükkab üleslükkejõud ehk ümberpaigutatavale keskkonnale mõjuv üleslükkejõud. Ümberpaigutatavaks keskkonnaks on meil 10°C õhk, mida on sama palju kui on ballooni maht. Sellest tulenevalt tuleb välja kirjutada jõudude tasakaalu võrrand ning avaldada balloonis oleva õhu tihedus. 

Vastuseid ootame sellel lingil hiljemalt 21. aprill kell 23.59  

Ootame ka teie tagasisidet ja muljeid ülesannetest ja võistlusest. Tagasisidet saab anda sellel lingil.