Chuong 6 MOT SO UNG DUNG CUA DIEN HOA HOC

Các loại pin Pin là nguồn điện một chiều được tạo ra nhờ năng lượng của các phản ứng hóa học.. • Sử dụng: Để giảm ô nhiễm môi trường, người ta đã phác thảo những xe hơi chạy bằng điện và

NỘI DUNG BÁO CÁO

6.1 Nguồn điện hóa học

6.2 Điện phân

6.3 Ăn mòn và chống ăn mòn kim loại

NỘI DUNG CHƯƠNG 6

6.1 Nguồn điện hóa học

Một số nguồn điện hóa thông dụng

- Pin

- Acquy

- Sự điện phân

6.1.1 Pin

a Các loại pin

Pin là nguồn điện một chiều được tạo ra nhờ năng lượng của các phản ứng hóa học Pin được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến, thông tin, điện tử, tự động hóa và nhiều lĩnh vực kinh tế quốc dân khác

6.1.1 Pin

a Các loại pin

• Pin khô Le clanché

- Pin Le clanché thuộc

loại pin muối hay còn gọi

là pin acid

- Sơ đồ:

(–) Zn | NH4Cl | MnO2 (r) + C | C (+)

Hình 6.1 Pin Le Clanché

Zn(NH3)2Cl2, các sản phẩm phụ này tích tụ

dần dần quanh cực dương làm cho pin mất

dần khả năng hoạt động

Zn + 2NH4+ + 2MnO2 (r)  Zn 2+ + NH3 + 2MnO(OH)

Pin Le clanché là loại

được sử dụng rộng rãi

nhất hiện nay Ở Việt

Nam, pin Le clanché

được sản xuất dưới nhãn

hiệu pin Con Thỏ (Văn

Điển, Hà Nội), pin Con

Ó Điện áp của pin khô

vào khoảng 1,5V

Vỏ ngoài Than chì (cathode)

Zn (anode)

hỗn hợp

NH 4 Cl + ZnCl 2

Bột than chì + MnO 2 bao quanh cathode

Hình 6.2 Pin Le Clanché

 Pin kiềm Mangan

• Cấu tạo: (–) Zn, Hg | KOH (dd) | MnO2, C (+)

• Phản ứng ở các điện cực:

Cực (–)

Zn + 4OH – + 2H2O → [Zn(OH)4(H2O)2] 2– + 2e (i)

[Zn(OH)4(H2O)2] 2–  ZnO + 2OH – + 3H2O

Cực (+)

MnO2 + H2O + e  MnO(OH) + OH–

MnO(OH) + H2O + e  Mn(OH)2 + OH–

Hình 4.2 Pin kiềm

Ở anode, ZnO phủ dần lên Zn

và làm cho

Zn thụ động, cản trở phản

ứng (i) tiếp

tục xảy ra

 Pin kiềm thuỷ ngân

Anode làm bằng hỗn hống kẽm - thủy ngân; hỗn hợp HgO và Cacbon ở dạng kem nhão đóng vai trò cathode, còn chất điện ly là KOH và ZnO Các phản ứng tại điện cực:

Anode : Zn(Hg) + 2OH –  ZnO(r) + H2O(l) + 2e

Cathode : HgO(r) + H2O(l) + 2e  Hg (l) + 2OH –

Zn(r) + HgO(r) + H2O + 2OH –  Hg + [Zn(OH)4] 2–

Điện áp của pin thủy ngân bằng 1,35V

Đối tượng

sử dụng của pin kiềm thủy ngân

Đối tượng

sử dụng của pin kiềm thủy ngân

 Pin liti

Pin liti là sự tổ hợp mới mẻ giữa anode Li với cathode là oxit hoặc sulfur kim loại chuyển tiếp (ví

dụ như MnO2, V6O13 hoặc TiS2) Khi phóng điện:

• Ở anode xảy ra sự oxi hóa Li:

Li (r) → Li + (trong chất điện giải rắn) + e

MnO2 + Li + + e → LiMnO2 (r)Phản ứng tổng cộng:

Li(r) + MnO2(r) → LiMnO2(r) Epin = 3,0V

Đối tượng sử dụng

của pin Liti

Tên pin Đối tượng sử dụng Ưu và nhược điểm

Pin kiềm

Mangan Radio, đèn pin, đồ chơi

Không bị ngắt dòng Thời gian hoạt động lâu hơn pin Le clanché Sạch, nhiều kích cỡ

nhưng đắt hơn pin Le clanché.

