giáo trình bài giảng môn điện hóa

Tài liệu tham khảo
PHẦN I. CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA
Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐIỆN HÓA
I.1. Một số khái niệm :

- Điện hóa là tên gọi một lĩnh vực trong hóa học nghiên cứu về mối liên hệ giữa các
quá trình hóa học và dòng điện. Một phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện chạy
qua, hay qua phản ứng hóa học có một hiệu điện thế, đây là những quá trình điện hóa.
Trong các quá trình này luôn tồn tại đồng thời hai hiện tượng: ôxi hóa và ôxi hóa
khử (phản ứng ôxi hóa khử)
- Điện hóa học là khoa học nghiên cứu sự chuyển hóa tương hỗ giữa hóa năng và điện
năng, tức là nghiên cứu mối quan hệ qua lại giữa phản ứng hóa học và dòng điện. Việc
nghiên cứu sự chuyển hóa tương hỗ giữa hai dạng năng lượng được phát triển từ lâu và
ngày càng có nhiều ứng dụng rộng rãi, hữu ích trong đời sống và trong công nghiệp.
- Khi nghiên cứu đến các quá trình điện hóa, thường hay gặp các đại lượng sau đây :
* Điện thế : ( V, mV)
- Điện thế điện cực, điện thế điểm không tích điện
- Điện thế oxy hóa- khử
- Điện thế thoát kim loại, điện thế phóng điện
- Phân cực
- Quá thế
* Dòng điện, mật độ dòng điện : (A,mA ; a/m
2
, mA/cm
2
A/lit

)
- Dòng A nốt; dòng Ca tốt;
- Mật độ dòng anôt ; mật độ dòng catốt
- Mật độ dòng thể tích ( A/lit)

* Chất điện ly :
- Thành phần chất điện ly
- Anolic – dung dich ở vùng anôt; Catolic- Dung dịch vùng catốt
* Dung lượng, Hiệu suất dòng
* Điện cực trong kỹ thuật điện hóa :
- Điện cực anôt ; điện cực phụ, điện cực làm việc
- Điện cực catôt
- Điện cực so sánh ; Điện cực so sánh điều khiển
* Quá thế
Quá thế là hiện tượng khi đặt vào điện cực một hiệu điện thế bằng thế điện cực nhưng
không xãy ra quá trình điện phân mà cần một hiệu điện thế cao hơn.
* Phân cực
* Điện trở phân cực
* Thụ động, hoạt động.
* Đương lượng điện hóa
1
* Định luật Faraday
Định luật 1
Khối lượng chất thoát ra tỉ lệ với điện lượng qua bình điện phân.
m = k.Q
Trong đó, k là đương lượng điện hóa; về giá trị của nó bằng khối lượng chất thoát ra ở
điện cực khi có một đơn vị điện lượng đi qua bình điện phân.
Q là điện lượng có thể tính bằng đơn vị Faraday (F),
1F = 96.500 C = 26,8 A.h
Định luật 2
Những điện lượng như nhau đi qua bình điện phân làm thoát ra cùng một số đương
lượng gam chất.
Cứ 1F điện lượng đi qua bình điện phân thoát ra 1 đương lượng gam chất bất kỳ.
Thay Q = I.t và Đ = A/n thì biểu thức toán học của định luật là
m = (A.I.t)/(n.F)

Trong đó, I cường độ dòng điện (Ampe); t là thời gian (giây), F = 96500 Coulomb.
I.2. Một số ứng dụng kỹ thuật điện hóa
I.2.1. Tách và tinh luyện kim loại bằng điện phân
Tinh luyện Zn, Tinh luyện Đồng
Tinh luyện Zn bằng điện phân
Luyện Zn thông dụng nhất là điện phân dung dịch ZnSO4. Sản phẩm Zn thu được có
thể đạt 99,99%.
Phản ứng ở cathode, kết tủa Zn:
Zn
2+
+ 2e → Zn
Oxi thoát ra trên điện cực không tan: 2H
2
O → O
2
+ 4H
+
+ 4e
- Do quá thế của H
2
trên Zn rất cao nên Zn có thể kết tủa trong môi trường acid với
hiệu suất rất cao. Thế khử của Zn
+
âm hơn điện thế khử của H
+
. Có mặt các tạp chất
khác, chúng sẽ kết tủa đồng thời với Zn. Trên cathode, có những vị trí có quá thế hiđro
thấp.
- Tinh luyện Zn bằng điện phân
Quá trình thoát hiđro xảy ra mạnh, đồng thời với hòa tan Zn đã được kết tủa (theo cơ

chế pin cục bộ). Các tạp chất như Cu, Bi, Ge và Sb không chỉ làm giảm hiệu suất dòng
mà còn ngăn không cho Zn kết tủa. Vì vậy mục đích xử lý quặng Zn để tạo ra dung
dịch kẽm sunfat không có tạp chất ảnh hưởng không tốt đến phản ứng cathode.
- Tinh luyện Zn bằng điện phân.
Tinh luyện Đồng
Đồng sản xuất bằng các quá trình luyện kim chứa nhiều tạp chất, thường 0,5 – 2%. Tạp
chất ảnh hưởng xấu đến tính chất cơ, điện của Cu. 0,15% P hoặc 0,5 % As sẽ giảm
đáng kể độ dẫn điện. Vì vậy, cải thiện tính chất điện của Cu là lý do chính của điện
phân tinh luyện. Lý do thứ hai của tính luyện điện hoá là tách các kim loại quý như Au,
Ag, Pt, Pd Các phản ứng chính ở điện cực
Cu – 2e → Cu
2+
(anode)
Cu
2+
+ 2e → Cu kết tủa (cathode)
Các kim loại tạp chất có mặt ở anode đồng, như Fe, Zn cũng bị oxi hóa thành Fe
2+
và
2
Zn
2+
trong dung dịch song chúng không bị khử ở cathode tại thế khử đồng. Các kim
loại có thế dương điện hơn như vàng, bạc không bị oxi hóa anode và đọng lại ở đáy
bình điện phân khi anode đồng bị hòa tan. Bằng cách này đồng đạt độ ròng là 99,5%.
I.2.2. Mạ kim loại
* Lớp mạ bảo vệ
Nhiệm vụ chủ yếu của lớp mạ này là bảo vệ kim loại bền khỏi bị ăn mòn trong môi
trường sử dụng.
- Lớp mạ bảo vệ không chỉ cách ly kim loại nền khỏi bị tác dụng va chạm của môi

