Giáo án điện tử hóa học: Một số ứng dụng của điện hóa học doc

CH
CH
ƯƠNG 6
ƯƠNG 6
MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA
MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA
ĐIỆN HÓA HỌC
ĐIỆN HÓA HỌC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN
BỘ MÔN HÓA LÝ

NỘI DUNG BÁO CÁO
6.1 Nguồn điện hóa học
6.2 Điện phân
6.3 Ăn mòn và chống ăn mòn kim loại
NỘI DUNG CHƯƠNG 6

6.1 Nguồn điện hóa học
Một số nguồn điện hóa thông dụng
Một số nguồn điện hóa thông dụng
- Pin
- Acquy
- Sự điện phân

6.1.1 Pin
a. Các loại pin
Pin là nguồn điện một chiều được tạo ra nhờ năng lượng của
các phản ứng hóa học. Pin được ứng dụng rộng rãi trong kỹ
thuật vô tuyến, thông tin, điện tử, tự động hóa và nhiều lĩnh vực
kinh tế quốc dân khác.

6.1.1 Pin
a. Các loại pin
•
Pin khô Le clanché
-
Pin Le clanché thuộc loại pin
muối hay còn gọi là pin acid.
-
Sơ đồ:
(–) Zn | NH
4
Cl | MnO
2

(r)
+ C | C (+)
Hình 6.1 Pin Le Clanché

•
Các phản ứng chính như sau:
(–): Zn  Zn
2+
+ 2e
(+): 2MnO
2
+ 2H
+
+ 2e  Mn
2

O
3
.H
2
O
Do sự có mặt của NH
3
, NH
4
+
và Cl
–
; chúng
sẽ phản ứng với Zn
2+
để tạo ra các sản phẩm
phụ như ZnMn
2
O
4
; ZnCl
2
; Zn(OH)
2
;
Zn(NH
3
)
2
Cl

2
, các sản phẩm phụ này tích tụ
dần dần quanh cực dương làm cho pin mất
dần khả năng hoạt động.
Zn + 2NH
4
+
+ 2MnO
2

(r)
 Zn
2+
+ NH
3
+ 2MnO(OH)

Pin Le clanché là loại được
sử dụng rộng rãi nhất hiện
nay. Ở Việt Nam, pin Le
clanché được sản xuất dưới
nhãn hiệu pin Con Thỏ (Văn
Điển, Hà Nội), pin Con Ó.
Điện áp của pin khô vào
khoảng 1,5V.
Vỏ ngoài
Than chì
(cathode)
Zn (anode)
hỗn hợp

NH
4
Cl + ZnCl
2
Bột than chì +
MnO
2
bao quanh
cathode
Hình 6.2 Pin Le Clanché



Pin kiềm Mangan
•
Cấu tạo: (–) Zn, Hg | KOH
(dd)
| MnO
2
, C (+)
•
Phản ứng ở các điện cực:
Cực (–)
Zn + 4OH
–
+ 2H
2
O → [Zn(OH)
4
(H

2
O)
2
]
2–
+ 2e (i)
[Zn(OH)
4
(H
2
O)
2
]
2–
 ZnO + 2OH
–
+ 3H
2
O
Cực (+)
MnO
2
+ H
2
O + e  MnO(OH) + OH
–
MnO(OH) + H
2
O + e  Mn(OH)
2

+ OH
–


Hình 4.2 Pin kiềm
Ở anode,
ZnO phủ
dần lên Zn
và làm cho
Zn thụ động,
cản trở phản
ứng (i) tiếp
tục xảy ra.


Pin kiềm thuỷ ngân
Anode làm bằng hỗn hống kẽm - thủy ngân; hỗn hợp
HgO và Cacbon ở dạng kem nhão đóng vai trò cathode, còn
chất điện ly là KOH và ZnO. Các phản ứng tại điện cực:
Anode : Zn(Hg) + 2OH
–
 ZnO
(r)
+ H
2
O
(l)
+ 2e
Cathode : HgO
(r)

+ H
2
O
(l)
+ 2e  Hg
(l)
+ 2OH
–
Zn
(r)
+ HgO
(r)
+ H
2
O + 2OH
–
 Hg + [Zn(OH)
4
]
2–
Điện áp của pin thủy ngân bằng 1,35V.

Đối tượng
Đối tượng
sử dụng của
sử dụng của
pin kiềm
pin kiềm
thủy ngân
thủy ngân

Đối tượng
Đối tượng
sử dụng của
sử dụng của
pin kiềm
pin kiềm
thủy ngân
thủy ngân


Pin liti
Pin liti là sự tổ hợp mới mẻ giữa anode Li với cathode là
oxit hoặc sulfur kim loại chuyển tiếp (ví dụ như MnO
2
,
V
6
O
13
hoặc TiS
2
). Khi phóng điện:
•
Ở anode xảy ra sự oxi hóa Li:
Li
(r)
→ Li
+
(trong chất điện giải rắn) + e
•

Ở cathode xảy ra sự khử MnO
2
:
MnO
2
+ Li
+
+ e → LiMnO
2

(r)
Phản ứng tổng cộng:
Li
(r)
+ MnO
2(r)
→ LiMnO
2(r)
E
pin
= 3,0V

Đối tượng sử dụng
Đối tượng sử dụng
của pin Liti
của pin Liti

Tên pin Đối tượng sử dụng Ưu và nhược điểm
Pin khô
Le clanché

Radio, đèn pin, đồ
chơi
Rẻ sạch, nhiều kích cỡ. Khi làm việc với
cường độ cao, NH
3
có thể làm ngắt mất dòng.
Tuổi thọ thấp. Có thể ghép nối tiếp nhiều pin
khô để tạo pin có điện áp cao hơn. Dung
lượng pin vào khoảng 0,1 Ah/cm
3
.
Pin kiềm
Mangan
Radio, đèn pin, đồ
chơi
Không bị ngắt dòng. Thời gian hoạt động lâu
hơn pin Le clanché. Sạch, nhiều kích cỡ
nhưng đắt hơn pin Le clanché.
Pin kiềm
thuỷ ngân
Đồng hồ, máy trợ
thính, máy tính
nhỏ, camera…
Kích thước nhỏ, giá thành cao hơn pin khô và
thải ra thuỷ ngân độc. Có điện áp hơi nhỏ hơn
song lại ổn định hơn do thành phần chất điện
ly không thay đổi trong quá trình sử dụng.
Dung lượng của pin này vượt xa pin khô: 0,3
Ah/cm
3

