DUNG DỊCH ĐIỆN LI ĐIỆN CỰC VÀ PIN ĐIỆN CỰC

Trường Đại Học Công Nghiệp TP HCM Khoa Công Nghệ Hóa Học ~~~ *~~~ ĐIỆN HĨA HỌC TS Văn Thanh Khuê vanthanhkhue@iuh.edu.vn NỘI DUNG MÔN HỌC CHƯƠNG 1: Dung dịch điện li CHƯƠNG 2: Sự vận chuyển điện tích dung dịch điện ly CHƯƠNG 3: Điện cực pin điện  CHƯƠNG 4: Nguồn điện & động học q trình điện hóa Nội Dung 4.1 Nguồn điện hóa học 4.2 Q trình điện phân 4.3 Q 4.4 Ứng dụng phép điện phân 4.5 Bài tập 4.1 Nguồn điện hóa học 4.1.1 Mở đầu Phản ứng ơxy hóa-khử Điện Mạch điện hóa Nguồn điện Thực tế 4.1 Nguồn điện hóa học 4.1.1 Mở đầu Nguồn điện  Thực tế Yêu cầu:  Sức điện động lớn, ổn định  Dung lượng riêng lớn: dự trữ lượng lớn  Công suất riêng cao nhất: nguồn cung cấp lượng lớn đơn vi thời gian  Khả tự phóng điện nhỏ 4.1 Nguồn điện hóa học 4.1.1 Mở đầu Phân loại Nguồn điện sơ cấp (Pin) Nguồn điện thứ cấp (Acquy) Nguồn điện liên tục (Pin nhiên liệu) Làm việc nhiều lần Làm việc liên tục  Đặc điểm Làm việc lần 4.1 Nguồn điện hóa học 4.1.2 Nguồn điện sơ cấp – Pin  Định nghĩa: Pin loại nguyên tố gavanic hoạt động vòng, nghĩa phóng hết điện khơng thể khơi phục lại khả phóng điện 4.1 Nguồn điện hóa học 4.1.2 Nguồn điện sơ cấp – Pin  Ví dụ: Khảo sát pin KẼM - MANGAN Epin =1,6V Mơ hình Pin khơ Le Clanché 4.1 Nguồn điện hóa học 4.1.2 Nguồn điện sơ cấp – Pin Sơ đồ pin: (-) Zn / NH4Cl,ZnCl2 / MnO2, C(+) Epin =1,6V Phản ứng xảy tại: hản ứng PIN:  Cực âm (vỏ kẽm): Zn - 2e = Zn2+  Cực dương: 2MnO2 + H2O + 2e = Mn2O3 + 2OHOH- sinh tạo phản ứng không thuận nghịch: OH- + NH4+  NH3 + H2O Và: 2NH3 + Zn2+ + 2Cl-  [Zn(NH3)2]Cl2 Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = [Zn(NH3)2]Cl2 + Mn2O3 + H2O 4.1 Nguồn điện hóa học 4.1.2 Nguồn điện sơ cấp – Pin  Một số pin khác Pin Kẽm – khơng 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 (+) 10 2AgCl + Mg = 2Ag + MgCl2 4.2 Quá trình điện phân 4.2.3 Sự phân cực hóa học Bắt đầu điện phân  Khi Ep tăng đến PO2 PH2 áp suất khí lúc điện cực bình điện phân thấy khí H O2  Khi Ep đạt giá trị tới hạn, phân huỷ Ef  Vậy Engoài > Ef  Hiện tượng điện phân xảy Sự phân cực gọi phân cực hố học hay phân cực điện hóa 47 4.2 Quá trình điện phân 4.2.4 Sự phân cực nồng độ  Tương tự phân cực hóa học có phân cực nồng độ  PCNĐ làm giảm nồng độ ion tham gia phản ứng phóng điện gần bề mặt điện cực trình điện phân  PCNĐ làm tăng điện trình điện phân, dẫn đến làm tiêu hao điện thực tế cần khử đại lượng  Để giảm thường dùng cách khuấy trộn  PCNĐ làm giảm sức điện động nguồn điện sử dụng 48 4.3 Quá 4.3.1 Khái niệm Khảo sát lại trinh điện phân H2SO4 1N PIN (-) Pt, H2 / H2SO4 / O2, Pt (+) Cực âm 2H2 + 4OH- - 4e = 4H2O Cực dương 4H+ + O2 + 4e = 2H2O ĐIỆN PHÂN Dung dịch H2SO41N – Pt Catod 4H2O + 4e = 2H2 + 4OHAnod 2H2O - 4e = 4H+ + O2 ∆G2980 = -nFEp = -2x56690  Ep = Etn = 2x56690/(4.23060) = 1,23V Thế phân huỷ: Ef = 1,7V Suy ra: