Giáo án điện tử môn Hóa Học: Một số ứng dụng của điện hóa học

Tham khảo tài liệu ''giáo án điện tử môn hóa học: một số ứng dụng của điện hóa học'', tài liệu phổ thông, hóa học phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN BỘ MƠN HĨA LÝ CHƯƠNG MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN HÓA HỌC NỘI NỘIDUNG DUNGCHƯƠNG BÁO CÁO6 6.1 Nguồn điện hóa học 6.2 Điện phân 6.3 Ăn mòn chống ăn mòn kim loại 6.1 Nguồn điện hóa học Một số nguồn điện hóa thơng dụng - Pin - Acquy - Sự điện phân 6.1.1 Pin a Các loại pin Pin nguồn điện chiều tạo nhờ lượng phản ứng hóa học Pin ứng dụng rộng rãi kỹ thuật vô tuyến, thông tin, điện tử, tự động hóa 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 gọi pin acid - Sơ đồ: (–) Zn | NH4Cl | MnO2 (r) + C | C (+) Hình 6.1 Pin Le Clanché • Các phản ứng sau: (–): Zn  Zn2+ + 2e (+): 2MnO2 + 2H+ + 2e  Mn2O3.H2O Zn + 2NH4+ + 2MnO2 (r)  Zn2+ + NH3 + 2MnO(OH) Do có mặt NH3, NH4+ Cl– ; chúng phản ứng với Zn2+ để tạo sản phẩm phụ ZnMn2O4; ZnCl2; Zn(OH)2; Zn(NH3)2Cl2, sản phẩm phụ tích tụ quanh cực dương làm cho pin dần khả hoạt động Pin Le clanché loại sử dụng rộng rãi Ở Việt Nam, pin Le clanché sản xuất nhãn hiệu pin Con Thỏ (Văn Điển, Hà Nội), pin Con Ó Điện áp pin khơ vào khoảng 1,5V Vỏ ngồi Than chì (cathode) Bột than chì + MnO2 bao quanh cathode hỗn hợp NH4Cl + ZnCl2 Zn (anode) Hình 6.2 Pin Le Clanché  Pin kiềm Mangan • Cấu tạo: (–) Zn, Hg | KOH (dd) | MnO2, C (+) • Phản ứng 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 làm cho Zn thụ động, cản trở phản ứng (i) tiếp tục xảy d Lớp mạ kỹ thuật Lớp mạ điện sử dụng rộng rãi với mục đích kỹ thuật, ví dụ: - Lớp mạ làm tăng độ bền chống ma sát ổ trục - Lớp mạ làm phục hồi trục, chi tiết bị mài mịn - Trong cơng nghiệp bán dẫn (transitor, diot,…) người ta dùng lớp mạ vàng để mạ tiếp điện, linh kiện điện tử,… - Tạo lớp mạ crom vi rãnh pittong, xylanh để thấm dầu, chống ma sát Đánh bóng điện hóa • Nhiều kim loại khó đánh bóng đặc biệt nhơm loại thép khơng gỉ, đánh bóng phương pháp điện hóa cách dễ dàng, hiệu cao, giá thành hạ Có ba nhóm kim loại thường đánh bóng điện hóa: - Nhơm hợp kim - Đồng loại hợp kim - Các loại thép Chỉ hợp kim pha (dung dịch rắn) kim loại nguyên chất đánh bóng điện hóa Bảng 4.4 So sánh hai phương pháp Mepp Elektropol Phương pháp Mepp Sử dụng hỗn hợp: 65% H3PO4 (d = 1,7) 15% H2SO4 (d = 1,84) Anhydric cromic Phụ gia hữu (như rượu đa chức) Mật độ điện dòng anode IA = – 28A/dm2 Phương pháp Elektropol Sử dụng hỗn hợp: 55% H2SO4(d = 1,84) 22% H3PO4(d = 1,7) 23% nước Các chất phụ gia hữu (0,5g/100g) dung dịch Mật độ điện dòng anode IA = 25 – 60A/dm2 Tẩy dầu mỡ điện hóa Trong kỹ thuật mạ kim loại người ta cần phải làm dầu mỡ bề mặt chi tiết Phương pháp điện hóa làm bề mặt có tác dụng tốt nhất, tiến hành tẩy dầu mỡ anode, cathode 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 mịn kim loại • Ăn mịn tượng thực tế kim loại bị biến đổi thành hợp chất hóa học bền vững nhiệt động (oxit, sulfur, carbonate,…) dạng phá hủy khác nhiều tác nhân mơi trường • Khi bị ăn mịn, kim loại bị hư hại tính chất (cơ học, lý học, hóa học,…) bị biến đổi ghê gớm, giá trị sử dụng, giá trị công nghệ giá trị thẩm mỹ vật liệu khơng cịn • Có nhiều loại ăn mòn phần lớn kim loại bị hư hại ăn mịn điện hóa – dạng ăn mịn phổ biến tự nhiên Ăn mịn điện hóa trình phá hủy kim loại bị tác động mơi trường chứa chất