trường xung quanh mà còn có tác dụng bào vệ điện hóa kim loại nền. Căn cứ vào cơ
chế ăn mòn điện hóa mà người ta chia lớp mạ thành lớp mạ anode và lớp mạ cathode:
- Lớp mạ anode là lớp mạ mà kim loại có điện thế âm hơn điện thế kim loại nền trong
môi trường ăn mòn
- Lớp mạ anode phổ biến trong thực tế: lớp mạ kẽm, cadimi, thiếc trên thép.
- Lớp mạ cathode là lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế dương điện hơn điện thế kim
loại nền trong môi trường ăn mòn. Lớp mạ cathode bảo vệ hiệu quả kim loại nền nếu là
lớp mạ liên tục, không bong, tróc, nứt nẻ hoặc có lỗ xốp.
* Lớp mạ trang trí
Lớp mạ có màu sắc đẹp, bóng sáng, hấp dẫn thị hiếu và giữ được vẻ đẹp trong một thời
gian dài cho các thiết bị, máy móc, dụng cụ, đồ trang sức, nữ trang,…
Người ta còn tạo được lớp mạ trang trí bằng cách mạ áo một lớp mỏng kim loại quý
hiếm như vàng, rodi, platin, paladi hoặc crom. Lớp mạ áo của các kim loại nói trên có
màu sắc đẹp, bóng, sáng giữ được vẻ đẹp hấp dẫn trong nhiều môi trường.
* Lớp mạ trang trí, bảo vệ
Lớp mạ vừa có tính bảo vệ có hiệu quả kim loại nền vừa có tính trang trí cao. Chỉ có
lớp mạ cathode mới thỏa mãn được các đặc tính trên của lớp mạ trang trí bảo vệ. Các
lớp mạ sau đây thường đóng vai trò lớp mạ trang trí bảo vệ:
- Lớp mạ niken – crom.
- Lớp mạ đồng – crom hay đồng thau – crom.
- Lớp mạ đồng – niken – crom.
- mạ lên nhựa
Trong các lớp mạ trang trí bảo vệ, lớp mạ trung gian đóng vai trò lớp mạ bảo vệ.
* Lớp mạ kỹ thuật
Lớp mạ điện được sử dụng rộng rãi với mục đích kỹ thuật, ví dụ:
- Lớp mạ làm tăng độ bền chống ma sát ổ trục.
- Lớp mạ làm phục hồi các trục, các chi tiết bị mài mòn.
- Trong công nghiệp bán dẫn (transitor, diot,…) người ta dùng lớp mạ vàng để mạ các
tiếp điện, các linh kiện điện tử,…
- Tạo lớp mạ crom vi rãnh trong pittong, xylanh để thấm dầu, chống ma sát.

I.2.3. Đánh bóng điện hóa
Nhiều kim loại khó đánh bóng đặc biệt là nhôm và các loại thép không gỉ, có thể đánh
bóng bằng phương pháp điện hóa một cách dễ dàng, hiệu quả cao, giá thành hạ. Có ba
nhóm kim loại thường được đánh bóng điện hóa:
3
- Nhôm và các hợp kim của nó.
- Đồng và các loại hợp kim của nó.
- Các loại thép.
Chỉ các hợp kim một pha (dung dịch rắn) và kim loại nguyên chất mới có thể đánh
bóng điện hóa.
I.2.4. Tẩy dầu mỡ điện hóa
Trong kỹ thuật mạ kim loại người ta cần phải làm sạch dầu mỡ trên bề mặt các chi tiết.
Phương pháp điện hóa làm sạch bề mặt có tác dụng tốt nhất, có thể tiến hành tẩy dầu
mỡ anode, cathode và tẩy dầu hỗn hợp.
Các phương pháp tẩy dầu mỡ điện hóa: tẩy dầu mỡ cathode; tẩy dầu mỡ anode; tẩy dầu
mỡ hỗn hợp.
I.3. Điện phân sản xuất háa chất
I.3.1. sản xuất Xut-Clo
I.3.2. sản xuất MnO
2…
I.3.3.Tổng hợp các chất hữu cơ bằng phương pháp điện hóa
I.4. Nguồn điện hóa học : Pin, Ắc Quy
I.5. Xử lý môi trường bằng phương pháp điện hóa
I.6. Ăn mòn - chống ăn mòn kim loại
. Ăn mòn kim loại
. Chống ăn mòn kim loại
Phương pháp bảo vệ điện hóa: gồm phương pháp bảo vệ cathode bằng điện cực
anôt “hy sinh” và phương pháp bảo vệ cathode bằng dòng điện ngoài.
Chương 2. MẠ ĐIỆN
II.1. Cơ sở lý thuyết:

Kỹ thuật mạ điện là của quá trình điện hóa phủ lớp kim loại lên một vật.
Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm catôt, kim loại mạ gắn với
cực dương anôt của nguồn điện trong dung dịch điện môi. Cực dương của nguồn điện
sẽ hút các electron e
-
trong quá trình ôxi hóa và giải phóng các ion kim loại dương,
dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm, tại đây chúng
nhận lại e
-
trong quá trình ôxi hóa khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt của vật
được mạ. Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của nguồn và thời
gian mạ.
Ví dụ: mạ đồng trong dung dịch điện môi SO
4
2-
, tại cực dương:
Cu → Cu
2+
+ 2e
-
Cu
2+
+ SO
4
2-
→ CuSO
4
CuSO
4
dễ tan trong dung dịch, tại cực âm

CuSO
4
→ Cu
2+
+ SO
4
2-
Cu
2+
+ 2e
-
→ Cu
4
Hình II.1. Sơ đồ nguyên tắc bể mạ đồng
Kim loại mạ thường là vàng, bạc, đồng, niken và được dùng trong việc sản xuất đồ
trang sức, linh kiện điện tử, tế bào nhiên liệu, đồ gia dụng không gỉ,
Hình II.2. Sơ đồ nguyên tắc bể mạ đồng
II.2. Điều kiện tạo thành lớp mạ điện
Mạ điện là một công nghệ điện phân. Quá trình tổng quát là:
- Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot :
M – ne → M
n+
-Trên catot xảy ra quá trình cation phóng điện trở thành kim loại mạ :
M
n+
+ ne → M
Thực ra quá trình trên xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao nhiều giai đoạn nối
tiếp nhau như: quá trình cation hidrat hóa di chuyển từ dung dịch vào bề mặt catot (quá
trình khuếch tán) ; cation mất lớp vỏ hidrat, vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catot (quá
trình hấp phụ) ; điện tử chuyển từ catot điền vào vành hóa trị của cation, biến nó

