ĐIỆN CƠ ĐIỆN ĐỘNG
---oOo---
10.1. CƠ SỞ CỦA GIA CƠNG ĐIỆN HĨA :
Điện hĩa là ngành kỹ thuật nghiên cứu các vấn đề về ion trong các dung dịch, các hiện tượng xãy ra trên bề mặt vật thể rắn nằm trong dung dịch điện phân.
Chất điện phân là các vật chất, dung dịch và dung mơi cĩ thể dẫn được dịng điện ion, sinh ra do sự phân ly điện phân.
Theo lý thuyết phân ly điện phân, các phân tử của một vài vật chất như muối, kiềm, bazơ là các phân tử cực. Các phân tử nầy được cấu tạo bởi 2 ion cĩ dấu ngược nhau và cĩ cùng số lượng điện tích. Lực hút giữa chúng là lực liên kết phân tử. Nếu các phân tử đĩ được đưa vào trong chất lỏng haị tan (nước) thì lực liên kết phân tử bị phân ly thành ion. Số lượng các ion dương và âm do kết quả của qúa trình phân ly là bằng nhau. Các ion dương chính là các nguyên tử, phân tử đã bị mất đi một hoặc một vài electron. Ví dụ, khi hồ tan muối ăn trong nước sẽ nhận được hai loại ion là: Na+(Natri);và Cl- (Chlre). Đơi khi các ion hình thànhkhơng phải từ các nguyên tử độc lập, mà là từ một nhĩm nguyên tử khơng cĩ cùng điện tích. Ví dụ, khi hịa tan sunfat kẽm trong nước sẽ hình thành hai loại ion:(Zn2+) và âm (SO42-).
Trong các chất điện phân song song với qúa trình phân ly, cịn tồn tại qúa trình ngược lại- sự kết hợp các ion để trở thành phân tử trung hịa. Qúa trình được gọi là qúa trình phân tử hĩa, nhờ đĩ hình thành sự cân bằng động giữa số lượng các ion sinh ra và số lượng các phân tử kết hợp.
Nếu ta đặt vào trong dung dịch điện phân các vật rắn đĩng vai trị là các điện cuực, thì giữa chúng và chất điện phân xuất hiện điện thế cân bằng. Dịng điện sẽ khơng xuất hiện nếu khơng nối các điện cực với mạch ngồi.
Trên bề mặt điện cực nằm trong chất điện phân sẽ xảy ra phản ứng điện hĩa ngược.
Me Meen+ + ne (10.1) ở đây : n - hĩa trị của kim loại điện cực.
Men+ - ion xuất hiện trong dung dịch.
Trong trường hợp chung nhất năng lượng của ion Men+ và năng lượng của nguyên nguyên tử Me trong mạng tinh thể của chất rắn (điện cực) khơng bằng nhau, cĩ nghĩa là, các phần tử mang điện vượt qua giới hạn giữa chất rắn và dung dịch điện phân theo hai chiều sẽ khơng bằng nhau dẫn đến sự xuất hiện điện thế cân bằng giữa điện cực và chất điện phân.
Dịng điện chảy qua dung dịch điện phân :
Trong chất điện phân các ion cũng như các nguyên tử, phâ tử chuyển động hỗn loạn. Nếu giữa hai điện cực nằm trong chất điện phân ta đặt lên một điện trường E, thì ngồi sự chuyển động nhiệt hỗn loạn sẽ xuất hiện sự chuyễn động cĩ hướng của các con ion. Các ion dương chuyễn động về phía catot, các ion âm – về anot. Sự chuyển động nầy chính là bản chất của dịng điện chảy qua dung dịch điện phân.
Khi đã đến được các điện cực tương ứng các ion trao và nhận thêm điện tích để trở thành các nguyên tử hoặ phân tử thốt ra khỏi điện cực hoặc tham gia vào phản ứng hĩa học với vật chất điện cực.
Số lượng vật chất g thốt ra từ đieện cực khi cĩ dịng điện chảy qua chất điện phân được xác định bởi định luật Faraday.
g = . I . t (10.2)
Trong đĩ: - đương lượng điện hĩa, g/cal; I – dịng điện, A; t- thời gian dịng điện chảy qua chất điện phân, sec.
