BÀI GIẢNG Điện hóa học

GIỚI THIỆU• Ăn mòn là một hiện tượng rất phổ biến của kim loại • Vấn đề ăn mòn xuất hiện trong tất cả khía cạnh của công nghệ • Để ngăn chặn sự ăn mòn đó đòi hỏi phải có sự hiểu biết

ĐIỆN HÓA HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

GIỚI THIỆU

• Ăn mòn là một hiện tượng rất phổ biến

của kim loại

• Vấn đề ăn mòn xuất hiện trong tất cả khía

cạnh của công nghệ

• Để ngăn chặn sự ăn mòn đó đòi hỏi phải

có sự hiểu biết về các quá trình hóa học

cơ bản

Pin điện hóa

Năng lương cần thiết để tạo ra công có ích và pin điện áp

Ảnh hưởng của nồng độ và phương trình Nernst

Acquy và pin nhiên liệu

I Pin điện hóa

 Cấu tạo chung: gồm hai cực có bản chất hóa học khác nhau được ngâm trong chất điện phân( dung dịch axit, bazơ, muối,…)

I Pin điện hóa

 Hoạt động chung: Do tác nhân hóa học, các cực của pin điện hóa được tích điện khác nhau và giữa chúng có một hiệu điện thế bằng giá trị của suất điện động của pin Khi đó năng lượng hóa học chuyển thành điện năng dự trữ trong nguồn điện

I Pin điện hóa

• Một mảnh Cu là một phần được ngâm trong dung dịch Cu(NO3)2

và 1 mảnh Ag trong dung dịch AgNO3

• Hai dung dịch được kết nối bằng một cầu muối hình ống, chữ U

ngược có chứa một dung dịch của một muối như NaNO3

• Đầu của cây cầu được nối với phích cắm xốp không cho hai dung

dịch trộn lẫn vào nhau nhưng cho phép các ion đi qua.

• Hai mảnh kim loại được kết nối với một ampe kế, một công cụ để

đo hướng và độ lớn của dòng điện qua nó

Phản ứng của kim loại Cu với các

ion trong dung dịch

I Pin điện hóa

 Phản ứng xảy ra trong pin

• Cu Cu2+ + 2e-(quá trình oxi hóa)

• Ag+ + e- Ag (quá trình khử)

• Cu + Ag+ = Cu2+ + Ag (P/u tổng)

• Trong một pin điện hóa, các ion âm (anion) di chuyển về hướng các ion dương và ion dương (cation) di chuyển về phía cực âm

Quá trình điện phân

 Khái niệm:

• Sự điện phân là quá trình oxi hóa- khử xảy ra ở bề mặt các điện

cực khi đó dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc

dd chất điện li và có kèm theo sự biến đổi điện năng thành hóa

năng

 Bản chất:

• Khử xảy ra trên bề mặt điện cực.

• Năng lượng dùng cho phản ứng là điện năng dòng điện một chiều.

• Sự cho và nhận điện tử không xảy ra trực tiếp giữa các ion tham gia phản ứng mà phải truyền qua dây dẫn.

Pin điện và bình điện phân

Định luật Faraday

Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch

và đương lượng của chất

F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1

mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F =

1,602.10-19.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol-1) m = �/� ��/� x

II- Năng lượng cần thiết để tao ra công có ích và pin điện hóa

Suất điện động: Là hiệu điện thế lớn nhất (Epin) giữa điện cực dương và điện cực

âm Suất điện động của pin luôn là số dương

Sđđ của pin

thế của điện cực dương

thế của điện cực âm

Như vậy để tính được SĐĐ của pin thì phải xác

định được thế của từng điện cực Nếu thế các điện

cực là tiêu chuẩn thì:

E0 = E+0 – E-0

Epin =E+ -

E-II- Năng lượng cần thiết để tao ra công có ích và pin điện hóa

• Công hữu ích

• Hóa năng Điện năng:

• n- số “e” trao đổi trong p/u

F=96500 Culong – Số Faraday

E- suất điện động, vôn

A’ = nFE= -ΔG

ΔG=-nFE

Điện cực hydro chuẩn

• Dây Pt nhúng vào trong dung dịch H2SO4: 1mol/lit Thổi khí H2: áp suất 1atm

Thế điện cực chuẩn

Đo thế điện cực chuẩn

• Thiết lập pin: điện cực cần đo-điện cực hidro chuẩn

• Suất điện động của pin

III- Phương trình Nernst

Nồng độ và áp suất ảnh hưởng đến các tế bào điện áp trong các tế bào pin điện hóa

Đo hằng số cân bằng

Ví dụ: tính hằng số cân bằng cho phản ứng oxi hóa khử sau:

2MnO4- + 5Zn + 16H3O+ → 2 Mn2+ + 5Zn2+ + 24H2O ở 25oC

Máy đo pH

 Máy đo pH gồm một điện cực thủy tinh bên trái và

một điện cực rắn cực calomel bên phải và đều được nhúng vào dung dịch chưa biết nồng độ

 Để đo độ pH của một dung dịch chưa biết

• pH = [∆ξ-∆ξ(ret)] / 0.0592V

IV- Ac quy và pin nhiên liệu

Hình 1: Ac quy Hình 2: Pin nhiên liệu

IV- Ac quy và pin nhiên liệu

Pin Volta

• Nguồn điện hóa học đầu tiên được chế

tạo, sinh ra dòng điện duy trì khá lâu là

pin Volta (1795).