thành nguyên tử kim loại trung hòa (quá trình phóng điện) ; các nguyên tử kim loại này
sẽ tạo thành mầm tinh thể mới, hoặc tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã hình thành
trước đó. Mọi trở lực của các quá trình trên đều gây nên một độ phân cực catot, (quá
thế catot ), tức là điện thế catot dịch về phía âm hơn một lượng so với cân bằng :
5
η
c
= φ
cb
- φ = η
nđ
+ η
đh
+ η
kt
Trong đó :
η
c
: quá thế tổng cộng ở catot
φ
cb
: điện thế cân bằng của catot
φ: điện thế phân cực catot (đã có dòng i)
η
nđ
: quá thế nồng độ (phụ thuộc vào quá trình khuếch tán)
η
đh
: quá thế chuyển điện tích
η

kt
: quá thế kết tinh
Do đó, điện kết tủa kim loại trên catot sẽ chỉ diễn ra khi nào điện thế catot dịch chuyển
khỏi vị trí cân bằng về phía âm một lượng đủ để khắc phục các trở lực nói trên.
• Điều kiện xuất hiện tinh thể
Trong điều kiện điện kết tủa kim loại trong dung dịch, yếu tố quyết định tốc độ tạo
mầm tinh thể là tỷ số giữa mật độ dòng điện catot Dc và mật độ dòng trao đổi i
0
:
β = D
c
/ i
0
Mặt khác, theo phương trình Tafel :
η = a + b.log D
c
Suy rộng ra, mọi yếu tố làm tăng phân cực catot đều cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn,
và ngược lại. Các mầm tinh thể ban đầu mới xuất hiện được ưu tiên tham gia vào mạng
lưới tinh thể của kim loại nền ở vị trí có lợi nhất về mặt năng lượng. Đó là những chỗ
tập trung nhiều nguyên tử láng giềng nhất, vì ở đó năng lượng dư bề mặt lớn nhất, các
mối liên kết chưa được sử dụng là nhiều nhất. Nếu kim loại nền và kim loại kết tủa có
cấu trúc mạng khá giống nhau về hình thái, kích thước thì cấu trúc của kim loại nền
được bảo tồn và kim loại kết tủa sẽ phát triển theo cấu trúc đó (cấu trúc lai
ghép (epitaxy)), xảy ra ở những lớp nguyên tử đầu tiên. Sau đó sẽ dần chuyển về cấu
trúc vốn có của nó ở những lớp kết tủa tiếp theo. Trường hợp này cho lớp kim loại mạ
có độ gắn bám rất tốt, xấp xỉ với độ bền liên kết của kim loại nền. Nếu thông số
mạng của chúng khác khá xa nhau, hoặc bề mặt chúng có tạp chất hay chất hấp phụ, thì
sự lai ghép sẽ không xảy ra. Đấy là một trong những nguyên nhân gây nên ứng suất nội
và làm lớp mạ dễ bong.
• Thành phần chất điện giải

Chất điện giải dùng trong mạ điện thường là dung dịch nước của muối đơn hay
muối phức. Dung dịch muối đơn còn gọi là dung dịch axit. Cấu tử chính của dung dịch
này là muối của các axit vô cơ hòa tan nhiều trong nước và phân ly hoàn toàn trong
dung dịch thành các ion tự do. Ở dung dịch này, phân cực nồng độ và phân cực hóa
học không lớn lắm nên lớp mạ thu được thô, to, dày mỏng không đều, rất dễ bị lỏi. Mặt
khác dung dịch muối đơn cho hiệu suất dòng điện cao, và càng cao khi mật độ
dòng lớn. Thường được dùng để mạ những chi tiết có hình thù đơn giản như dạng tấm,
dạng hộp… Dung dịch muối phức dược tạo thành khi pha chế dung dịch từ các cấu
tử ban đầu. ion kim loại mạ sẽ tạo phức với các ligan thành ion phức. hoạt độ của ion
6
kim loại tự do giảm đi rất nhiều. do đó điện thế tiêu chuẩn dịch về phía âm rất nhiều.
điều này giúp cho lớp mạ mịn, phủ kín, dày đều… được dùng để mạ các chi tiết có
hình thù phức tạp… Để tăng độ dẫn điện cho dung dịch, thường pha thêm các
chất điện giải trơ. Các chất này không tham gia vào quá trình catot và anot mà chỉ đóng
vai trò chuyển điện trong dung dịch, làm giảm điện thế bể mạ. Các chất dẫn điện
thường dùng là Na
2
SO
4
, H
2
SO
4
, Na
2
CO
3
… Để ổn định pH cho dung dịch mạ, cần phải
thêm vào dung dịch chất đệm pH thích hợp để tạo môi trườngthích hợp nhất cho phản
ứng điện kết tủa xảy ra. Các chất hoạt động bề mặt bao gồm các chất bóng loại I, loại

II, các chất thấm ướt, chất chống thụ động anot thường là những hợp chất hữu cơ, có
tác dụng hấp phụ lên bề mặt phân chia pha, tham gia vào một số quá trình mong muốn,
làm cho lớp mạ thu được có chất lượng tốt hơn.
II.3. Gia công bề mặt trước khi mạ
• Gia công cơ học
Gia công cơ học là quá trình giúp cho bề mặt vật mạ có độ đồng đều và độ nhẵn cao,
giúp cho lớp mạ bám chắc và đẹp. có thể thực hiện gia công cơ học bằng nhiều cách :
mài, đánh bóng (là quá trình mài tinh), quay xóc đối với các vật nhỏ, chải, phun tia cát
hoặc tia nước dưới áp suất cao Quá trình gia công cơ học làm lớp kim loại bề mặt sản
phẩm bị biến dạng, làm giảm độ gắn bám của lớp mạ sau này. Vì vậy trước khi mạ cần
phải hoạt hóa bề mặt trong axit loãng rồi đem mạ ngay.
• Tẩy dầu mỡ
Bề mặt kim loại sau nhiều công đoạn sản xuất cơ khí, thường dính dầu mỡ, dù rất
mỏng cũng đủ để làm cho bề mặt trở nên kị nước, không tiếp xúc được với dung dịch
tẩy, dung dịch mạ… Có thể tiến hành tẩy dầu mỡ bằng các cách sau: Tẩy trong dung
môi hữu cơ như tricloetylen C
2
HCl
3
, tetracloetylen C
2
C
14
, cacbontetraclorua CCl
4
…
chúng có đặc điểm là hòa tan tốt nhiều loại chất béo, không ăn mòn kim loại, không
bắt lửa. Tuy nhiên, sau khi dung môi bay hơi, trên bề mặt kim loại vẫn còn dính lại lớp
màng dầu mỡ rất mỏng => không sạch, cẩn phải tẩy tiếp trong dung dịch kiềm. Tẩy
trong dung dịch kiềm nóng NaOH có bổ sung thêm một số chất nhũ tương hóa như