.
Pin liti
Máy tính, đồng hồ,
máy ghi hình, máy
tính xách tay.
Không độc nhưng đắt tiền, thời gian sử dụng
ngắn, có thể tái nạp điện nhưng điện thế dễ
biến đổi.

b. Acquy
Acquy là nguồn điện hóa học có khả năng hoạt động lâu dài
nhờ tính chất thuận nghịch của quá trình phóng điện và nạp điện
của nó.
Acid Kiềm
Chì Niken - Sắt Bạc - Zn Niken - Cadimi
Anode Pb Fe Zn Cd
Cathode
Pb, PbO
2
C, NiOOH
Ag, Ag
2
O
C, NiOOH
Sức điện động (V) 2,00 1,36 1,60 1,30
Bảng 6.2 Các loại acquy chính đã được thương mại hóa


Acquy chì
(cũng thường được gọi là acquy acid)

Lưới chì xốp
Dung dịch
H
2
SO
4
30%
Lưới chì phủ
PbO
2
xốp

Acquy chì gồm hai tấm chì khoét nhiều lỗ chứa
PbO nhúng trong dung dịch H
2
SO
4
nồng độ 25% –
30%, lúc này xảy ra phản ứng:
PbO + H
2
SO
4
= PbSO
4
+ H
2
O
•
Khi nạp điện

Khi nạp điện (sạc):
(+): PbSO
4
– 2e
-
+ 2H
2
O = PbO
2
+ SO
4
2-
+ 4H
+
(–): PbSO
4
+ 2e
-
= Pb + SO
4
2-

Như thế trong cả acqui xảy ra phản ứng:
2PbSO
4
+ 2H
2
O = Pb + PbO
2
+ 2H

2
SO
4

và PbSO
4
ở cực âm biến thành chì hoạt động, ở cực
dương biến thành PbO
2
.

• Khi acquy hoạt động sẽ xảy ra quá trình
phóng điện
phóng điện
:
:
(–): Pb – 2e
-
+ SO
4
2-
→ PbSO
4

(+): PbO
2
+ 2e
-
+ 4H
+

+ SO
4
2-
→ PbSO
4
+ 2H
2
O
Như thế trong cả acquy xảy ra phản ứng:
Pb + PbO
2
+ 2H
2
SO
4
= 2PbSO
4
+ 2H
2
O
Acquy chì được phát minh năm 1859 do Gaxton
Planté – nhà vật lý người Pháp (1834 –1889).
Hiện nay, trên một nửa lượng chì trên thế giới sản
xuất ra được dùng để sản xuất acquy chì.


Acquy kiềm Nicad và niken – sắt
Phản ứng tạo dòng điện như sau:
2NiOOH + M + 2H
2

O 2Ni(OH)
2
+ M(OH)
2
Sức điện động khoảng 1,30 – 1,34V đối với acquy
Ni – Cd và khoảng 1,37 – 1,41V đối với acquy Ni – Fe.
Acquy kiềm có tuổi thọ cao, đạt đến 1 – 2 nghìn chu
kỳ phóng – nạp điện.
phóng điện
nạp điện


Acquy Ni – Ag, với phản ứng:
Ag
2
O + Zn ZnO + 2Ag
SĐĐ: 1,60 – 1,85V với 100 – 200 chu kỳ làm việc.

Acquy Niken – Hiđro, với phản ứng:
2NiOOH + H
2
2Ni(OH)
2
SĐĐ: 1,32 – 1,36V với vài nghìn chu kỳ làm việc.
phóng điện
nạp điện
phóng điện
nạp điện

MỘT SỐ ACQUY HIỆN ĐẠI

MỘT SỐ ACQUY HIỆN ĐẠI
MỘT SỐ ACQUY HIỆN ĐẠI
MỘT SỐ ACQUY HIỆN ĐẠI

ỨNG DỤNG
CỦA ACQUY

6.1.2 Pin nhiên liệu
a. Pin nhiên liệu hiđro - oxi
Anode:
2H
2
+ 4OH
–
 4H
2
O
(L)
+ 4e
–
Cathode:
O
2
+ 2H
2
O
(L)
+ 4e
–
 4OH

–
Tổng quát: 2H
2
+ O
2
 H
2
O
Sức điện động của pin:
E
0
= ϕ
0
Ox
+ ϕ
0
Red
= 0,83 + 0,40 = 1,23V

•


Sử dụng
Sử dụng: cung cấp điện năng và nước tinh khiết trong các
chuyến bay vũ trụ.
•


Ưu điểm
Ưu điểm: Sạch, nhiều pin nhiên liệu hoạt động không gây

ô nhiễm môi trường. Tạo nguồn điện năng di động.
•


Nhược điểm
Nhược điểm: Khác với các pin thông thường, pin nhiên
liệu không tích trữ được điện năng, nó chỉ hoạt động khi
dòng nhiên liệu được nạp vào liên tục. Điện cực mau hỏng
và rất đắt.
a. Pin nhiên liệu hiđro - oxi