Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1 Dr Paweł Krzyczmonik Luty 2013 Podstawy elektrochemii i korozji wykład dla III roku kierunków chemicznych Wykład I Pracownia Elektrochemii i Korozji.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1 Dr Paweł Krzyczmonik Luty 2013 Podstawy elektrochemii i korozji wykład dla III roku kierunków chemicznych Wykład I Pracownia Elektrochemii i Korozji."— Zapis prezentacji:

1 1 Dr Paweł Krzyczmonik Luty 2013 Podstawy elektrochemii i korozji wykład dla III roku kierunków chemicznych Wykład I Pracownia Elektrochemii i Korozji Uniwersytet Łódzki

2 2 Podstawy elektrochemii i korozji Plan dzisiejszego wykładu 1.Wstęp 2.Potencjał elektrody, równanie Nersta 3.Elektrody 4.Funkcje termodynamiczne ogniw galwanicznych 5.Metody pomiaru siły elektromotorycznaj (SEM) 6.Baterie, akumulatory i ogniwa paliwowe

3 3 Elektrochemia – dział chemii zajmujący się badaniem zmian parametrów elektrycznych układu pod wpływem zmian parametrów chemicznych i fizykochemicznych, oraz badaniem zmian parametrów chemicznych i fizykochemicznych układu pod wpływem zmian parametrów elektrycznych. Ogniwo galwaniczne Elektroliza roztworu ZnCl 2 Podstawy elektrochemii i korozji 1.Wstęp

4 4 Elektroda – w znaczeniu półogniwo - układ zbudowany z co najmniej dwóch faz będących w kontakcie ze sobą z których jedna jest przewodnikiem pierwszego rodzaju a druga, przewodnikiem drugiego rodzaju. - w znaczeniu kontaktu elektrycznego – przewodnik I-ego rodzaju zapewniający kontakt elektryczny układu na zewnątrz. Przewodnik I-ego rodzaju-substancja zdolna do przewodzenia prądu elektrycznego w której przewodnictwo odbywa się poprzez ruch elektronów lub dziur po elektronach, inaczej przewodnik elektronowy. Metale, stopy, półprzewodniki, polimery z przewodnictwem elektronowym. Przewodnik II-egp rodzaju-substancja zdolna do przewodzenia prądu ejelektrycznego w którym przewodnictwo odbywa się poprzez ruch jonów, inaczej przewodnik jonowy. Roztwory elektrolitów, stopione sole, ciecze jonowe, polimery z przewodnictwem jonowym. Podstawy elektrochemii i korozji 1.Wstęp

5 5 Warunki normalne to ściśle określona temperatura i ciśnienie otoczenia, które stanowią rodzaj punktu odniesienia do niektórych obliczeń fizykochemicznych. ciśnienie: p = Pa = 1013,25 hPa = 1 atm temperatura: T = 273,15 K = 0°C Warunki standardowe – ściśle określona temperatura i ciśnienie otoczenia, które stanowią rodzaj punktu odniesienia do rozmaitych obliczeń fizykochemicznych. ciśnienie: p = 1 bar = 1000 hPa temperatura: T = 298,15 K = 25°C Podstawy elektrochemii i korozji Potencjał elektrody – jest to siła elektromotoryczna (SEM) ogniwa galwanicznego zbudowanego z badanej elektrody i elektrody odniesienia. Dla elektrody odniesienia przyjmuje się potencjał równy 0 V. Anoda – jest to elektroda na której zachodzą procesy utlenienia. Katoda – jest to elektroda na której zachodzą procesy redukcji. 1.Wstęp

6 6 potencjał wewnętrzny fazy i potencjał elektrochemiczny φ – potencjał wewnętrzny fazy Ψ – potencjał zewnętrzny fazy χ – potencjał powierzchniowy fazy Podstawy elektrochemii i korozji (1) (2) (3)(4) (5) (6) (7) (8) (10) (9)

7 7 Potencjał elektrody, równanie Nersta Podstawy elektrochemii i korozji Pt | H 2 | HCl(c) | AgCl(s) | Ag | Pt (12) (14) Pt (e) | H 2 | HCl (H+, Cl -, Ag + ) | AgCl(Cl-, Ag+) | Ag (Cl-, Ag+) | Pt (e) (13) (15) (16) (17) (21) (22) (18, 19) (20)

8 8 Podstawy elektrochemii i korozji Potencjał elektrody, równanie Nersta Równanie Nersta (27) (26) (25) (24) (23) (22)