Na
2
SiO
3
, Na
3
PO
4
… Với các chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật sẽ tham gia phản
ứng xà phòng hóa với NaOH và bị tách ra khỏi bề mặt. Với những loại dầu mỡ khoáng
vật thì sẽ bị tách ra dưới tác dụng nhũ tương hóa của Na
2
SiO
3
. Tẩy trong dung dịch
kiềm bằng phương pháp điện hóa, dưới tác dụng của dòng điện, oxy và hidro thoát ra
có tác dụng cuốn theo các hạt mỡ bám vào bề mặt. tấy bằng phương pháp này dung
dịch kiềm chỉ cần pha loãng hơn so với tẩy hóa học đã đạt hiệu quả. Tẩy dầu mỡ siêu
âm là dùng sóng siêu âm với tần số dao động lớn tác dụng lên bề mặt kim loại, những
rung động mạnh sẽ giúp lớp dầu mỡ tách ra dễ dàng hơn.
• Tẩy gỉ
Bề mặt kim loại nền thường phủ một lớp oxit dày, gọi là gỉ. tẩy gỉ hóa học cho kim loại
đen thường dùng axit loãng H
2
SO
4
hay HCl hoặc hỗn hợp của chúng. Khi tẩy thường
diễn ra đồng thời 2 quá trình: hòa tan oxit và kim loại nền. Tẩy gỉ điện hóa là tẩy gỉ
7
hóa học đồng thời có sự tham gia của dòng điện. Có thể tiến hành tẩy gỉ catot hoặc tẩy

gỉ anot. Tẩy gỉ anot lớp bề mặt sẽ rất sạch và hơi nhám nên lớp mạ sẽ gắn bám rất tốt.
Tẩy gỉ catot sẽ sinh ra H mới sinh, có tác dụng khử một phần oxit. Hidro sinh ra còn
góp phần làm tơi cơ học màng oxit và nó sẽ bị bong ra. Tẩy gỉ bằng catot chỉ áp dụng
cho vật mạ bằng thép cacbon, còn với vật mạ Ni, Cr thì không hiệu quả lắm.
• Tẩy bóng điện hóa và hóa học
Tẩy bóng điện hóa cho độ bóng cao hơn gia công cơ học. lớp mạ trên nó gắn bám tốt,
tinh thể nhỏ, ít lỗ thủng và tạo ra tính chất quang học đặc biệt. Khi tẩy bóng điện hóa
thường mắc vật tẩy với anot đặt trong một dung dịch đặc biệt. Do tốc độ hòa tan của
phần lồi lớn hơn của phần lõm nên bề mặt được san bằng và trở nên nhẵn bóng. Cơ chế
tẩy bóng hóa học cũng giống tẩy bóng điện hóa. Khi tẩy bóng hóa học cũng xuất hiện
lớp màng mỏng cản trở hoặc kìm hãm tác dụng xâm thực của dung dịch với kim loại
tại chỗ lõm.
• Tẩy nhẹ
Tẩy nhẹ hay còn gọi là hoạt hóa bề mặt, nhằm lấy đi lớp oxit rất mỏng, không nhìn
thấy được, được hình thành trong quá trình gia công ngay trước khi mạ. khi tẩy
nhẹxong, cấu trúc tinh thể của nền bị lộ ra, độ gắn bám sẽ tăng lên.

Hình II.3. Sơ đồ nguyên lý bể mạ bạc
II.4. Ứng dụng xử lý , đánh bóng bề mặt bằng điện hoá, gia công cắt gọt bằng
phương pháp điện hóa
Đánh bóng , xử lý bề mặt vật thể kim loại được ứng dụng phổ biến để gia công các chi
tiết cần có độ bóng cao, bề mặt đẹp, có thể tạo bón trên vật thể phức tạp, không cho
phép gia công.
Trong gia công cơ khí chính xác, có thể dùng để cắt gọt kim loại, hợp kim cứng với độ
chính xác cao mà phương pháp gia công cơ học bị hạn chế.
* Nguyên lý:
- Vật thể cần xử lý đánh bóng được nối vào cực (+) của hệ thống đánh bóng,
- Dung dịch đánh bóng có thành phần thích hợp cho từng loại vật liệu
8
- Chọn mật độ dòng điện, điện thế , thời gian xử lý thích hợp cho vật liệu đánh bóng,

- Khi có dòng điện trong mạch qua vật cần đánh bóng thì sẽ có hòa tan những chỗ gồ
ghề làm cho bề mặt phẳng. Có thể dùng dòng điện có biến đổi để hòa tan chỗ lồi, san
phẳng bề mặt, đánh bóng bề mặt vật thể.
- Đối với việc đánh bóng kim loại bằng chất điện phân, người ta cố gắng đạt được bề
mặt có độ phẳng cao và có khả năng phản chiếu lớn. Để tiến hành đánh bóng, người ta
nhúng sản phẩm cần đánh bóng vào bên cạnh một điện cực trong bể chất điện phân và
nối vào nguồn điện 1 chiều, trong đó sản phẩm cần đánh bóng là cực anốt. Các thử
nghiệm cho thấy, nhiệt độ chất điện phân vào khoảng -30oC sẽ cho hiệu quả đánh
bóng cao nhất. Nhiệt độ càng cao, hiệu quả đánh bóng càng phụ thuộc vào sự ổn định
của điện thế. Do đó cần duy trì ổn định nhiệt độ chất điện phân ở nhiệt độ thấp là rất
cần thiết. Tốc độ đánh bóng phụ thuộc không những nhiệt độ của bể mà còn phụ thuộc
vào loại chất điện phân sử dụng. Chất điện phân trên cơ sở cồn mêtyl cho tốc độ đánh
bóng cao nhất.
* Anốt hóa nhôm
Anôt hóa nhôm là phương pháp được ứng dụng khá nhiều trong công nghệ nhiệt luyện,
chế tạo chi tiết có yêu cầu độ bền bề mặt cao. Phương pháp này tạo ra màng sản phẩm trên
bề mặt nhôm bền, có tính chất cơ lý tốt, độ bền cao.
Khi anôt hóa (anodizing- điện phân các anôt) nhôm trở nên cứng và bền hơn.
Anodizing bao gồm nhúng nhôm tấm vào bể Anodized, hóa chất aceton, tấm nhôm sẽ
trở thành tập hợp các ca nốt cực dương và bề mặt hóa chât là tập hợp của các anode cực
dương. Dòng điện chạy qua bể anoot hóa làm cho bề mặt nhôm bị oxy hóa. Nó tạo thành
lớp vỏ bọc cứng thay cho lớp oxit nhôm. Hnhf thành một lớp sản phẩm có kiên kết cực
mạnh gọi là nhôm anốt hóa.
Nhôm anôt hóa có độ cứng rất cao, có thể gần bằng kim cương.
Nhôm được sử dụng rộng rãi trong thực tế, có độ dẫn tốt. có thể kết hợp anôt hóa để
tạo màu cho bề mặt nhôm theo yêu cầu: màu đen, đồng thiếc và các màu kim loại khác.
Anôt hóa thường được thực hiện ở nhiệt độ rất thấp, có thể đến -40
0
C.
Nhờ tính liên kết mạnh và bền mà nhôm anot có thể sử dụng cho nhiều lĩnh vực khác

