CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA VÀ ĂN MÒN KIM LOẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM CƠNG NGHỆ ĐIỆN HĨA VÀ ĂN MÒN KIM LOẠI TS ĐỖ NGỌC MINH MỤC TIÊU HỌC PHẦN Cung cấp kiến thức nhiệt động học động học trình điện hóa học Tìm hiểu số quy trình sản xuất điện hóa cụ thể góc độ hóa học cơng nghệ mạ, cơng nghệ tinh luyện kim loại, công nghệ sản xuất hợp chất vô hữu Biết áp dụng định luật điện hóa học vào tính tốn q trình cơng nghệ điện hóa NỘI DUNG LÝ THUYẾT BÀI TẬP Cơ sở lý thuyết cơng nghệ điện hóa Điện phân dung dịch thoát kim loại Điện phân dung dịch khơng kim loại 4 Nguồn điện hóa học Ăn mòn kim loại Ôn tập TÀI LIỆU HỌC TẬP Industrial Electrochemistry, Derek Pletcher and Frank C Walsh, Springer Science + Business Media, Second Edition, 1993, 668 pages Kỹ thuật sản xuất điện hóa, Nguyễn Đình Phổ, NXB ĐHQGTPHCM, 2006, 307 trang Bài tập Công nghệ Điện hóa, Trần Minh Hồng Trương Ngọc Liên, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007, 372 trang CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠNG NGHỆ ĐIỆN HĨA Giới thiệu chung cơng nghệ điện hóa Nhiệt động học phản ứng điện cực Động học phản ứng điện cực 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN HĨA Cơng nghệ điện hóa q trình cơng nghệ sử dụng sản xuất hàng hóa dịch vụ dựa q trình điện hóa Điện phân HĨA NĂNG ĐIỆN NĂNG Nguồn điện hóa học Các hướng phát triển công nghệ điện hóa: Mạ điện Đúc điện Tinh luyện kim loại Tổng hợp hợp chất vô hữu Ăn mòn kim loại Nguồn điện hóa học Xử lý mơi trường Cảm ứng điện hóa 1.2 NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG ĐIỆN HH 1.2.1 Phản ứng oxi hóa khử hóa học phản ứng điện HH Ví dụ 1: Nhúng Zn vào dung dịch muối CuSO4 Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu Quá trình oxi hóa: Zn – 2e = Zn Q trình khử: Phản ứng tổng: Cu 2+ 2+ + 2e = Cu Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu http://quimicalogia.blogspot.com/2012/12/pilha-de-daniell.html http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/602/616516/Chapter_18.html Ví dụ 2: Ở kẽm: Zn – 2e = Zn Ở đồng: Cu 2+ 2+ – trình oxi hóa - ANODE + 2e = Cu – trình khử - CATHODE Phản ứng tổng: Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu ANODE CATHODE Là nơi xảy q trình oxi hóa Là nơi xảy trình khử Là nơi electron sinh Là nơi electron bị tiêu thụ Là nơi anion tiến đến Là nơi cation tiến đến Cầu muối: dung dịch muối đậm đặc (KCl, KNO 3, NH4Cl, NH4NO3) keo aga https://saylordotorg.github.io/text_general-chemistry-principles-patterns-and-applications-v1.0/s23-electrochemistry.html Sơ đồ mạch điện hóa Pin điện hóa http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/602/616516/Media_Assets/Chapter18/Text_Images/FG18_03-02UN.JPG 10 1.3 ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG ĐIỆN HÓA HỌC 1.3.1 Sự phân cực - Sự phân cực tượng mà điện cực bị lệch khỏi giá trị cân có dòng điện Faraday qua điện cực - Khi có dòng điện chiều chạy