9 9 Podstawy elektrochemii i korozji Elektrody Normalna elektroda wodorowa (NEW) – wykonana z platyny pokrytej czernią platynową, omywaną gazowym wodorem pod ciśnieniem cząstkowym p = Pa = 1013,25 hPa = 1 atm w temperaturze 273,15 K, zanurzona w roztworze o aktywności jonów wodorowych równej 1. Pt | H 2 (p H+ =1) | H + (a H+ =1) (29) (31) H + + e 1/2 H 2 (30) (33) (32) Schemat budowy elektrody wodorowej

10 10 Podstawy elektrochemii i korozji Elektrody Ogniwo Westona - ogniwo galwaniczne w którym elektrodę dodatnią stanowi rtęć, ujemną amalgamat kadmu, a elektrolitem jest roztwór nasycony siarczanu kadmu. Cd,Hg I CdSO 4 *8H 2 O (aq) I Hg 2 SO 4 | Hg (34) Budowa ogniwa Westona Cd (Hg) + Hg 2 SO 4 CdSO 4 +2Hg (35)

11 11 Elektrody I-ego rodzaju Ag(s)|AgNO 3 (aq) Ag o Ag + + e Elektrody II-ego rodzaju (np. kalomelowa, chlorosrebrowa, siarczanowa) Ag(s)|AgCl(s)|KCl(aq) Hg(l)|HgO(s)|NaOH(aq) Hg(l)|Hg 2 Cl 2 (s)|KCl(aq) Hg(l)|HgSO 4 (s)|H 2 SO 4 (aq) Ag 0 Ag + + e Ag + + Cl - AgCl Ag 0 + Cl - AgCl+ e Podstawy elektrochemii i korozji (37) (38) (36)

12 12 Elektrody III-ego rodzaju Zn(s)| ZnC 2 O 4 (s), CaC 2 O 4 (s)|Ca(NO 3 ) 2 (aq) Zn 0 Zn e ZnC 2 O 4 Zn 2+ + C 2 O 4 CaC 2 O 4 Ca 2+ + C 2 O 4 Zn 0 + CaC 2 O 4 ZnC 2 O 4 + Ca e Gdzie: Podstawy elektrochemii i korozji (41) (39) (40)

13 13 AgAg + Ag Zn Cl - K+K+ Ca 2 2Cl - Proces elektrodowy Równowaga nad osadem 1 Równowaga nad osadem 2 Elektroda I rodz. Elektroda II rodz. Elektroda III rodz. Ag + Zn 2+ Cl - Ca 2 Porównanie elektrod I, II i III rodzaju Podstawy elektrochemii i korozji

14 14 Elektrody Red-ox Fe 3+ / Fe 2+, Ce 4+ / Ce 3+ Pt | Fe 3+, Fe 2+, Cl - Elektrody tlenkowe Elektroda antymonowa Sb(s)| Sb 2 O 3 (s)| H + Sb 2 O 3 + 6H + + 6e 2Sb + 3H 2 O Podstawy elektrochemii i korozji - potencjał formalny (43) (44) (42)

15 15 Cząstkowa molowa pojemność cieplna Cząstkowa molowa objętość Funkcje termodynamiczne ogniw galwanicznych Potencjał termodynamiczny Entropia Entalpia Zależność SEM ogniwa od temperatury Podstawy elektrochemii i korozji (45) (48) (49) (50) (51) (52) (46) (47)

16 16 Metody pomiaru siły elektromotorycznaj (SEM) (-) Zn | Zn 2+ ||Cu 2+ | Cu | Zn (+) SEM=E Cu 2+ /Cu -E Zn 2+ /Zn U=E Cu 2+ /Cu -E Zn 2+ /Zn U=I(R+R w ) USEM gdy I 0 Metody pomiaru SEM 1 Metoda bezprądowa 2 Metoda omomierza wysokooporowego Podstawy elektrochemii i korozji

17 17 Baterie, akumulatory i ogniwa paliwowe Baterie, akumulatory i ogniwa paliwowe, są to odnawialne i nieodnawialne elektrochemiczne źródła energii Ogniwa paliwowe – urządzenie w których w sposób kontrolowany można przeprowadzać spalanie elektrochemiczne takich paliw jak węgiel, węglowodory, wodór i inne Ogniwa pierwotne (inaczej baterie) – rodzaj ogniw galwanicznych w których można otrzymać energię elektryczną w nieodwracalnych procesach elektrochemicznych, oznacza to że po rozładowaniu niemożliwe jest ich powtórne ładowanie. Ogniwa wtórne (inaczej akumulatory) -rodzaj ogniw galwanicznych w których można otrzymać energię elektryczną w odwracalnych procesach elektrochemicznych, oznacza to że możliwe jest ich wielokrotne ładowanie i rozładowywanie. Podstawy elektrochemii i korozji

