CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA VÀ ĂN MÒN KIM LOẠI

Cung cấp kiến thức cơ bản về nhiệt động học và động học của các quá trình điện hóa học.. Tìm hiểu một số quy trình sản xuất điện hóa cụ thể dưới góc độ hóa học như công nghệ mạ, công ngh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA

VÀ ĂN MÒN KIM LOẠI

TS ĐỖ NGỌC MINH

MỤC TIÊU HỌC PHẦN

1 Cung cấp kiến thức cơ bản về nhiệt động học và động học của các quá trình điện hóa học

2 Tìm hiểu một số quy trình sản xuất điện hóa cụ thể dưới góc độ hóa học như công nghệ mạ, công nghệ tinh luyện kim loại, công nghệ sản xuất các hợp chất vô cơ và hữu cơ

3 Biết áp dụng các định luật cơ bản của điện hóa học vào tính toán các quá trình công nghệ điện hóa

2

NỘI DUNG LÝ THUYẾT BÀI TẬP

3

TÀI LIỆU HỌC TẬP

1 Industrial Electrochemistry, Derek Pletcher and Frank C Walsh, Springer Science + Business Media, Second Edition, 1993, 668 pages

2 Kỹ thuật sản xuất điện hóa, Nguyễn Đình Phổ, NXB ĐHQGTPHCM, 2006, 307 trang

3 Bài tập Công nghệ Điện hóa, Trần Minh Hoàng và Trương Ngọc Liên, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007,

372 trang

4

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA

Giới thiệu chung về công

Động học của phản ứng điện cực

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA

Công nghệ điện hóa là các quá trình công nghệ được sử dụng trong sản xuất hàng hóa và dịch vụ dựa trên

các quá trình điện hóa

Mạ điện và Đúc điện

Tinh luyện kim loại

Tổng hợp các hợp chất vô cơ và hữu cơ

Ăn mòn kim loại

Nguồn điện hóa học

1.2 NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG ĐIỆN HH

1.2.1 Phản ứng oxi hóa khử hóa học và phản ứng điện HH

Ví dụ 1: Nhúng thanh Zn vào dung dịch muối CuSO4.

Ví dụ 2:

https://saylordotorg.github.io/text_general-chemistry-principles-patterns-and-applications-v1.0/s23-electrochemistry.html

Ở thanh kẽm: Zn – 2e = Zn2+ – quá trình oxi hóa - ANODE

Ở thanh đồng: Cu2+ + 2e = Cu – quá trình khử - CATHODE Phản ứng tổng: Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

Cầu muối: dung dịch muối đậm đặc (KCl, KNO3, NH4Cl, NH4NO3) trong keo aga

Là nơi xảy ra quá trình oxi hóa

Là nơi electron được sinh ra

Là nơi các anion tiến đến

Là nơi xảy ra quá trình khử

Là nơi electron bị tiêu thụ

Là nơi các cation tiến đến

So sánh phản ứng oxi hóa khử hóa học và phản ứng điện HH

- Phản ứng oxi hóa-khử

- Sự chuyển hóa vật chất như nhau

- Trong pứ oxi hóa-khử hóa học thì 2 quá trình oxi hóa và khử xảy ra trong cùng một nơi, hóa năng chuyển thành nhiệt năng

- Trong pứ điện hóa thì 2 quá trình oxi hóa và

khử xảy ra tách biệt, hóa năng phần lớn

chuyển thành điện năng

Conway, B E 2002 Encyclopedia of Surface and Colloid Science: Dekker Publishing Co.

