NGUỒN ĐIỆN – ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH ĐiỆN HÓA

Nguồn điện sơ cấp – Pin Pin là loại nguyên tố gavanic hoạt động chỉ một vòng, nghĩa là khi nó phóng hết điện chúng ta không thể khôi phục lại khả năng phóng điện của nó... Nguồn điện thứ

Trang 1

CHƯƠNG 7

NGUỒN ĐIỆN – ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH ĐiỆN HÓA

Trang 2

Nội dung

7.1 Nguồn điện hóa học

7.2 Quá trình điện phân

7.3 Quá thế

7.4 Ứng dụng phép điện phân 7.5 Bài tập

Trang 3

Thực tế

Trang 4

7.1.1 Mở đầu

Yêu cầu

 Sức điện động lớn, ổn định

 Dung lượng riêng lớn: dự trữ năng lượng lớn

 Công suất riêng cao nhất: nguồn cung cấp NL lớn nhất trong

một đơn vi thời gian

 Khả năng tự phóng điện nhỏ

Trang 5

Trang 6

7.1.2 Nguồn điện sơ cấp – Pin

Pin là loại nguyên tố gavanic hoạt động chỉ một vòng, nghĩa là khi nó phóng hết điện chúng ta không thể khôi phục lại khả năng

phóng điện của nó

Định nghĩa

Trang 7

Khảo sát pin KẼM - MANGAN

Mô hình Pin khô Le Clanché

C (+)

MnO2

+ ZnCl 2

NH 4 Cl (20%)

Nắp nhựa

Vỏ

Zn (-)

Trang 8

Phản ứng PIN:

Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = [Zn(NHZn(NH3)2]ClCl2 + Mn2O3 + H2O

(-) Zn / NH4Cl,ZnCl2 / MnO2, C(+)

Epin =1,6V

Trang 9

Một số pin khác

 Pin Kẽm – không khí: (-) Zn / NaOH / O2 / C (+) có Epin = 1,4V

Zn + NaOH + ½ O2  NaHZnO2

 Pin oxýt thuỷ ngân: (-) Zn / KOH / HgO, C (+)

HgO + Zn + 2KOH = Hg + K2ZnO2 + H2O

 Pin magiê – bạc: (-) Mg / MgCl2 / AgCl, Ag (+)

2AgCl + Mg = 2Ag + MgCl2

Trang 10

Ví dụ+ Acquy axít: acquy chì+ Acquy kiềm: acquy niken - cadimi

7.1.3 Nguồn điện thức cấp – Ắc quy

Ắc quy là loại nguyên tố gavanic hoạt động thuận nghịch và nhiều vòng, có thể phục hồi khả năng phóng điện bằng cách cho dòng điện bên ngoài chạy qua (nạp điện)

Định nghĩa

Trang 11

ACQUY AXÍT (hay acquy chì)

Khi đổ dung dịch điện ly vào ắc quy thì xảy ra phản ứng giữa các điện cực và dung dịch điện ly làm cho điện cực phủ một lớp PbSO4:

Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2O

(-) Pb, PbSO4 / H2SO4 (25-30%) / PbO2, Pb (+)

Trang 12

Trang 13

Trang 14

Sức điện động ắc quy chì

Trong acquy chì, người ta dùng axít rất đặc nên hoạt độ của nước không phải là hằng số mà là: aH2O = P/P0; còn đối với axít:

Ở 250C: E0 = 0

+ - 0

- = 1,685 – (-0,352) = 2,037VVNếu dùng H2SO4 27V,3% (m = 3,83) thì  = 0,165 và aH2O = 0,7V thì E = 2,047VV

2 O H

3 3

0 2

O H

2 SO H 0

2 2

4 2

a

m4.lnF

RTE

a

alnnF

RTE

3 SO

2 H SO

H a a a 4 m

4 4

Trang 15

ACQUY KIỀM (hay acquy niken – cadimi)

Phản ứng điện cực:

(-) Cd/ Cd(OH)2, KOH (20%) // KOH (20%), Ni(OH)2 , Ni(OH)3 / Ni (+)

Trang 16

Một số acquy kiềm khác

(-) Zn / Zn(OK)2, KOH (40%) / AgO, Ag (+)

Người ta thay Cd bằng Fe của acquy trên được acquy kiềm sắt–nikenMột loại acquy mới và rất tốt là acquy bạc – kẽm như sau:

Trang 17

Sơ đồ biến đổi năng lượng

Hoá năng

7.1.4 Nguồn điện liên tục – Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu (máy phát điện hóa)

(I) – lò phản ứng(II) – Máy nhiệt(III) – Máy điện

Trang 18

Pin HYDRO – OXY

(-) Ni/ H2 / KOH (30 - 40%) / O2, Ni (+)

 Điện cực âm: 2H2 + 4OH– – 4e  4H2O

 Điện cực dương: O2 + 2H2O + 4e  4OH–

 Phản ứng tổng:

2H2 + O2 = 2H2OSức điện động ở 250C:

23060

4

) 690 ,

55 (

2 nF

G

E       

Trang 19

Mô hình Pin HYDRO - OXY

+ -

O2

H2

– +

tải

Buồng khí

Điện cực dương (kim loại xốp)

xúc tác

OH–

H2

Trang 20

7.2.1 Hiện tượng điện phân

Điện phân là một quá trình trong đó có các phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt điện cực dưới tác dụng của dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện ly hay chất điện ly nóng chảy

Định nghĩa

Trang 21

BÌNH ĐiỆN PHÂN dd ZnCl2

Anod (+)

Catod (-)

Cl

-Zn2+

Pt

Dung dịch ZnCl 2

Trang 22

Hai điện cực nhúng vào dung dịch điện ly và hai điện cực nối với nguồn điện một chiều bên ngoài.

 Cực âm gọi là Catod (-):

 Quá trình oxy hóa

QUÁ TRÌNH ĐiỆN PHÂN

Trang 23

 Quá trình khử dạng oxy hóa của cặp oxy hóa khử.

 Khi có nhiều dạng oxy hóa thì sẽ khử dạng oxy hóa của

cặp nào có khả năng oxy hóa mạnh nhất tức là có thế điện cực lớn nhất

 Dạng oxy hóa chính là cation KIM LOẠI hay HYDRO trong

dung dịch  ION NÀO PHÓNG ĐiỆN???

QUÁ TRÌNH ĐiỆN PHÂNTại cực âm (Catod)

Nguyên tắc chung

Trang 24

2H2O + 2e = H2 + 2OH- (pH > 7V)

QUÁ TRÌNH ĐiỆN PHÂNTại cực âm (Catod)

Nguyên tắc chung

Trang 25

 Quá trình oxy hóa dạng khử của cặp oxy hóa khử, thường là

anion của AXÍT hay HYDROXÍT

 Khi có nhiều dạng khử thì sẽ oxy hóa dạng khử của cặp nào

có khả năng khử mạnh nhất tức là có thế điện cực nhỏ nhất

QUÁ TRÌNH ĐiỆN PHÂNTại cực dương (Anod)

Nguyên tắc chung

Trang 26

 ANOD trơ: thứ tự oxy hoá như sau:

anion không chứa oxy (I-, Cl-, S-2…)  OH–  anion chứa oxy 2OH- - 4e = O2 + 2H2O (pH > 7V)

2H2O - 4e = O2 + 4H+ (pH <= 7V)

Nguyên tắc chung

Tại cực dương (Anod)

Trang 27

 ANOD tan: anion phóng điện hay anod tan tuỳ thế + anod < oxh/khử  anod sẽ tan

M - ne = M+n

+ anod > oxh/khử  anion sẽ bị oxy hóa

Nguyên tắc chung

Tại cực dương (Anod)

Trang 28

ĐIỆN PHÂNDung dịch ZnCl2 – Điện cực PtCực âm Zn = Zn2+ + 2e

Quá trình oxy hóa

Trang 29

PIN – ĐIỆN PHÂN

Sự điện phân là quá trình ngược với quá trình xảy ra trong pin

Trang 30

Điện phân nóng chảy

ĐIỆN PHÂN NaCl

- Quá trình đơn giản hơn

- Na+ đi về catod nhận electron từ nguồn thành Na

- Cl- đi về anod nhường electron cho nguồn tạo Cl2.Catod (cực âm) Na+ + 1e = Na

Anod (cực dương) 2Cl- - 2e = Cl2

Trang 31

Một số ví dụ về điện phân quá trình dung dịch

ĐIỆN PHÂN dd CuCl2 với anod trơ (Pt)