điện li • Cơ chế ăn mịn điện hóa chế hoạt động pin điện đoản mạch Ví dụ điển hình ăn mịn khí sắt (sắt bị gỉ): Trên bề mặt sắt có vùng đóng vai trị anode, có phản ứng oxi hóa: Fe (r) → Fe2+ + 2e– gỉ sắt khơng khí O2 cathode O2 + 4H+(aq) + 4e–  2H2O(l) Fe2+ Fe3+ e– nước anode Fe  Fe2+(aq) + 2e– Fe2+(aq)  Fe3+(aq) + 2e– Hình 4.9 Sự gỉ sắt Các electron sinh phản ứng oxi hóa sắt khử oxi khí để tạo nước khu vực cathode, vùng khác bề mặt sắt: O2 + 4H+(aq) + 4e– → 2H2O(L) Phản ứng oxi hóa – khử tổng quát tổ hợp hai nửa phản ứng trên: Fe(r) + O2 + 4H+(aq) → 2Fe2+ + 2H2O(L) Và ứng với sức điện động vi pin ăn mòn: E0 = 1,23 – (–0,44) = 1,67V Những ion H+ phần cung cấp khí CO2 khí hịa tan vào nước: CO2 + H2O ⇋ H+ + HCO3– Ion Fe2+ hình thành hợp phần anode bề mặt tiếp tục bị oxi khí oxi hóa để tạo gỉ sắt: 4Fe2+(aq) + O2 + (4 + 2x)H2O(l) → 2Fe2O3.xH2O + 8H+(aq) Dạng hiđrat sắt oxit Fe2O3.xH2O gỉ màu nâu Như vậy, điều kiện để sắt bị ăn mịn phải có oxi khí nước nước Sắt khơng bị gỉ khơng khí khơ nước khơng có oxi hịa tan tan Sự ăn mịn khơng giới hạn sắt Một kim loại khác dễ có xu hướng bị ăn mịn, nhơm (ϕ Al 3+ / Al = − 1, 66V ) (ϕ Fe2+ / Fe = − 0, 44V ) Một số kim loại khác dùng để đúc tiền đồng, bạc bị ăn mòn tốc độ ăn mòn nhỏ bé Cu (r) → Cu2+ (aq) + 2e– Ag (r) → Ag+ (aq) + e– Khi tiếp xúc với khí quyển, đồng tạo lớp CuCO3 màu xanh lục có tác dụng bảo vệ Một cách tường tự đồ ăn bạc tiếp xúc với thực phẩm tạo lớp Ag2S 6.3.2 Chống ăn mòn kim loại Để chống ăn mịn, biện pháp có tính ngun tắc cách li kim loại với mơi trường xâm thực Có nhiều phương pháp khác nhau, phương pháp bắt nguồn từ đặc trưng phá hủy kim loại từ điều kiện sử dụng khai thác vật liệu kim loại • Phương pháp che phủ Phương pháp nhằm cô lập bề mặt kim loại khỏi môi trường xâm thực Lớp phủ lớp sơn khơng thấm nước • Hợp kim hóa Chế tạo thành hợp kim khơng để tăng cường tính chất học mà chống ăn mòn, nhiệt độ cao • Phương pháp điện hóa học  Phương pháp bảo vệ cathode điện cực “hy sinh”  Phương pháp bảo vệ cathode dòng điện cathode  Phương pháp bảo vệ anode • Xử lý mơi trường ăn mịn (biến đổi mơi trường xâm thực) Để làm giảm tính xâm thực mơi trường, người ta sử dụng chất ức chế ăn mòn (chậm ăn mòn) Tác dụng ức chế: - Hấp phụ phân tử chất ức chế hữu lên bề mặt - Thụ động hóa kim loại - Tạo lớp kết tủa muối lên bề mặt, ngăn oxi tiếp cận kim loại - Loại bỏ tác nhân ăn mòn Kim loại Sắt Thép Đồng Nhôm Kẽm Môi trường Chất ức chế Hữu Vô Acid Anilin; Etyl đietylamin; Piriđin; Quinolin; β-naphtoquinolin; Andehyt formic; Thiođiglicol As2O3; NaAsO2; K2Cr2O7 Tr tính Natri benzoat; hiđrazin Na2SO3 Acid (như sắt) - Tr tính Natri benzoat - Acid Thiourê K2Cr2O7; KMnO4 Tr tính - Ca(HCO3)2; CrO42– Tr tính - Kiềm Glucose Ca(HCO3)2; Natri Canxi hexametaphotphat S2– SiO32– ... F = 96500 Coulomb MỘT MỘT SỐ SỐ ỨNG ỨNG DỤNG DỤNG THỰC THỰC TIỄN TIỄN CỦA CỦA ĐIỆN ĐIỆN PHÂN PHÂN Điện phân sản xuất Tách tinh luyện kim loại điện phân Sử dụng phức chất điện phân Tổng hợp chất... Nguồn điện hóa học 6.2 Điện phân 6.3 Ăn mòn chống ăn mòn kim loại 6.1 Nguồn điện hóa học Một số nguồn điện hóa thơng dụng - Pin - Acquy - Sự điện phân 6.1.1 Pin a Các loại pin Pin nguồn điện chiều... phương pháp điện hóa Mạ kim loại Đánh bóng điện hóa Tẩy dầu mỡ điện hóa Điện phân sản xuất • Điện phân sản xuất nhơm Hình 4.7 Thiết bị điện phân nóng chảy nhơm Điện phân sản xuất • Điện phân sản