Pin kiềm

thuỷ ngân

Đồng hồ, máy trợ thính, máy tính nhỏ, camera…

Kích thước nhỏ, giá thành cao hơn pin khô và thải ra thuỷ ngân độc Có điện áp hơi nhỏ hơn song lại ổn định hơn do thành phần chất điện

ly không thay đổi trong quá trình sử dụng

Dung lượng của pin này vượt xa pin khô: 0,3 Ah/cm 3

Máy tính, đồng hồ, Không độc nhưng đắt tiền, thời gian sử dụng

b Acquy

Acquy là nguồn điện hóa học có khả năng hoạt động lâu dài nhờ tính chất thuận nghịch của quá trình phóng điện và nạp điện của nó

Acquy chì gồm hai tấm chì khoét nhiều lỗ chứa PbO nhúng trong dung dịch H2SO4 nồng độ 25% – 30%, lúc này xảy ra phản ứng:

 Khi acquy hoạt động sẽ xảy ra quá trình phóng phóng

điện:

(–): Pb – 2e- + SO42-  PbSO4

(+): PbO2 + 2e- + 4H+ + SO42-  PbSO4 + 2H2O Như thế trong cả acquy xảy ra phản ứng:

 Acquy kiềm Nicad và niken – sắt

Phản ứng tạo dòng điện như sau:

2NiOOH + M + 2H2O 2Ni(OH)2 + M(OH)2

Sức điện động khoảng 1,30 – 1,34V đối với acquy

Ni – Cd và khoảng 1,37 – 1,41V đối với acquy Ni – Fe.

Acquy kiềm có tuổi thọ cao, đạt đến 1 – 2 nghìn chu

kỳ phóng – nạp điện.

phóng điện nạp điện

 Acquy Ni – Ag, với phản ứng:

SĐĐ: 1,60 – 1,85V với 100 – 200 chu kỳ làm việc.

 Acquy Niken – Hiđro, với phản ứng:

2NiOOH + H2 2Ni(OH)2

SĐĐ: 1,32 – 1,36V với vài nghìn chu kỳ làm việc.

phóng điện nạp điện

phóng điện nạp điện

MỘT SỐ ACQUY HIỆN ĐẠI

MỘT SỐ ACQUY HIỆN ĐẠI

ỨNG DỤNG

CỦA ACQUY

6.1.2 Pin nhiên liệu

a Pin nhiên liệu hiđro - oxi

• Sử dụng: cung cấp điện năng và nước tinh

khiết trong các chuyến bay vũ trụ

• Ưu điểm: Sạch, nhiều pin nhiên liệu hoạt động

không gây ô nhiễm môi trường Tạo nguồn điện năng di động

• Nhược điểm: Khác với các pin thông thường,

pin nhiên liệu không tích trữ được điện năng, nó chỉ hoạt động khi dòng nhiên liệu được nạp vào

a Pin nhiên liệu hiđro - oxi

b Pin nhôm – không khí

Pin nhôm – không khí tương tự pin nhiên liệu ở chỗ các chất phản ứng được nạp định kỳ nếu không nói là liên tục

Khi pin hoạt động, ở anode xảy ra sự oxi hóa nhôm:

x4| Al(R) + 4OH–(aq)  4[Al(OH)4] – (aq) + 3e –

Ở cathode xảy ra sự khử oxi:

x3| O2 + 2H2O(L) + 4e –  4OH –

Phản ứng tổng cộng:

4Al(R) + 3O2(K) + 6H2O(L) + 4OH–(aq)  4[Al(OH)4] – (aq)

E = 2,7V

• Sử dụng: Để giảm ô nhiễm môi trường, người

ta đã phác thảo những xe hơi chạy bằng điện và pin này được hứa hẹn trong tương lai có thể dùng vận hành loại xe hơi gia đình

• Ưu điểm: Pin nhôm – không khí có tỉ lệ điện

năng/khối lượng rất cao 1 mol electron cần 9

gam Al (MAl = 26,98 g/mol)

• Nhược điểm: cần phải nạp định kỳ nước, nhôm

b Pin nhôm – không khí

c Một số pin nhiên liệu khác

 Pin nhiªn liÖu kiÒm AFC

( A lkaline F uel C ells)

 Pin nhiªn liÖu acid phosphoric PAFC

( P hosphoric a cid F uel C ells)

 Pin nhiªn liÖu muèi carbonate nãng ch¶y

MCFC ( M olten C arbonate F uel C ells)

6.2 Sự điện phân

6.2.1

6.2.1 Định nghĩa điện phân

Điện phân là quá trình oxi hóa – khử xãy ra trên các điện cực khi có dòng điện 1 chiều đi qua chất điện ly ở trạng thái nóng chảy hoặc dung dịch.