nhau. Các linh kiện trong vệ tinh nhân tao, vỏ xe,đồ gia dụng, máy tính , điện thoại cao
cấp, các kết cấu khung cho công trình lộ thiên, ngành điện chiếu sáng, vật trang trí. Lớp
màng anot hóa Al ( gỉ nhôm) là một phần cấu trúc của nhôm nền nguyên bản. Nó rất bền,
không dẽ dàng mất đị khi có tác động cơ học
Anốt hóa cứng đã được biết đến như là một qui trình hiệu quả để tạo ra lớp phủ cứng
và chịu mài mòn trên Al và hợp kim của nó. Lớp phủ này có bề dày khoảng (75-100 m)
lớn hơn các lớp phủ anốt hóa thông thường. Tuy nhiên qui trình anốt hóa cứng lại đòi hỏi
một số điều kiện riêng biệt như nhiệt độ rất thấp, mật độ dòng cao và dung dịch điện phân
đặc biệt. Các đòi hỏi này gây khó khăn cho việc thiết kế và vận hành qui trình.
II.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ
1. Bề mặt vật mạ, xử lý bề mặt trước khi mạ, công nghệ mạ
2. Thành phần dung dịch mạ, tạp chất có trong dung dịch
3. Phụ gia dung dịch mạ
4. Mật độ dòng điện D
a
,
9
5. Nhiệt độ, độ pH, độ nhớt, chế độ khuất trộn
5. Thời gian mạ
6. Phân bố điện cực, khoảng cách giữa các điện cực
II.6. Xử lý , đánh bóng bề mặt bằng điện hoá, gia công cắt gọt bằng phương pháp
điện hóa
Đánh bóng , xử lý bề mặt vật thể kim loại được ứng dụng phổ biến để gia công các chi
tiết cần có độ bóng cao, bề mặt đẹp, có thể tạo.
Trong gia công cơ khí chính xác, có thể dùng để cắt gọt kim loại, hợp kim cứng với độ
chính xác cao mà phương pháp gia công cơ học bị hạn chế.
* Cơ sở hóa lý:
- Vật thể cần xử lý đánh bóng được nối vào cực (+) của hệ thống đánh bóng,
- Dung dịch đánh bóng có thành phần thích hợp cho từng loại vật liệu
- Chọn mật độ dòng điện, điện thế thích hợp cho vật liệu đánh bóng,

- Khi có dòng điện trong mạch qua vật cần đánh bóng thì sẽ có hòa tan những chỗ gồ
ghề làm cho bề mặt phẳng. Có thể dùng dòng điện có biến đổi để hòa tan chỗ lồi, san
phẳng bề mặt, đánh bóng bề mặt vật thể.
Chương 3. ĐIỆN PHÂN SẢN XUẤT KIM LOẠI
III.1. Điện phân trong dung dịch:
Điện phân thu hồi kim loại trên điện cực catốt là phương pháp ứng dụng từ lâu.
Phương pháp này cho phép thu được kim loại có độ tinh khiết cao, là công nghệ luyện
kim loại sạch.
Cơ chế như sau: Me
n+
+ ne  Me.
Ion kim loại dương chuyển đến cức âm, kết tủa trên bề mặt điện cực âm. Vì với mỗi
kim loại có điện thế phóng điện nhất định, trong dung dịch ở điều kiện đã chọn nên sẽ
thu được kim loại tinh khiết. trong thực tế đã ứng dụng nguyên lý này để sản xuất kim
loại bột.
* Sản xuất đồng, bột đồng:
Dung dịch CuSO
4
,
Điện cực anốt: Cu kim loại;
Điện cực Catốt: Cu kim loại; sản phẩm thu được là bột Cu trên catốt
* Tinh chế đồng từ quặng, phế thải bằng phương pháp điện hóa.
- Hòa tan trích ly quặng đồng trong dung dịch axit
- Làm sạch, tinh chế dung dịch trích ly Cu
- Điều chỉnh nồng độ, độ pH, nhiệt độ để đạt theo yêu cầu điện phân
- Điện phân đồng từ dung dịch CuSO
4
- Sản phẩm thu được là Cu kim loại có độ sạch cao
** Tinh luyện Zn bằng điện phân
- Do quá thế của H

2
trên Zn rất cao nên Zn có thể kết tủa trong môi trường acid với
hiệu suất rất cao. Thế khử của Zn2+ âm hơn điện thế khử của H+. Có mặt các tạp chất
khác, chúng sẽ kết tủa đồng thời với Zn. Trên cathode, có những vị trí có quá thế hiđro
thấp.
10
- Tinh luyện Zn bằng điện phân
Quá trình thoát hiđro xảy ra mạnh, đồng thời với hòa tan Zn đã được kết tủa (theo cơ
chế pin cục bộ). Các tạp chất như Cu, Bi, Ge và Sb không chỉ làm giảm hiệu suất dòng
mà còn ngăn không cho Zn kết tủa. Vì vậy mục đích xử lý quặng Zn để tạo ra dung
dịch kẽm sunfat không có tạp chất ảnh hưởng không tốt đến phản ứng cathode.
- Tinh luyện Zn bằng điện phân.
** Tinh luyện Đồng bằng diện phân
Đồng sản xuất bằng các quá trình luyện kim chứa nhiều tạp chất, thường 0,5 – 2%. Tạp
chất ảnh hưởng xấu đến tính chất cơ, điện của Cu. 0,15% P hoặc 0,5 % As sẽ giảm
đáng kể độ dẫn điện. Vì vậy, cải thiện tính chất điện của Cu là lý do chính của điện
phân tinh luyện. Lý do thứ hai của tính luyện điện hoá là tách các kim loại quý như Au,
Ag, Pt, Pd Các phản ứng chính ở điện cực
Cu – 2e → Cu
2+
(anode)
Cu
2+
+ 2e → Cu (cathode)
Các kim loại tạp chất có mặt ở anode đồng, như Fe, Zn cũng bị oxi hóa thành Fe
2+
và
Zn
2+
trong dung dịch song chúng không bị khử ở cathode tại thế khử đồng. Các kim