Các mô hình khác nhau cho electric double layer (EDL)

và phân bố thế trên EDL:

(a) mô hình Helmholtz, (b) mô hình Gouy-Chapman, (c) mô hình Gouy-Stern(d) mô hình hiện đại

(-) Pt,H2 | H+ || Cu2+ | Cu (+) 25oC

(-) Zn | Zn2+ || H+ | H2,Pt (+)

25oC

Xác định thế điện cực chuẩn của điện cực đồng

Xác định thế điện cực chuẩn của điện cực kẽm

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/602/616516/Chapter_18.html

Thế điện cực là một đại lượng nhiệt động mà biểu thị khả năng cho nhận electron của một chất Thế điện cực càng dương thì dạng oxi hóa có tính oxi hóa càng

mạnh và ngược lại thế điện cực càng âm thì dạng khử có tính khử càng mạnh.

25oC

MỐI LIÊN HỆ GIỮA THẾ ĐIỆN CỰC VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC KHÁC

Xác định khả năng phản ứng của 2 cặp oxi hóa khử sau, đồng thời xác định các thông số nhiệt động ∆ Go và K của phản ứng có thể diễn ra.

Sn4+/Sn2+; Fe3+/Fe2+.

1.3 ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG ĐIỆN HÓA HỌC

1.3.1 Sự phân cực và quá thế

- Sự phân cực là hiện tượng mà thế điện cực bị lệch khỏi giá trị cân bằng khi có dòng điện Faraday đi qua điện cực.

- Khi có dòng điện một chiều chạy qua 2 điện cực kim loại: thế điện cực catot trở nên âm hơn (phân cực catot), thế điện cực anot trở nên dương hơn (phân cực anot).

- Để đánh giá mức độ phân cực người ta dùng đại lượng quá thế :

η = Ei - Ecb

ϕ i là thế điện cực khi có dòng điện Faraday cường độ i đi qua

ϕ cb là thế điện cực ở trạng thái cân bằng.

http://www.studydroid.com/index.php?page=viewPack&packId=140379

Ox + ne ↔ Red

Phương trình Volmer-Butler

io – mật độ dòng trao đổi khi phản ứng điện cực ở trạng thái cân bằng.

α - hệ số đối xứng, thường nhận giá trị 0.5.

Khi η rất lớn: hoặc là quá trình cathode chủ yếu hoặc là quá trình anode chủ yếu

Nếu quá trình cathode là chủ yếu:

→ηc = a + b.lni

Khi η rất lớn: hoặc là quá trình cathode chủ yếu hoặc là quá trình anode chủ yếu

Nếu quá trình anode là chủ yếu:

→ηa = a + b.lni

lnio

ln|i|

η +

ηa = a + b.lni

ηc = a + b.lni

Phương trình Tafel

- Đối lưu (convection)

>> Khuếch tán ổn định: chiều dày lớp khuếch tán không thay đổi theo thời gian.

Cox

x δ

E1/2 – thế bán sóng (halfwave potential).

iL – dòng tới hạn (limiting current).

E

0

Trong quá trình điện phân thường xảy ta đồng thời cả 2 loại phân cực, nhưng tùy trường hợp mà tỷ trọng của chúng khác nhau Thông thường khi mật độ dòng điện nhỏ thì phân cực điện hóa là chủ yếu, khi mật độ dòng điện cao thì phân cực nồng độ

là cơ bản.

Trong thực tế sản xuất:

- Điện thế điện cực xác định chỉ là biểu kiến.

- Các quá trình điện cực xảy ra phức tạp hơn.

- Có thể có các hình thức chuyển chất khác mà các phương trình động học ở 1.3 đã bỏ qua.

Mối quan hệ E-i được xây dựng trên vật liệu làm điên cực trong dung dịch thực tế

Ví dụ 1: Trong bình điện phân Cu | CuSO4 | Cu.

Khi dòng điện i = 0 thì trên điện cực thiết lập cân bằng:

Cu2+ + 2e ↔ Cu

Khi đặt hiệu điện thế U vào 2 điện cực thì trong mạch sẽ có dòng điện i chạy qua và Eeq điện cực cathode trở nên

âm hơn, Eeq điện cực anode trở nên dương hơn.

i

E 0