 Lưu ý Theo qui ước điện cực, ở đó có quá trình oxi hóa (nhường e) là anode, còn điện cực mà tại đó xãy ra quá trình khử (nhận e) là cathode.

+ Trong pin anode là cực âm, catot là cực dương.

+ Trong điện phân cathode là cực âm, anode là cực dương.

6.2.2 Thế phân giải – Quá thế

a Thế phân giải

Thế phân giải là thế hiệu tối thiểu của dòng

điện một chiều đặt vào hai điện cực của bình

điện phân để gây nên sự điện phân

Thế phân giải của một chất điện ly bằng thế phân giải của cation và thế phân giải của anion, tức là bằng sức điện động của pin tương ứng

Ví dụ thế phân giải của dung dịch CuCl2 và

6.2.2 Thế phân giải - Quá thế

Q là điện lượng có thể tính bằng đơn vị Faraday (F), 1F = 96.500 C = 26,8 A.h

Định luật 2

Những điện lượng như nhau đi qua bình điện

phân làm thoát ra cùng một số đương lượng gam

MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TIỄN

CỦA ĐIỆN PHÂN

MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TIỄN

CỦA ĐIỆN PHÂN

1 Điện phân sản xuất

2 Tách và tinh luyện kim loại bằng điện phân

3 Sử dụng phức chất trong điện phân

4 Tổng hợp các chất hữu cơ bằng phương pháp

1 Điện phân sản xuất

• Điện phân sản xuất nhôm

Hình 4.7 Thiết bị điện phân nóng chảy nhôm

1 Điện phân sản xuất

• Điện phân sản xuất NaOH – Cl 2

2 Tách và tinh luyện kim loại

bằng điện phân

• Tinh luyện Zn

• Tinh luyện Đồng

Luyện Zn thông dụng nhất là điện phân dung dịch ZnSO4 Sản phẩm Zn thu được có thể đạt 99,99%.

Phản ứng ở cathode, kết tủa Zn:

Zn2+ + 2e → ZnOxi thoát ra trên điện cực không tan:

2H2O → O2 + 4H+ + 4e

 Tinh luyện Zn bằng điện phân

Do quá thế của H2 trên Zn rất cao nên Zn có thể kết tủa trong môi trường acid với hiệu suất rất cao Thế khử của Zn2+ âm hơn điện thế khử của H+ Có mặt các tạp chất khác, chúng sẽ kết tủa đồng thời với Zn Trên cathode, có những vị trí có quá thế hiđro thấp

 Tinh luyện Zn bằng điện phân

Quá trình thoát hiđro xảy ra mạnh, đồng thời với hòa tan Zn đã được kết tủa (theo cơ chế pin cục bộ) Các tạp chất như Cu, Bi, Ge và Sb

không chỉ làm giảm hiệu suất dòng mà còn ngăn không cho Zn kết tủa Vì vậy mục đích xử lý

quặng Zn để tạo ra dung dịch kẽm sunfat không

có tạp chất ảnh hưởng không tốt đến phản ứng cathode

 Tinh luyện Zn bằng điện phân

điện phân tinh luyện Lý do thứ hai của tính luyện điện hoá là tách các kim loại quý như Au, Ag, Pt, Pd Các phản ứng chính ở điện cực

Cu – 2e → Cu 2+ (anode)

Cu 2+ + 2e → Cu (cathode)

Các kim loại tạp chất có mặt ở anode đồng, như Fe, Zn cũng bị oxi hóa thành Fe2+ và Zn2+

trong dung dịch song chúng không bị khử ở

cathode tại thế khử đồng Các kim loại có thế

dương điện hơn như vàng, bạc không bị oxi hóa anode và đọng lại ở đáy bình điện phân khi

anode đồng bị hòa tan Bằng cách này đồng đạt

độ ròng là 99,5%

3 Sử dụng phức chất trong điện phân

Để điện phân thu được kim loại tinh khiết,

kim loại kết tủa mịn và bám dính tốt người ta

thường dùng kim loại dưới dạng ion phức

Ví dụ mạ bạc bằng muối AgNO3 thì lớp mạ ở dạng bột xám không tốt, nếu có mặt KCN thì lớp

mạ đặc khít, bóng đẹp Do có mặt KCN sẽ tạo

phức dixyanoargentat bền:

Ag+ + 2CN– → [Ag(CN)2]–

Ion đó sẽ bị khử ở cathode tạo thành kim loại

[Ag(CN)2]– + e → Ag + 2CN–

Trong cùng điều kiện thì anion phức chất trên

bị khử chậm hơn nhiều so với ion đơn giản Ag+ Đây là điều kiện căn bản để có thể thu lớp mạ có chất lượng cao

Nhờ tạo phức có thể tách được hai kim loại có thế điện cực chuẩn 0 rất gần nhau và ngược lại

có thể làm thoát đồng thời hai kim loại có 0 rất

xa nhau, tức là có thể chế tạo và mạ hợp kim ở nhiệt độ thường, ví dụ như hợp kim Cu – Zn

(đồng thau), Cu – Sn (đồng thanh)

4 Tổng hợp các chất hữu cơ bằng

phương pháp điện hóa

Phản ứng khử nitro benzen bằng điện hóa là một trong những phản ứng có ý nghĩa quan trọng đối với lý thuyết và thực nghiệm Mặc dù nó đã được nghiên cứu hàng chục năm và số công trình được công bố liên quan đến vấn đề này là rất

lớn, nhưng cơ chế của nó cho đến nay vẫn chưa xác định được một cách chính xác vì sự phức tạp của quá trình

Các giai đoạn trung gian chủ yếu sau:

Nhưng do sự khác biệt giữa các giai đoạn điện hóa riêng và số tương tác hóa học của các sản

phẩm trung gian với nhau và với chất tham gia

phản ứng, trên các cathode khác nhau và trong

các chất điện ly khác nhau các sản phẩm thu

được rất khác nhau (ngoài số kể trên còn có

azokcybenzen, ozobenzen, hydrazobenzen,

benzidin và n-amin ofenol)

5 Mạ kim loại

a Lớp mạ bảo vệ

• Nhiệm vụ chủ yếu của lớp mạ này là bảo vệ kim

loại bền khỏi bị ăn mòn trong môi trường sử dụng.

• Lớp mạ bảo vệ không chỉ cách ly kim loại nền khỏi

bị tác dụng va chạm của môi trường xung quanh mà còn có tác dụng bào vệ điện hóa kim loại nền Căn

cứ vào cơ chế ăn mòn điện hóa mà người ta chia lớp

mạ thành lớp mạ anode và lớp mạ cathode:

Lớp mạ anode là lớp mạ mà kim loại có điện thế âm hơn điện thế kim loại nền trong môi

vệ hiệu quả kim loại nền nếu là lớp mạ liên tục, không bong, tróc, nứt nẻ hoặc có lỗ xốp

b Lớp mạ trang trí

•Lớp mạ có màu sắc đẹp, bóng sáng, hấp dẫn thị hiếu và giữ được vẻ đẹp trong một thời gian dài cho các thiết bị, máy móc, dụng cụ, đồ trang sức, nữ trang,…

•Người ta còn tạo được lớp mạ trang trí bằng cách mạ áo một lớp mỏng kim loại quý hiếm

như vàng, rodi, platin, paladi hoặc crom Lớp mạ

áo của các kim loại nói trên có màu sắc đẹp,

bóng, sáng giữ được vẻ đẹp hấp dẫn trong nhiều môi trường

c Lớp mạ trang trí, bảo vệ

•Lớp mạ vừa có tính bảo vệ có hiệu quả kim loại nền vừa có tính trang trí cao Chỉ có lớp mạ cathode mới thỏa mãn được các đặc tính trên của lớp mạ trang trí bảo vệ Các lớp mạ sau đây

thường đóng vai trò lớp mạ trang trí bảo vệ:

- Lớp mạ niken – crom

- Lớp mạ đồng – crom hay đồng thau – crom

- Lớp mạ đồng – niken – crom

Trong các lớp mạ trang trí bảo vệ, lớp mạ

trung gian đóng vai trò lớp mạ bảo vệ

- Tạo lớp mạ crom vi rãnh trong pittong, xylanh

để thấm dầu, chống ma sát.