18 18 1. Możliwie wysoka wartość różnicy potencjałów standardowych układu katody i anody, dająca w sumie wysoką wartość SEM. 2. Wymaga się możliwie najmniejszego odchylenia różnicy potencjałów na zaciskach ogniwa od SEM w czasie pracy źródła prądu. 3. Wymaga się tzw. dużej pojemności prądowej, tj. w efekcie dużej ilości elektryczności możliwej do otrzymania z jednostki masy (lub objętości) elektrolitu. 4. Wymaga się maksymalnej mocy właściwej, tj. maksymalnej ilości energii oddawanej w jednostce czasu przez jednostkę masy (lub objętości) źródła prądu. 5. Wymaga się możliwie małego tzw. samorozładowania, tj. strat energii przy otwartym ogniwie. 6. Wymaga się możliwie niskiego kosztu jednostki mocy uzyskiwanej z jednostkowej masy lub objętości danego ogniwa. Wymagania stawiane elektrochemicznym źródłom energii Podstawy elektrochemii i korozji Baterie, akumulatory i ogniwa paliwowe

19 19 Ogniwo Leclanchego (U=1.5V) Ogniwo składa się z pojemnika wykonanego z blachy cynkowej, w którym znajduje się pasta (z dodatkiem krochmalu i trocin) wykonana z chlorku cynku ZnCl 2, dwutlenku manganu (MnO 2 ) i chlorku amonowego (NH 4 Cl). Czasem stosuje się niewielkie ilości CuCl 2 i HgCl 2. W paście tej tkwi pręt grafitowy stanowiący katodę. 2MnO 2 (s) + 2 H + (aq) + 2 e - Mn 2 O 3 (s) + H 2 O(l) Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e - Zn(s) + 2MnO 2 (s) + 2NH 4 + (aq) Mn 2 O 3 (s) + Zn(NH 3 ) 2 2+ (aq) + H 2 O(l) NH 4 + (aq) H + (aq) + NH 3 (aq) Podstawy elektrochemii i korozji Zn | NH 4 Cl 2,, ZnCl 2 | MnO 2 | C

20 20 Ogniwo alkaliczne (1.5V) Zn (s) + 2OH (aq) Zn(OH) 2 (s) + 2e MnO 2 (s) + 2H 2 O (l) + 2e Mn(OH) 2 (s) + 2OH (aq) MnO 2 (s) + Zn(s) + 2H 2 O (l) Mn(OH) 2 (s) + Zn(OH) 2 (s) Podstawy elektrochemii i korozji Zn | ZnO, KOH | MnO 2 |C

21 21 Ogniwo cynkowo-rtęciowe (U=1.34V) Zn KOH HgO C Zn + 2KOH K 2 ZnO 2 + 2H + + 2e HgO + 2H + + 2e Hg + H 2 O Zn + HgO + 2KOH K 2 ZnO 2 + H 2 O + Hg Podstawy elektrochemii i korozji Zn KOH AgO C Ogniwo cynkowo-srebrowe Ogniwo cynkowo-srebrowe istnieje ale jest akumulatorem a nie baterią i omówimy je w następnej części wykładu

22 22 Ogniwa litowe (U=1.5 ÷3.7V) Li Li + + e - SO 2, SOCl 2, SO 2 Cl 2, (CF) n, MnO 2, CuO, CuS, FeS, FeS 2 itp Anoda: Katody: Dimetylosulfotlenek (DMSO) Mrówczan etylu (MF) Nitrometan (NM) Tetrahydrofuran (THF) Węglan propylenu (PC) Podstawy elektrochemii i korozji

23 23 Podstawy elektrochemii i korozji 2 CuS + 2 Li Cu 2 S + Li 2 S (I etap) Cu 2 S + 2 Li 2 Cu + Li 2 S (II etap) 2 Li + CuO Li 2 O + Cu Li LiAlCl 4, SOCl 2 C 4Li + 2 SOCl 2 4LiCl + SO 2 + S Li | LiBr, SO 2, AN | C 2Li + 2SO 2 Li 2 S 2 O 4 Li Li + CuO Li Li + CuS Ogniwa litowe - przykłady

24 24 Budowa typowej monetowej baterii litowo-manganowej. Porównanie pojemności baterii Li-MnO 2 z pojemnościami konwencjonalnej baterii alkaliczno-manganowej. Podstawy elektrochemii i korozji Ogniwa litowe – przykłady konstrukcji

25 25 Akumulator ołowiowy (U=2,2 V) Pb H 2 SO 4 PbO 2 Pb Pb (stały) + HSO H 2 O PbSO 4 (stały) + 2e + H 3 O + PbO 2 (stały) + HSO H 3 O + + 2e PbSO 4 (stały) + 5H 2 O Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O