loại có thế dương điện hơn như vàng, bạc không bị oxi hóa anode và đọng lại ở đáy
bình điện phân khi anode đồng bị hòa tan. Bằng cách này đồng đạt độ ròng là 99,5%.
III. 2. Điện luyện (điện phân nóng chảy), thu kim loại từ quặng
Đặc điểm:
+Thu kim loại tinh khiết ở thể lỏng trên catốt Na, Li, K, Al. Ca tôt lỏng tạo hợp kim
với kim loại, sau đó chưng cất, Catốt Pb lỏng, Ca ( Cu- 1083
0
C , Cu+ 30%Ca 700-
800
0
C
+ Thu kim loại rắn trên ca tốt: nếu KL khó nóng chảy
+ Dòng điện phân rất lớn khoảng 100 KA/m
2
( gấp khoảng 25-100 lần diện phân trong
môi trường dung dịch)
+ Điện phân gần nhiệt độ kết tính, cấu trúc gần giống tinh thể

Hình 3.1. Sơ đồ điện phân.
Các tính chất hóa lý: độ dẫn điện cao KCl, TiCl
3
- 800
0
C,
11
Tỷ trọng: điều chỉnh sao cho Sản phẩm nổi lên ( K, Na), hoặc chim xuống (Al)
Độ nhớt ảnh hưởng đến độ dẫn điện của bể điện phân
* Điện phân muối nóng chảy cần lưu ý:
+ áp suất hơi, nếu P lớn sẽ thất thoát muối nóng chảy
+ Sức căng bề mặt, góc thấm ướt nhỏ thì bề mặt càng dễ thâm sướt

+ Hiệu ứng anốt: khí thoát ra làm chất nóng chảy không thấm ướt điện cực  hồ quang
điện, làm giảm dòng, tăng điện thế thùng điện phân
- Điện tinh luyện:dung dịch hoặc nóng chảy, thu kim loại từ kim loại thô
- Sản xuất kim loại bột: kim loại và hợp kim ( Dung dịch)
Chương 4. ĐIỆN PHÂN SẢN XUẤT HÓA CHẤT (ĐIỆN PHÂN KHÔNG THOÁT KIM LOẠI)
IV. 1. Sản xuất Xút- Clo ( NaOH – Cl
2
)
• Sản xuất Xút – Clo
Xút và Clo là 2 sản phẩm hóa chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiêp. Nguyên liệu sản xuất Xut-Clo là muối NaCl Điện phân dung dịch NaCl theo
chế độ công nghệ sẽ thu được sản phẩm.
Cơ sở lý thuyết:
Thành phần muối: NaCl. MgCl
2
. MgSO
4
, CaCl
2
; CáO
4
KCl
Công nghệ sản xuất Xút -Clo:
- Có thể sản xuất Xút Clo bằng phương pháp điện phân catot rắn hoặc điện phân
bằng Catot lỏng.
- Phương pháp catốt rắn: dùng điện cực catốt rắn để điện phân NaCl. Sản phẩm
thu đước là NaOH trên catốt và Clo trên Anốt. NaOH thu được có nồng độ
loãng, sau đó được cô đặc để có thành phẩm NaOH thương phẩm.
- Sản phẩm Cl
2

, có thể được hấp thu H
2
O để có axit HCl, nước Zaven, khí Clo
12
• Điện phân bằng catốt lỏng- catốt Thủy ngân. Sản phẩm thu được nằm trong hỗn
hống Natri – NaHg
Hình 4.1. Quá trình hòa tan muối NaCl
Hình 4.2. Sơ đồ công nghệ sản xuất Xut-Clo
Có 2 phương pháp sản xuất Xút Clo:
- Phương pháp catốt rắn
- Phương pháp catốt lỏng ( catốt Hg)
13
Nguyên tắc cấu tạo thùng điện phân catốt rắn
Nguyên tắc cấu tạo thùng điện phân catốt lỏng
- Phản ứng tổng thể để sản xuất xút và clo bằng điện phân là:
2 Na
+
+ 2 H
2
O + 2 e
-
→ H
2
+ NaOH
Phản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bình điện phân có màng ngăn:
2NaCl + 2 H
2
O → 2 NaOH + H
2
+ Cl

2
- Dung dịch kiềm sau khi điện phân được cô đặc trong thiết bị cô đặc; đồng thời quá
trình cô dặc có kết tinh của NaCl, muối này sẽ lưu lại trong quá trình điện phân. Khi cô
đặc và nấu chảy có thể thu được 92-94% NaOH và 2-3% NaCl
- Toàn bộ dây chuyền sản xuất NaOH là dựa trên phản ứng điện phân nước muối (nước
cái). Trong quá trình này dung dịch muối (NaCl) được điện phân thành clo nguyên tố
(trong buồng anốt), dung dịch natri hyđroxit, và hiđrô nguyên tố (trong buồng catôt)
[2]
[3]
Nhà máy có thiết bị để sản xuất đồng thời xút và clo thường được gọi là nhà máy
xút-clo.
14
** Phương pháp điện phân NaOH catốt rắn:
Dùng điện cực catốt rắn để điện phân NaCl. Sản phẩm thu được là NaOH trên catốt
và Clo trên Anốt.
- Phương pháp này cho phép nhận NaOH, Cl
2
, H
2
trong cùng một thiết bị điện
Phân.
- Thùng điện phân có màng ngăn để phân chia vùng anôt ( Anotlic) và vùng catốt
( Catotlic).
- NaOH sinh ra trực tiếp trên catốt.
- NaOH thu được có nồng độ loãng, sau đó phải cô đặc để có NaOH thương
phẩm
- Sản phẩm Cl
2
, có thể được hấp thu H
2