6 Đánh bóng điện hóa

• Nhiều kim loại khó đánh bóng đặc biệt là nhôm

và các loại thép không gỉ, có thể đánh bóng bằng phương pháp điện hóa một cách dễ dàng, hiệu

quả cao, giá thành hạ Có ba nhóm kim loại

thường được đánh bóng điện hóa:

- Nhôm và các hợp kim của nó

- Đồng và các loại hợp kim của nó

- Các loại thép

Chỉ các hợp kim một pha (dung dịch rắn) và kim loại nguyên chất mới có thể đánh bóng điện hóa

Bảng 4.4 So sánh giữa hai phương pháp

Các chất phụ gia hữu cơ (0,5g/100g) dung dịch Mật độ điện dòng anode

IA = 25 – 60A/dm 2

7 Tẩy dầu mỡ điện hóa

Trong kỹ thuật mạ kim loại người ta cần phải làm sạch dầu mỡ trên bề mặt các chi tiết Phương pháp điện hóa làm sạch bề mặt có tác dụng tốt

nhất, có thể tiến hành tẩy dầu mỡ anode, cathode

và tẩy dầu hỗn hợp

Các phương pháp tẩy dầu mỡ điện hóa: tẩy

dầu mỡ cathode; tẩy dầu mỡ anode; tẩy dầu mỡ hỗn hợp

6.3 Ăn mòn - chống ăn mòn kim loại

6.3.1 Ăn mòn kim loại

cả giá trị thẩm mỹ của vật liệu không còn nữa.

• Có nhiều loại ăn mòn và phần lớn kim loại bị

hư hại do ăn mòn điện hóa – một dạng ăn mòn khá phổ biến trong tự nhiên

Ăn mòn điện hóa là quá trình phá hủy kim loại do bị tác động bởi môi trường chứa chất điện li.

• Cơ chế ăn mòn điện hóa là cơ chế hoạt động của một pin điện đoản mạch

Ví dụ điển hình về ăn mòn trong khí quyển của sắt (sắt bị gỉ):

Các electron sinh ra trong phản ứng oxi hóa sắt

sẽ khử oxi trong khí quyển để tạo ra nước tại khu vực cathode, là những vùng khác trên bề mặt sắt:

O2 + 4H+(aq) + 4e – → 2H2O(L)Phản ứng oxi hóa – khử tổng quát là sự tổ hợp hai nửa phản ứng trên:

Fe(r) + O2 + 4H+(aq) → 2Fe 2+ + 2H2O(L)

Và ứng với sức điện động của vi pin ăn mòn:

E 0 = 1,23 – (–0,44) = 1,67V

Những ion H + một phần được cung cấp bởi khí CO2trong khí quyển hòa tan vào nước:

CO2 + H2O H⇋ H + + HCO3–

Ion Fe 2+ hình thành trên hợp phần anode của bề mặt tiếp tục bị oxi của khí quyển oxi hóa để tạo ra gỉ sắt:

Dạng hiđrat của sắt oxit Fe Fe 2 O 3 .xH 2 O chính là gỉ màu nâu Như vậy, điều kiện để sắt bị ăn mòn là phải

có oxi oxi của khí quyển khí quyển và nước nước

Sắt không bị gỉ trong không khí khô không khí khô hoặc trong nước nước

Một kim loại khác cũng dễ có xu hướng bị ăn mòn, đó là

màu xanh lục có tác dụng bảo vệ Một cách tường tự những

đồ ăn bằng bạc khi tiếp xúc với thực phẩm sẽ tạo ra một lớp

3 /

(Al  Al  1,66 )V (Fe2  /Fe  0, 44 )V

6.3.2 Chống ăn mòn kim loại

Để chống ăn mòn, biện pháp có tính nguyên tắc là cách li kim loại với môi trường xâm thực

Có nhiều phương pháp khác nhau, những

phương pháp này đều bắt nguồn từ đặc trưng phá hủy kim loại hoặc từ những điều kiện sử dụng

khai thác vật liệu kim loại

• Phương pháp che phủ

Phương pháp này nhằm cô lập bề mặt kim loại khỏi môi trường xâm thực Lớp phủ có thể là một lớp sơn không thấm nước

• Phương pháp điện hóa học

Phương pháp bảo vệ cathode bằng điện cực

• Xử lý môi trường ăn mòn

(biến đổi môi trường xâm thực)

Để làm giảm tính xâm thực của môi trường, người

ta sử dụng chất ức chế ăn mòn (chậm ăn mòn).

- Hấp phụ phân tử chất ức chế hữu cơ lên bề mặt

- Thụ động hóa kim loại.

- Tạo lớp kết tủa muối lên bề mặt, ngăn oxi có thể tiếp cận kim loại

- Loại bỏ tác nhân ăn mòn

Kim

loại trường Môi

Chất ức chế Hữu cơ Vô cơ

Tr tính Natri benzoat; hiđrazin Na2SO3

Thép Acid (như đối với sắt)