26 26 Ogniwo Edisona (NIFE), czyli alkaliczny akumulator niklowo-żelazowy )(U=1,4 V). Fe KOH NiOOH Ni Fe + 2NiOOH + 2H 2 O 2Ni(OH) 2 + Fe(OH) 2 Akumulator kadmowo-niklowy (U=1,35 1,40 V) Cd + 2NiOOH + 2H 2 O 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 Cd KOH NiOOH Ni Fe + 2H 2 O Fe(OH) 2 + 2e + 2H + NiOOH + H + +e Ni(OH) 2 Cd + 2H 2 O Cd(OH) 2 + 2e + 2H + NiOOH + H + +e Ni(OH) 2

27 27 Akumulator niklowy-wodorkowy (U=1,35 1,40 V) MH + NiOOH + H 2 O Ni(OH) 2 + M MH KOH NiOOH Ni MH + OH - M + H 2 O + e NiOOH + H 2 O +e Ni(OH) 2 + OH -

28 28 Akumulator cynkowo-srebrowy (U=1,85 V) Zn KOH + K 2 ZnO 2 AgO lub Ag 2 O Ag Akumulator niklowo-cynkowy (U=1,7 V) Zn KOH + K 2 ZnO 2 NiOOH Ni 2NiOOH + Zn + 2KOH 2Ni(OH) 2 + K 2 ZnO 2 NiOOH + H + +e Ni(OH) 2 Zn + 2KOH K 2 ZnO 2 + 2H + + 2e AgO + 2H + + 2e Ag + H 2 O Zn + AgO + 2KOH K 2 ZnO 2 + H 2 O + Ag

29 29 Struktura grafitu. Słabe siły van der Waalsa wiążą warstwy węgli powiązanych siłami kowalencyjnymi. Struktura grafitu i wprowadzone do niego atomy litu (rzut z góry). Reakcję redukcji i utleniania litu wraz z interkalacją do grafitu można opisać reakcją: xLi + + 6C + xe Li x C 6 29 Akumulatory litowo-jonowy, litowo-polimerowy Anody grafitowe z interkalowanym litem Podstawy elektrochemii i korozji

30 30 Akumulatory litowo-jonowy, litowo-polimerowy Podstawy elektrochemii i korozji Li x GRAFIT + [MATRYCA-katoda] [GRAFIT] + Li x MATRYCA-katoda

31 31 Akumulatory litowo-jonowy, litowo-polimerowy Li x C 6 C 6 + xLi + + xe Li+ elektrolit Li 1x Mn 2 O 4 + xLi + + xe LiMn 2 O 4 Li 1x Mn 2 O 4 + Li x C 6 LiMn 2 O 4 + C 6 Podstawy elektrochemii i korozji politlenek etylenu (PEO) + LiX + np węglanu propylenu (PC) – akumulator litowo-polimerowy rozpuszczalnik np węglanu propylenu (PC) + LiX – akumulator litowo-jonowy Li x C 6 | LiX elektrolit | Mn 2 O 4

32 32 2H 2 (gaz) + O 2 (gaz) 2H 2 O 2H 2 (gaz) 4H + + 4e O 2 (gaz) + 4H + + 4e 2H 2 O Podstawy elektrochemii i korozji Ogniwa paliwowe Zalężność gęstości prądu od temperatury pracy w ogniwie tlenowo-wodorowym : TI 20 o C 50 o C 80 o C 50 mA cm mA cm mA cm -2

33 33 Podstawy elektrochemii i korozji Ogniwa paliwowe CH 3 OH CO 2 + 6H + + 6e N 2 H 4 + 4H + N 2 + 4H 2 O + 4e 2NH 3 + 6OH - N 2 + 6H 2 O + 6e CH O 2 CO H 2 O Przykłady innych reakcji wykorzystywanych w ogniwach

34 34 Podstawy elektrochemii i korozji 1.H.Scholl, T. Błaszczyk, P.Krzyczmonik, " Elektrochemia. Zarys teorii i praktyki", Wyd. U Ł, I.Koryta, I.Dvorak,V.Bohackowa, "Elektrochemia", PWN, G.Kortum, "Elektrochemia". 4.W.Libuś, Z.Libuś, "Elektrochemia", PWN, A.J.Bard, G.Inzelt, F.Scholz, Electrochemical Dictionary Springer, A.Kisza, Elektrochemia I, Jonika, WNT Warszawa, 2000 Literatura

35 35 Dziękuje za uwagę Podstawy elektrochemii i korozji


Pobierz ppt "1 Dr Paweł Krzyczmonik Luty 2013 Podstawy elektrochemii i korozji wykład dla III roku kierunków chemicznych Wykład I Pracownia Elektrochemii i Korozji."

Podobne prezentacje


Reklamy Google