NGUỒN ĐIỆN – ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH ĐiỆN HÓA

CHƯƠNG 7
NGUỒN ĐIỆN – ĐỘNG HỌC
CÁC QUÁ TRÌNH ĐiỆN HÓA
Nội dung
7.1. Nguồn điện hóa học
7.2. Quá trình điện phân
7.3. Quá thế
7.4. Ứng dụng phép điện phân
7.5. Bài tập
Phản ứng oxy hóa khử
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.1. Mở đầu
Điện năng
Nguồn điện
Mạch điện hóa
Thực tế
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.1. Mở đầu
Yêu cầu
Nguồn điện Thực tế

Sức điện động lớn, ổn định

Dung lượng riêng lớn: dự trữ năng lượng lớn.

Công suất riêng cao nhất: nguồn cung cấp NL lớn nhất trong
một đơn vi thời gian.

Khả năng tự phóng điện nhỏ
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.1. Mở đầu

Phân loại
Nguồn điện sơ cấp
(Pin)
Nguồn điện thứ cấp
(Acquy)
Nguồn điện liên tục
(Pin nhiên liệu)
Đặc điểm
Làm việc 1 lần Làm việc nhiều lần Làm việc liên tục
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.2. Nguồn điện sơ cấp – Pin
Pin là loại nguyên tố gavanic hoạt động chỉ
một vòng, nghĩa là khi nó phóng hết điện
chúng ta không thể khôi phục lại khả năng
phóng điện của nó.
Định nghĩa
Khảo sát pin KẼM - MANGAN
Mô hình Pin khô Le Clanché
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.2. Nguồn điện sơ cấp – Pin

Cực âm (vỏ kẽm):
Zn - 2e = Zn2+

Cực dương:
2MnO2 + H2O + 2e = Mn2O3 + 2OH-
OH- sinh ra tạo phản ứng không thuận nghịch:
OH- + NH4+  NH3 + H2O
Và: 2NH3 + Zn2+ + 2Cl-  [Zn(NH3)2]Cl2
Phản ứng PIN:

Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = [Zn(NH3)2]Cl2 + Mn2O3 + H2O
(-) Zn / NH4Cl,ZnCl2 / MnO2, C(+)
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.2. Nguồn điện sơ cấp – Pin
Epin =1,6V
Một số pin khác

Pin Kẽm – không khí: (-) Zn / NaOH / O2 / C (+) có Epin = 1,4V
Zn + NaOH + ½ O2  NaHZnO2

Pin oxýt thuỷ ngân: (-) Zn / KOH / HgO, C (+)
HgO + Zn + 2KOH = Hg + K2ZnO2 + H2O

Pin magiê – bạc: (-) Mg / MgCl2 / AgCl, Ag (+)
2AgCl + Mg = 2Ag + MgCl2
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.2. Nguồn điện sơ cấp – Pin
Ví dụ
+ Acquy axít: acquy chì
+ Acquy kiềm: acquy niken - cadimi
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Ắc quy là loại nguyên tố gavanic hoạt động
thuận nghịch và nhiều vòng, có thể phục hồi
khả năng phóng điện bằng cách cho dòng
điện bên ngoài chạy qua (nạp điện)
Định nghĩa
ACQUY AXÍT (hay acquy chì)
Khi đổ dung dịch điện ly vào ắc quy thì xảy ra phản ứng giữa các
điện cực và dung dịch điện ly làm cho điện cực phủ một lớp

PbSO4:
Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2O
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
(-) Pb, PbSO4 / H2SO4 (25-30%) / PbO2, Pb (+)
Hoạt động ắc quy chì

Điện cực âm: PbSO4 + 2e  Pb + SO4-2

Điện cực dương:
PbSO4 - 2e + 2H2O  PbO2 + SO4-2 + 4H+

Toàn bộ hệ thống:
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4
Kết quả: Cực âm: PbSO4  Chì xốp (hoạt động)
Cực dương: PbO2
Nạp điện
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Hoạt động ắc quy chì

Điện cực âm: Pb + SO4-2 – 2e  PbSO4

Điện cực dương:
PbO2 + 4H+ + SO4-2 + 2e  PbSO4 + 2H2O

Toàn bộ hệ thống:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
Phóng điện
7.1. Nguồn điện hóa học

7.1.3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Sức điện động ắc quy chì
Trong acquy chì, người ta dùng axít rất đặc nên hoạt độ của nước
không phải là hằng số mà là: aH2O = P/P0; còn đối với axít:
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Ở 250C: E0 = ϕ0+ - ϕ0- = 1,685 – (-0,352) = 2,037V
Nếu dùng H2SO4 27,3% (m = 3,83) thì γ± = 0,165 và aH2O = 0,7 thì E =
2,047V
2
OH
33
0
2
OH
2
SOH
0
22
42
a
m4.
ln
F
RT
E
a
a
ln
nF