O để có axit HCl, nước Zaven, khí Clo…
Phản ứng bên trong bể điện phân:
- Tại anôt: 2Cl
-
-2e  Cl
2
.
- Tại catốt: H
2
O + 2e  H
2
+ OH
-
** Phương pháp điện phân NaOH-Clo catốt lỏng:
- ưu điểm: Cho phép thu được NaOH nồng độ đến 50-52% mà không qua công
đoạn cô đặc.
- Nhược điểm: Điện thế cao
Dùng Ca tốt Hg nên rất độc.
Điện phân bằng catốt lỏng- catốt Thủy ngân. Sản phẩm thu được nằm trong hỗn
hống Natri – NaHg, sau đo tách và tuần hoàn Hg về catôt của bể điện phân
Các yếu tố ảnh hưởng đến điện phân quá trình điện phân NaOH- Clo:
- Nồng độ dung dịch NaCl đưa vào điện phân
- Tạp chất trong dung dịch điện phân
- Mật độ dòng điện trên điện cực
- Nhiệt độ, pH dung dịch nước muối, áp suất thùng điện phân
- Tốc độ tiếp liệu NaCl và tách thu sản phẩm
IV.2. Điện phân MnO
2
MnO
2

được dùng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất. Nguồn điện pin. Tinh chế
quặng MnO
2
Pyroluyzit.
Nguyên liệu sản xuất MnO
2
là quặng Mangan hàm lượng thấp. Chế tạo MnSO
4
từ
quặng; bằng cách điện phân MnSO
4
trong môi trường axit thu được MnO
2
điện giải có
hàm lượng cao dến 99,3 – 99,7%.
Điện phân MnO
2
- Dung dich MnSO
4
/ H
2
SO
4
- Điện cực phải có độ bền cao, chịu được trong môi trường axits Sunfuric ( catốt
bằng chì; Graphit, Điện cực anốt bằng chì, Ti,….)
15
- Chọn mật độ dòng điện phân, nhiệt độ thích hợp để thu được sản phẩm MnO
2
trên vùng anốt.
- Sản phẩm MnO

2
thu được bám trên điện cực hoặc rơi xuống dưới điện cực
- Xử lý làm sach sản phẩm để có được MnO
2
thành phẩm.
IV.3. Sản xuất H
2
O
2
- H
2
O
2
là chất lỏng không màu, có tính oxy hóa mạnh, được dùng trong việc tẩy rửa,
công nghiêp sản xuất giấy, y tế, thực phẩm, xử lý môi trường. Sản xuất H
2
O
2
theo pp
điện phân H
2
SO
4
và Peoxyt Bari đắt vì tốn điện năng, ít dùng trong công nghiệp.
Phương pháp hiện nay dùng là oxy hóa anthraquynol xúc tác Paladi. Là Công nghệ tiên
tiến .
- Trong thiên nhiên H
2
O
2

được tạo nên dưới dạng một sản phẩm quý của quá trình oxi
hoá nhiều chất bởi oxi của không khí. Trong nước mưa và trong dung dịch của một số
cây trồng cũng có những vết H
2
O
2
- Trong công nghiệp, điều chế H
2
O
2
bằng phương pháp điện phân và phương pháp
antraquinon.
Trong phương pháp thứ nhất, người ta điện phân ở nhiệt độ khoảng 5-10
o
dung dịch
H
2
SO
4
50% hoặc dung dịch (NH
4
)
2
SO
4
trong H
2
SO
4
với mặt của dòng điện lớn (~

1A/dm
2
) và điện cực platin. Tuy cơ chế chi tiết của quá trình điện phân chưa được biết
rõ hoàn toàn, cơ chế chung có thể được viết như sau:
2HSO
4
-
–> 2e S
2
O
8
2-
+2H
+
2SO
4
2-
2e S
2
O
8
2-
Axit peoxitdi sunfuric (H
2
S
2
O
8
) được tạo nên khi điện phân sẽ kết hợp với nước tạo
nên H

2
O
2
:
H
2
S
2
O
8
+ 2H
2
O  2H
2
SO
4
+ H
2
O
2
IV.3.4. Tổng hợp các chất hữu cơ bằng phương pháp điện hóa.
- Thực hiện phản ứng oxy hóa khử trên điện cực trong môi trường chất điện ly sẽ thu
được sản phẩm hợp chất hữu cơ theo mong muốn. Nhờ phản ứng điện hóa để thay đổi
cấu trúc nhóm chức, liên kết mà có được hợp chất hữu cơ có cấu trúc liên kết mới
- Phản ứng khử nitro benzen bằng điện hóa là một trong những phản ứng có ý nghĩa
quan trọng đối với lý thuyết và thực nghiệm. Mặc dù nó đã được nghiên cứu hàng chục
năm và số công trình được công bố liên quan đến vấn đề này là rất lớn, nhưng cơ chế
của nó cho đến nay vẫn chưa xác định được một cách chính xác vì sự phức tạp của quá
trình.
- Các giai đoạn trung gian chủ yếu sau: Chuyển chất, khuyếch tán đến bề mặt điện

cực, hấp phụ vào bề mặt điện cực, tương tác thực hiện phản ứng oxy hóa khử, thực
hiện hoàn thiện sản phẩm, khuyếch tán sản phẩm ra khỏi bề mặt điện cực. tốc độ phản
ứng phụ thuộc vào nhiều giai đoạn, nhưng giai đoạn chậm nhất quyết định tốc độ phản
ứng của quá trình.
- Do sự khác biệt giữa các giai đoạn điện hóa riêng và số tương tác hóa học của các sản
16
phẩm trung gian với nhau và với chất tham gia phản ứng, trên các cathode khác nhau
và trong các chất điện ly khác nhau các sản phẩm thu được rất khác nhau (ngoài số kể
trên còn có azokcybenzen, ozobenzen, hydrazobenzen, benzidin và n-amin ofenol).
Chương 5. NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC
- Nguồn điện hóa học là thiết bị tạo ra và duy trì điện thế nhằm có dòng điện trong
mạch. Suất điện động của nguồn điện là đại lượng đo bằng thông số của công A của
các lực làm di chuyển điện tích dương bên trong nguồn điện và độ lớn của điện tích q
đó.
- Để đo suất điện động của nguồn điện, ta mắc hai đầu vôn kế vào hai cực của nguồn
điện khi mạch ngoài để hở.
- Pin kiềm Zn/ MnO2 dùng 1 lần rồi bỏ thì gây ô nhiễm môi trường, Hiện nay có loại
pin nạp , phóng cả trăm lần trên cơ sở MnO
2
đã biến tính RAM/ CEL, pin Li/MnO
2
đang thịnh hành hiện nay, là hiện thân của Li/MnO
2
và Li/LiMn
2
O
4
làm việc hàng trăm
chu kỳ theo nguyên lý “ Rocking- chair”
- Các nguồn điện thế hệ thứ 2 thay thế cho các thế hệ trước là thành tựu cho các NC về