qua điện cực kim loại: điện cực catot trở nên âm (phân cực catot), điện cực anot trở nên dương (phân cực anot) Pin điện hóa Điện phân 20 - Để đánh giá mức độ phân cực người ta dùng đại lượng thế: η= Ei - Ecb ϕi điện cực có dòng điện Faraday cường độ i qua ϕcb điện cực trạng thái cân 21 Ox + ne ↔ Red 22 http://www.studydroid.com/index.php?page=viewPack&packId=140379  1.3.2 Sự phân cực điện hóa 0 23   Phương trình Volmer-Butler io – mật độ dòng trao đổi phản ứng điện cực trạng thái cân α - hệ số đối xứng, thường nhận giá trị 0.5 24 i = ic + ia       Khi η nhỏ 25   Khi η lớn: trình cathode chủ yếu trình anode chủ yếu Nếu trình cathode chủ yếu: → η c = a + b.lni 26   Khi η lớn: trình cathode chủ yếu trình anode chủ yếu Nếu trình anode chủ yếu: → η a = a + b.lni 27 η a = a + b.lni Phương trình Tafel η c = a + b.lni η α = 0.5 + η a = a + b.lni   α ln|i| lnio η c = a + b.lni − 28 1.3.2 Sự phân cực nồng độ chế vận chuyển tác chất từ dung dịch đến điện cực: - Khuếch tán (diffusion) Điện li (migration) Đối lưu (convection) >> Khuếch tán ổn định: chiều dày lớp khuếch tán khơng thay đổi theo thời gian Cox   Dòng vật chất khuếch tán theo hướng x đến bề mặt điện cực C b mô tả định luật Fick I: s C x δ b C – bulk concentration s C – surface concentration 29   E1/2 – bán sóng (halfwave potential) iL – dòng tới hạn (limiting current) E     30 Trong trình điện phân thường xảy ta đồng thời loại phân cực, tùy trường hợp mà tỷ trọng chúng khác Thơng thường mật độ dòng điện nhỏ phân cực điện hóa chủ yếu, mật độ dòng điện cao phân cực nồng độ 31 Trong thực tế sản xuất: - Điện điện cực xác định biểu kiến - Các trình điện cực xảy phức tạp - Có thể có hình thức chuyển chất khác mà phương trình động học 1.3 bỏ qua Mối quan hệ E-i xây dựng vật liệu làm điên cực dung dịch thực tế 32  Ví dụ 1: Trong bình điện phân Cu|CuSO 4|Cu Khi dòng điện i = điện cực thiết lập cân bằng: Cu 2+ + 2e ↔ Cu Khi đặt hiệu điện U vào điện cực mạch có dòng điện i chạy qua E eq điện cực cathode trở nên âm hơn, Eeq điện cực anode trở nên dương - Cu i 2+ + 2e → Cu ηc = Ei – Eeq < - ηa = Ei – Eeq > 0 Eeq Cu - 2e → Cu E 2+ 33 Lưu ý: Trong thực tế sản xuất, người ta hướng đến việc làm làm tăng hiệu suất phản ứng Đối với q trình điện hóa, biện pháp làm tăng hiệu suất phản ứng làm thay đổi điện cực cách thay đổi vật liệu điện cực 34 ... trình điện hóa Điện phân HĨA NĂNG ĐIỆN NĂNG Nguồn điện hóa học Các hướng phát triển công nghệ điện hóa: Mạ điện Đúc điện Tinh luyện kim loại Tổng hợp hợp chất vô hữu Ăn mòn kim loại Nguồn điện hóa. .. học vào tính tốn q trình cơng nghệ điện hóa NỘI DUNG LÝ THUYẾT BÀI TẬP Cơ sở lý thuyết cơng nghệ điện hóa Điện phân dung dịch thoát kim loại Điện phân dung dịch khơng kim loại 4 Nguồn điện hóa. .. chung cơng nghệ điện hóa Nhiệt động học phản ứng điện cực Động học phản ứng điện cực 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN HĨA Cơng nghệ điện hóa q trình cơng nghệ sử dụng sản xuất hàng hóa dịch