Đương lượng điện hĩa là lượng vật chất thốt ra từ điện cực khi cho chảy qua chất điện phân một điện lượng là một culon (colomb).
Các qúa trình điện diễn ra trong chất điện phân tuân thủ theo định luật Ohm. Các ion chuyển động cĩ hướng trong chất điện phân là do sự tác động của lựïc : P = e . E,
Với : e – điện tích của ion.
Nếu tại thời điểm ban đầu, tốc độ v của ion là rất nhỏ, thì khi cĩ sự tác động của lực P tốc độ chuyển động ion sẽ tăng lên, đồng thời lực ma sát: Pm =Kv, cũng tăng lên theo. Các lực nầy sẽ cân bằng với nhau trong suốt thời gian chuyển động của ion.
Tốc độ trung bình của sự chuyển động định hướng được xác định bởi đẳng thức : P = Pm ; hay eE = K . v.
Từ đĩ:
ở đây : = e/K - là độ chuyển động của ion. Mật độ dịng điện qua chất điện phân :
Với : n+ + + n- - - mật độ và độ chuyển động của các ion dương và âm.
Như vậy mật độ dịng điện trong chất điện phân tỷ lệ với cường độ điện trường E.
Độ dẫn điện của các chất điện phân.
) 4 . 10 ( ). ( ) 3 . 10 ( E n n e j E K E e v
= e (n + n ) (10.5) sẽ tăng lên khi mật độ ion và chuyển động của chúng tăng.
Khi nhiệt độ tăng độ dẫn điện của chất điện phân tăng. Hiện tượng nầy trái ngược hẳn so với hiện tượng xảy ra ở chất rắn, được giải thích bằng sự tăng lên của độ chuyển động của các ion và của mức độ phân ly của chất điện phân.
10.2. ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH VÀ DUNG DỊCH HỊA TAN :
Hiện tượng vật chất thốt ra từ điện cực khi cĩ dịng điện chảy qua chất điện phân, cũng mhư qúa trình oxy hĩa hoặc phục hồi điện cực gọi là hiện tượng điện phân.
Trong lĩnh vực cơng nghiệp, hiện tượng điện phân được áp dụng chủ yếu để làm hịa tan kim loại ở điện cực anode và bồi đắp vật chất ở điện cực cathode.
Vật chất cĩ điện thế lớn hơn –1 so với điện thế tiêu chuẩn của điện cực hdro cĩ thể nhận theo phương pháp điện phân dung dịch (đồng).
Các kim loại cĩ điện thế nhỏ hơn –1 khơng thể thu nhận được bằng cách đĩ, vì vậy khi sản xuất chúng phải sử dụng dịch hịa tan của chúng trong muối (Li, K, Mg).
Sơ đồ nguyên lý của bình điện phân được mơ tả như ở trong (H. 10.1)
Ở điện cực anot sẽ diển ra qúa trình chuyển kim loại ở trạng thái vật chất Meo thànhion, vì ở đây kim loại cho electron.
Mo
e – ne Mn +1
e , tức qúa trình hồ tan anot.
Trong đĩ : n – số lượng điện tích.
Ở điện cực catot sẽ diễn ra qúa trình ngược lại, catot nhận electron và chuyển các ion thành kim loại nguyên chất :
Mn+
e + ne Mo
e tức quá trình bù đắp catot (10.7) Điện áp phân bố giữa hai điện cực bao gồm các thành phần :
Với : U1 - Điện áp phân bố điện hố của vật chất. Ua ,Uc – điện áp rơi trên anode và cathode.I – cuờng độ dịng điện , l – khoảng cách điện cực, - độ dẫn diễn của chất điện phân.
) 8 . 10 ( 1 l I U U U U a c
Cơng suất tiêu thụ trong bình điện phân :
Mật độ dịng điện điện cực : Jđc =I / S (10.10)
Với : S – bề măt xung quanh của phần điện cực nhúng ngập trong chất điện phân.