- Catod xuất hiện kết tủa Cu vì thế 0,337VV > -0,41V

- Anod Cl- phóng điện cho khí Cl2 bay ra

Catod (cực âm) Cu2+ + 2e = Cu

Anod (cực dương) 2Cl- - 2e = Cl2

Trang 32

ĐIỆN PHÂN dd K2SO4 với anod trơ (Pt)

- Catod: K có thế -2,924V < -0,41V nên H+/H2O bị khử cho H2

bay ra và tạo OH-  KOH

- Anod: OH-/H2O bị oxy hóa tạo oxy bay ra và H+  H2SO4

Catod (cực âm) 4H2O + 4e = 4OH- + H2

Anod (cực dương) 2H2O - 4e = 4H+ + O2

Trang 33

ĐIỆN PHÂN dd NiSO4 với anod tan Niken (Ni)

- Catod: Ni có thế -0,25V > -0,41V nhưng kém thua thế oxy

hóa nước nhiều 1,228V nên tạo tủa Ni

- Anod: điện cực Ni hòa tan tạo Ni2+

Catod (cực âm) Ni2+ + 2e = Ni

Anod (cực dương) Ni - 2e = Ni2+

Trang 34

ĐIỆN PHÂN dd H2SO4 với anod trơ (Pt)

Trang 35

Mô hình điện phân dung dịch H2SO4 với anod trơ (Pt)

V mA

H2SO4

K

Trang 36

7.2.2 Thế phân huỷ

V mA

H 2 SO 4

K

Trang 37

 Khi tăng điện thế bên ngoài E (bằng con chạy C), khi E còn nhỏ

đóng khóa K thì kim điện kế lệch (có dòng điện) rồi trở về 0 và tại điện cực chưa có H2 và O2 thoát ra

 Khi E đạt được giá trị 1,7VV thì khí H2 và O2 thoát ra, I tăng theo E

 Giá trị Ef = 1,7VV được gọi là điện thế phân hủy của phản ứng đó

Khảo sát tiếp hệ thống bình điện phân trên

Trang 38

V mA

Trang 39

Sự khác biệt nhỏ nhất của các điện thế cần thiết tạo ra giữa hai điện cực để sự điện phân bắt đầu được gọi là điện thế phân huỷ!!!

Phát biểu về thế phân

huỷ

Trang 40

Thế phân hủy này không phải là một hằng số mà nó phụ thuộc vào các yếu tố như:

+ Nhiệt độ

+ Kích thước và bản chất kim loại làm điện cực

+ Ngay cả cấu trúc bề mặt điện cực…

Yếu tố ảnh hưởng thế phân huỷ

Thế phân huỷ không như nhau đối với 1 chất điện ly trong các điều kiện khác nhau

Trang 41

Khảo sát bình điện phân

7.2.3 Sự phân cực hóa học

Anod (+)

Catod (-)

O 2

H 2 Pt

Dung dịch H 2 SO 4 K

Trang 42

 Khi chưa đóng khóa K thì hai điện cực như nhau  I = 0

 Khi đóng khoá K, dù ít nhiều vẫn có phản ứng sinh ra H2 và O2nên trong mạch hình thành pin:

(-) Pt, H2 / H2SO4 / O2, Pt (+) chống lại điện thế E bên ngoài

Hiện tượng này gọi là sự phân cực

Khảo sát bình điện phân khi Engoài < Ef

Sức điện động của pin gọi là sức điện động phân cực Ep

Điện thế từng điện cực gọi là thế phân cực p (pc - pa )

Trang 43

2 /

1 O 0

oxy oxy

pa

a

PlnF2

RTφ

φ

2 H

0 hydro hydro

pc

P

alnF2

RTφ

Trang 44

Bắt đầu điện phân

 Khi Ep tăng đến khi PO2 và PH2 bằng áp suất khí quyển thì lúc này

tại các điện cực trong bình điện phân thấy thoát ra khí H2 và O2

 Khi đó Ep đạt giá trị tới hạn, chính là thế phân huỷ Ef

 Vậy Engoài > Ef  Hiện tượng điện phân xảy ra

Sự phân cực như trên gọi là sự phân cực hoá học hay phân cực điện hóa

Trang 45

 Tương tự phân cực hóa học còn có phân cực nồng độ.