• Pin Volta gồm một cực bằng kẽm (Zn) và

một cực bằng đồng (Cu) nhúng trong

dung dịch acid

Pin khô Laclanchee

Loại pin này được sử dụng phổ biến hiện nay

IV- Ac quy và pin nhiên liệu

Pin Volta Pin khô Laclanchee

Ac quy đơn giản là acquy chì, gọi là acquy axid, gồm bản cực dương bằng chì PbO và bản cực âm bằng Pb, cả 2 bản được nhúng trong dung dịch

Do tác dụng với dung dịch axid sunfuric 2 bản cực của acquy được tích điện khác nhau Suất điện động của acquy thường có giá trị ổn định khoảng 2V

Pin nhiên liệu

 Pin là một hệ thống khép kín, nhằm cung cấp năng lượng điện các phản ứng điện hóa

 Đại diện là pin nhiên liệu hydro-oxy,hai loại

khí này tham gia quá trình oxy hóa- khử

trên các điện cực

• H2 + 1/2O2 → H2O

17.5 Ăn mòn và chống ăn mòn

• Sự ăn mòn của kim loại là một trong những vấn đề quan trọng nhất phải đối mặt với xã hội công nghiệp tiên tiến Ảnh hưởng của sự ăn mòn là ở cả hai mặt có thể nhìn thấy và vô hình

• Ăn mòn có thể được hình như một tế bào "ngắn mạch", trong đó một số khu vực của hoạt động bề mặt kim loại như cực âm và những kim loại khác là cực dương

17.5 Ăn mòn và chống ăn mòn

Sự ăn mòn sắt

Một số yếu tố liên quan đến tốc độ ăn mòn

Dung dịch muối hòa tan cung cấp một chất điện phân cải thiện dòng chảy

Tính axit cao cũng làm tăng ăn mòn

Độ chua được tăng cường bởi sự hiện diện của CO2 hòa tan và ô nhiễm không khí từ các oxit lưu huỳnh

Một số cách hạn chế sự ăn mòn của sắt

Lớp phủ của sơn hoặc nhựa bảo vệ kim loại

Một phương pháp quan trọng của bảo vệ kim loại phát sinh từ hiện tượng thụ động, trong đó một oxit kim loại mỏng dạng lớp trên bề mặt và ngăn chặn phản ứng điện hoá

 Nhôm

 Nhôm là nguyên tố thứ ba có nhiều nhất trong vỏ trái đất (sau khi oxy

và silicon), chiếm 8,2% tổng khối lượng trái đất.

 So với sắt, đồng, vàng và chì, đã được biết đến trong thời cổ Sir

Humphry Davy thu được nó như là một hợp kim của sắt và đã chứng minh tính chất kim loại của nó vào năm 1809

17.6 Luyện kim

17.6 Luyện kim

Năm 1886, khi Charles Hall ở Mỹ và Paul Héroult cùng phát minh ra một hiệu quả cho quy trình sản xuất Trong những năm 1990, sản xuất nhôm trên toàn thế giới bởi quá trình Hall-Héroult khoảng 1,5 107 tấn mỗi năm

Quá trình Hall-Héroult liên quan đến sự bám điện cực âm của nhôm, từ cryolit (băng thạch) nóng chảy (Na3AlF6) có hòa tan Al2O3, trong các tế bào điện phân

Hình 17.6 Một tế bào điện phân được sử dụng trong quá trình Hall-Héroult để sản xuất nhôm.

17.6 Luyện kim

Magie

Như nhôm, magiê là một yếu tố có nhiều trên bề mặt của trái đất, nhưng không phải là dễ để có dạng nguyên tố Nguồn gốc của magiê và các hợp chất của nó là nước biển

H17.7 Việc sản xuất hydroxit magiê bắt đầu với việc bổ sung vôi (CaO) vào nước biển.

17.6 Luyện kim

Hình 17.8 Trong tinh chế điện phân đồng, nhiều tấm đồng cố định, xem như là cực dương, xen kẽ với các tấm mỏng đồng nguyên chất (cực âm) Cả hai đều được nhúng vào một dung dịch loãng axit đồng Như đồng bị oxy hóa từ cực dương bất tịnh, nó đi vào các giải pháp như Cu2+ và di chuyển đến cathodes, tấm ra trong hình thức tinh khiết

17.6 Luyện kim

• Kim loại đã được sản xuất bằng phương

pháp hỏa, chẳng hạn như bạc, đồng, niken và thiếc không tinh khiết cho nhiều mục đích

• Luyện kim màu được sử dụng để làm sạch chúng thêm nữa

17.7- Một c ái nhìn sâu hơn về sự điện phân của nước và dung dịch nước

Kiểm tra điện phân nước và các dung dịch có nước Xem xét đầu tiên là điện

phân nước giữa các điện cực trơ như bạch kim của các phản ứng trong bán pin

Kết quả của chúng tôi cho điện phân dung dịch nước của các dung dịch trung tính được tóm tắt như sau:

Một dung dịch có thể được khử nếu điện năng khử đại số của nó lớn hơn -0,414 V

 Một số dung dịch có thể bị ôxi hóa chỉ khi điện năng khử đại số nhỏ hơn 0,815 V

Điện năng hoạt động trong pin Δ ξ chỉ đơn giản là liên quan đến việc năng lượng

tự do Gibbs cho một phản ứng điện, cung cấp một năng lượng điều khiển cho phản ứng này Điện năng hoạt động trong pin về 0 để không cho các phản ứng ở trạng thái cân bằng do đó, điện năng tiêu chuẩn trong pin Δξ ° là một đại lượng tiêu chuẩn của hằng số cân bằng trong phản ứng điện