RT
EE
±
γ
+=+=
323
SO
2
H
SOH
m4.aa.aa
2
4
42
±±
γ===
−+
ACQUY KIỀM (hay acquy niken – cadimi)
Phản ứng điện cực:
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
(-) Cd/ Cd(OH)2, KOH (20%) // KOH (20%), Ni(OH)2 , Ni(OH)3 / Ni
(+)
Phản ứng tổng trong mạch:
Cd + 2OH- - 2e Cd(OH)2
Phóng
Nạp
2Ni(OH)3 + 2e Ni(OH)2 + 2OH-
Phóng
Nạp

Cd + 2Ni(OH)3 Cd(OH)2 +
Ni(OH)2
Phóng
Nạp
Epin = 1,36V
Một số acquy kiềm khác
(-) Zn / Zn(OK)2, KOH (40%) / AgO, Ag (+)
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Người ta thay Cd bằng Fe của acquy trên được acquy kiềm sắt–niken
Một loại acquy mới và rất tốt là acquy bạc – kẽm như sau:
Phản ứng tổng trong mạch:
Zn + AgO + 2KOH Ag + Zn(OK)2 + H2O
Phóng
Nạp
Epin = 1,85V Để rẻ thay Ag bằng Ni  Epin = 1,7V
Sơ đồ biến đổi năng lượng
Hoá năng
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.4. Nguồn điện liên tục – Pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu (máy phát điện hóa)
(I) – lò phản ứng
(II) – Máy nhiệt
(III) – Máy điện
Nhiệt năng
Điện năng
Cơ năng
(I)
(II)
(III)

7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.4. Nguồn điện liên tục – Pin nhiên liệu
Pin HYDRO – OXY
(-) Ni/ H2 / KOH (30 - 40%) / O2, Ni (+)

Điện cực âm: 2H2 + 4OH– – 4e  4H2O

Điện cực dương: O2 + 2H2O + 4e  4OH–

Phản ứng tổng:
2H2 + O2 = 2H2O
Sức điện động ở 250C:
(thực tế đạt 1 – 1,1V)
V23,1
23060.4
)690,55(2
nF
G
E
=
−−
=
∆
−=
Mô hình Pin HYDRO - OXY
7.1. Nguồn điện hóa học
7.1.4. Nguồn điện liên tục – Pin nhiên liệu
7.2. Quá trình điện phân
7.2.1. Hiện tượng điện phân
Điện phân là một quá trình trong đó có các

phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt điện cực
dưới tác dụng của dòng điện một chiều đi qua
dung dịch điện ly hay chất điện ly nóng chảy.
Định nghĩa
BÌNH ĐiỆN PHÂN dd ZnCl2
7.2. Quá trình điện phân
7.2.1. Hiện tượng điện phân
Hai điện cực nhúng vào dung dịch điện ly và hai điện cực nối với
nguồn điện một chiều bên ngoài.

Cực âm gọi là Catod (-):
Dạng oxy hoá  khử
Zn2+ + 2e = Zn
 Quá trình khử.

Cực dương gọi là Anod (+):
Dạng khử  dạng oxy hóa
2Cl- = Cl2 + 2e
 Quá trình oxy hóa.
QUÁ TRÌNH ĐiỆN PHÂN
7.2. Quá trình điện phân
7.2.1. Hiện tượng điện phân

Quá trình khử dạng oxy hóa của cặp oxy hóa khử.

Khi có nhiều dạng oxy hóa thì sẽ khử dạng oxy hóa của cặp
nào có khả năng oxy hóa mạnh nhất tức là có thế điện
cực lớn nhất.

Dạng oxy hóa chính là cation KIM LOẠI hay HYDRO trong

dung dịch  ION NÀO PHÓNG ĐiỆN???
QUÁ TRÌNH ĐiỆN PHÂN
Tại cực âm (Catod)
7.2. Quá trình điện phân
7.2.1. Hiện tượng điện phân
Nguyên tắc chung

Thế hydro: ϕH2 = -0,059.pH

Trung tính pH = 7  ϕH2 = -0,059.7 = -0,41V

Vì vậy:
+ Kim loại có ϕ > -0,41V sẽ phóng điện
M+n + ne = M
+ Kim loại có ϕ < -0,41V thì H+/H2O phóng điện:
2H+ + 2e = H2 (pH < 7)
2H2O + 2e = H2 + 2OH- (pH > 7)
QUÁ TRÌNH ĐiỆN PHÂN
Tại cực âm (Catod)
7.2. Quá trình điện phân
7.2.1. Hiện tượng điện phân
Nguyên tắc chung

Quá trình oxy hóa dạng khử của cặp oxy hóa khử, thường là
anion của AXÍT hay HYDROXÍT

Khi có nhiều dạng khử thì sẽ oxy hóa dạng khử của cặp nào có
khả năng khử mạnh nhất tức là có thế điện cực nhỏ nhất.
QUÁ TRÌNH ĐiỆN PHÂN
Tại cực dương (Anod)

7.2. Quá trình điện phân
7.2.1. Hiện tượng điện phân
Nguyên tắc chung