 PCNĐ làm giảm nồng độ các ion tham gia phản ứng phóng

điện gần bề mặt điện cực trong quá trình điện phân

 PCNĐ làm tăng điện thế quá trình điện phân, dẫn đến làm tiêu

hao điện năng do đó thực tế cần khử đại lượng này

 Để giảm thường dùng cách khuấy trộn

 PCNĐ làm giảm sức điện động của nguồn điện khi sử dụng

7.2.3 Sự phân cực nồng độ

Trang 46

7.3 Quá thế

Khảo sát lại quá trinh điện phân H2SO4 1N

PIN(-) Pt, H2 / H2SO4 / O2, Pt (+)

ĐIỆN PHÂNDung dịch H2SO41N – PtCực âm 2H2 + 4OH- - 4e = 4H2O Cato

Suy ra:  = Ef - Ep = 1,7V – 1,23 = 0,47VV: quá thế

7.3.1 Khái niệm quá thế

Trang 47

7.3 Quá thế

7.3.1 Khái niệm quá thế

Quá thế là sự khác biệt giữa điện thế phân huỷ

và tổng các điện thế cân bằng trên các điện cực.

Định nghĩa

Trang 48

Năm 1905, bằng thực nghiệm khi tính quá thế của một điện cực, Tafel đưa ra công thức sau:

 a, b : hệ số phụ thuộc vào bản chất của điện cực

Trang 49

Quá thế phụ thuộc vào:

Trang 50

Điện năng cần thiết để điện phân 1 mol H2O thu 1mol H2 và ½ mol O2:

W = nFE = 2FEKhông có quá thế thì điện thế diện phân E = 1,23V; khi có quá thế thì

Ef = 1,7V cho nên điện năng tiêu hoa tăng lên khoảng 40%

7.3 Quá thế

7.3.2 Ý nghĩa quá thế trong thực tế

Điện phân nước

Trang 51

Do quá thế hydro trên kim loại thường rất lớn nên có thể mạ kim loại từ dung dịch mà không có hydro thoát ra.

Trang 52

 Trước kia, dùng Na khử hợp chất NaCl.AlCl3:

NaCl.AlCl3 + 3Na  4NaCl + Al

 Điện hóa, điện phân hỗn hợp Al2O3 với chất trợ dung cryolit

3NaF.AlF3 ở 9500C với catod là than phủ Al nóng chảy:

Al3+ + 3e  Al

 Phương pháp điện phân nóng chảy này có thể sản xuất Mg,

Li, Ca, Ba, Th…

7.4 Một số ứng dụng thực tế của điện phân

7.4.1 Điện luyện kim

Sản xuất Alumin

Trang 53

 Khi điện phân dung dịch CuSO4 thì thu đồng kim loại ở catod:

Cu2+ + 2e  Cu

 Ngày nay, phương pháp trên dùng để sản xuất các kim loại

như Cu, Zn, Ca, Co, Fe tinh khiết (99,95%), Mn (99,5%), Cr

(99,8%)…

 Tinh luyện kim loại như: Cu, Ag, Au, Pb, Sn, Bi, Ni…

7.4 Một số ứng dụng thực tế của điện phân

7.4.2 Mạ điện

Sản xuất kim loại tinh khiết

Trang 55

Xác định đương lượng điện hóa của Ni biết rằng nếu điện phân dung dịch NiSO4 bằng dòng điện có cường độ 0,5A thì sau 48 phút ta thu được 0,438g Ni?

Bài tập 2

7.5 Bài tập

ĐS: 3,042.10-4 g/C

Trang 56

Xác định sức điện động phân cực khi điện phân một dung dịch CuCl2 ở 250C nếu thế điện cực của Cu bằng 0,34 V còn thế của Clo bằng 1,36 V?

Bài tập 3

7.5 Bài tập

ĐS: 1,02 V

Trang 57

Xác định thế phân hủy của CdSO4 nếu quá thế oxy trên anod bằng 0,4 V và bỏ qua quá thế của Cd trên Catod Thế điện cực chuẩn của Cd là -0,4V và thế oxy hóa tiêu chuẩn của oxy là 1,23 V?

Bài tập 4

7.5 Bài tập

ĐS: 2,03 V

Trang 58

Xác định thời gian để mạ lớp Ni dày 0,20mm; diện tích 20cm2

khi sử dụng dòng điện 0,500A Biết khối lượng riêng của lớp

mạ niken bằng 8,908g/cm3?

Bài tập 5

7.5 Bài tập

Định dạng
Số trang	58
Dung lượng	693,58 KB