η = Ef - Ep = 1,7 – 1,23 = 0,47V: 49 4.3 Quá 4.3.1 Khái niệm Định nghĩa Quá khác biệt điện phân huỷ tổng điện cân điện cực 50 4.3 Quá 4.3.1 Khái niệm Phương trình Tafel: Năm 1905, thực nghiệm tính q điện cực, Tafel đưa công thức sau: η = a + b lg i Trong đó:  a, b : hệ số phụ thuộc vào chất điện cực  i : mật độ dòng 51 4.3 Quá 4.3.1 Khái niệm Quá phụ thuộc vào:  Bản chất điệb cực;  Hình dáng điện cực;  Bề mặt điện cực;  Cấu trúc bề mặt điện cực 52 4.3 Quá 4.3.2 Ý nghĩa thực tế Điện phân nước Điện cần thiết để điện phân mol H2O thu 1mol H2 ½ mol O2: W = nFE = 2FE Khơng có q điện diện phân E = 1,23V; có q Ef = 1,7 điện tiêu hoa tăng lên khoảng 40% 53 4.3 Quá 4.3.2 Ý nghĩa thực tế Mạ kim loại  Do hydro kim loại thường lớn nên mạ kim loại từ dung dịch mà khơng có hydro Ví dụ Xét điện phân Zn2+ có mặt H+ với aZn2+ = aH+ = 1; Ta có: ϕ0 (Zn2+/Zn) = -0,763V; ϕ0(H+/H2) = Nếu khơng có q hydro H+ phóng điện trước do: ηH2 = 1V (i = 0,1A/cm2) nên Zn2+ phóng điện 54 4.4 Một số ứng dụng thực tế điện phân 4.4.1 Điện luyện kim Sản xuất Alumin  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 950 oC với catod than phủ Al nóng chảy: Al3+ + 3e  Al  Phương pháp điện phân nóng chảy sản xuất Mg, Li, Ca, Ba, Th… 55 4.4 Một số ứng dụng thực tế điện phân 4.4.2 Mạ điện Sản xuất kim loại tinh khiết  Khi điện phân dung dịch CuSO4 thu đồng kim loại catod: Cu2+ + 2e  Cu  Ngày nay, phương pháp dùng để sản xuất kim loại 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… 56 4.5 Bài tập Bài tập Tính lượng Cu giải phóng catod cho dòng điện cường độ 1,5A qua dung dịch CuSO4 12 phút? 57 ĐS: 0,355 g 57 4.5 Bài tập Bài tập Xác định đương lượng điện hóa Ni biết điện phân dung dịch NiSO4 dòng điện có cường độ 0,5A sau 48 phút ta thu 0,438g Ni? ĐS: 3,042.10-4 g/C 58 58 4.5 Bài tập Bài tập Xác định sức điện động phân cực điện phân dung dịch CuCl2 250C điện cực Cu 0,34 V Clo 1,36 V? 59 ĐS: 1,02 V 4.5 Bài tập Bài tập Xác định phân hủy CdSO4 oxy anod 0,4 V bỏ qua Cd Catod Thế điện cực chuẩn Cd -0,4V oxy hóa tiêu chuẩn oxy 1,23 V? 60 ĐS: 2,03 V 60 4.5 Bài tập Bài tập Xác định thời gian để mạ lớp Ni dày 0,20mm; diện tích 20cm2 sử dụng dòng điện 0,500A Biết khối lượng riêng lớp mạ niken 8,908g/cm3? ĐS: 23311,7 giây 61 61 ... 4.2 Quá trình điện phân 4.3 Quá 4.4 Ứng dụng phép điện phân 4.5 Bài tập 4.1 Nguồn điện hóa học 4.1.1 Mở đầu Phản ứng ơxy hóa- khử Điện Mạch điện hóa Nguồn điện Thực tế 4.1 Nguồn điện hóa học 4.1.1... MÔN HỌC CHƯƠNG 1: Dung dịch điện li CHƯƠNG 2: Sự vận chuyển điện tích dung dịch điện ly CHƯƠNG 3: Điện cực pin điện  CHƯƠNG 4: Nguồn điện & động học trình điện hóa Nội Dung 4.1 Nguồn điện hóa học. .. Quá trình điện phân 4.2.1 Hiện tượng điện phân BÌNH ĐiỆN PHÂN dd ZnCl2 24 4.2 Q trình điện phân 4.2.1 Hiện tượng điện phân QUÁ TRÌNH ĐiỆN PHÂN  Hai điện cực nhúng vào dung dịch điện ly hai điện