vật liệu mới - nguồn điện. nguyên lý tích trữ năng lượng hoàn toàn mới
- Tích trữ năng lượng mặt trời mới mẻ nhất ở dạng chất mang H
2
– Sử dụng để làm
nhiên liệu trong các pin nhiên liệu để sản xuất điện năng. Con đường đi qua pin mặt
trời- điều chế hydro- pin nhiên liệu nhằm biến năng lượng tản mạn của mặt trời thành
nguồn nhiên liệu ổn định là nguồn năng lượng cho tương lai.
- Nguồn điện cao cấp dùng trong máy tính xách tay như pin Ni/MH và ắc quy ion Li
+
là bộ phân không thể thiếu được, đay là nguồn điện mới nhất ( khoảng 10 năm) có ưu
việt về điện thế danh định, chu kỳ làm việc, dung lượng tích trữ…
- Công nghệ tích hợp vi điện tử còn muốn cấy các nguồn điện hóa cao cấp trên các
chíp vi mạch đặc biết như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên DRAM , khi đó nguồn điện hóa
màng mỏng hoàn toàn rắn có thể được ứng dụng
Nguồn điện có hai loại, nguồn sơ cấp và nguồn thứ cấp. Nguồn sơ cấp chỉ dùng 1 lần,
rồi bỏ đi. Nguồn thứ cấp dược dùng và nạp lại nhiều lần, hàng trăm lần.
5.1. 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.
5.1.1. Pin Đanien (Daniell) :
- Cực âm : thanh Zn ; nhúng vào dung dịch ZnSO4;
- Cực dương : thanh Cu. nhúng vào dung dịch CuSO4
- Giữa 2 dung dịch là một vách xốp để 2 dung dịch không trộn vào nhau nhưng không
ngăn cản chuyển động của các ion.
- Suất điện động của pin Đanien khoảng 1,1V
17
5.1.2. Pin khô Lơclăngsê
Pin Le clanché thuộc loại pin muối hay còn gọi là pin acid.
Sơ đồ:

(–) Zn | NH
4
Cl | MnO
2
(r) + C | C (+)
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.
Pin Lơclăngsê là loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Ở Việt Nam, pin 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.
* Pin Lơclăngsê (Leclanché) :pin Mangan – kẽm
Hệ pin như sau: (-) Zn / NH
4
Cl,ZnCl
2
/ MnO
2
(+)
- Cực âm là kẽm
- Cực dương: là MnO
2
– gồm thanh cọc than, nó được bao bọc xung quanh bằng một
hỗn hợp cực dương được ép rất chặt gồm MnO
2
và graphit ,C. NH
4
Cl.
- Chất điện ly: là dung dịch NH
4
Cl, ZnCl
2
. và phụ gia, chất ức chế ăn mòn kẽm.
Trong thực tế, pin Lơclăngsê khô có dung dịch NH
4
Cl, ZnCl
2
- Dịch hồ tinh bột cho vào trong một vỏ kẽm rồi hóa hồ đặc. Dịch NH
4

Cl để tăng độ
dẫn điện, Khử khí H2 thoát ra ở cực khi pin hoạt động ( giảm nhanh hiệu điện thế giữa
2 cực).
- Trên catốt: MnO
2
+ 4H
+
+ 2e  Mn
2+
+ 2H
2
O.
MnO
2
+ Mn
2+
+ 2H
2
O  2MnOOH + 2H
+
;
Phản ứng tổng là: MnO
2
+ H
2
O + e  MnOOH + OH
-
Phản ứng trong pin là:
Zn + 2MnO
2

+ 2NH
4
Cl  Zn(NH
3
)
2
Cl
2
+ 2MnOOH
18
4Zn + ZnCl
2
+ 8MnO
2
+ 8H
2
O  ZnCl
2
.4Zn(OH)
2
+ 8MnOOH
- Suất điện động của pin khoảng 1,5V.
Phản ứng chính:
- Cực âm (-) Zn – 2e  Zn
2+

- Cực dương: 2 MnO
2
+ 2H
+

 Mn
2
O
3
+ H
2
O
** Cấu tạo pin Mangan-Kẽm:
- Cực dương: hỗn hợp MnO
2
với graphit. Muội than acetylen, NH
4
Cl, ZnCl
2
-

Cực âm: cực âm là Zn. Zn làm nhiệm vụ vỏ đựng dung dịch đồng thời làm điện cực
âm.
*** Công nghệ chế tao pin Mangan-kẽm.
Gồm các bước :
- Chuẩn bị điện cực âm Zn. Ống vỏ kẽm là loại Zn sạch 99,95%. Một lượng nhỏ Cd
được hợp kim hóa. Zn được dập thành ống kín một đầu làm đáy
- Điện cực dương là hỗn hợp MnO
2
, bột than C ; Graphit, NH
4
Cl, ZnCl. Hỗn hợp đươc
trộn đều, ép thành khối cứng, có lõi cọc than để gom và dẫn điện ra ngoài.
- Khối điện cực dương được bao gói chắc chắn rồi đưa vào trong ống Zn.
- Một lượng chất điện lý được đưa vào trong ống Zn, sau đó hóa rắn ở nhiệt độ khoảng

80
0
C > chất điện ly đặc.
- Kiểm tra sản phẩm pin.
- Hoàn chỉnh sản phẩm pin, bao gói, nhãn thành sản phẩm.
* Có các công nghệ chế tạo pin khác nhau, nguyên vật liệu mới sẽ thay thế dần công
nghệ cũ nhưng bao điện cực dương MnO
2
và Zn là hai nguyên liệu chính tạo ra nguồn
năng lượng điện.
5.1.3. Pin kiềm Mangan
các hệ pin kiềm:
* (-) Zn/KOH, K
2
[

ZnSO
4
] /MnO
2
(+)
* (–) Zn, Hg | KOH (dd) | MnO2, C (+)
Ở anode, ZnO phủ dần lên Zn và làm cho Zn thụ động, cản trở phản ứng (i) tiếp tục
xảy ra.
5.1.4. 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:
Điện áp của pin thủy ngân bằng 1,35V.
Đối tượng sử dụng của pin kiềm thủy ngân

5.1.5. Pin liti
19
Pin liti là sự tổ hợp mới 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
). Pin được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật CN
thông tin, truyền thông vì tính ưu việt của nó.
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) Epin = 3,0V

5.2. Acquy
5.2.1. Acquy Acide (Ac quy chì)
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.
Acquy chì (thường được gọi là acquy acid)
Acquy chì gồm hai tấm lưới chì có nhiều lỗ chứa PbO nhúng trong dung dịch H2SO4
nồng độ 25% – 30%, lúc này xảy ra phản ứng:
PbO + H
2
SO
4
= PbSO
4
+ H
2
O
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:•
PbSO
4
→(–): Pb – 2e- + SO
4
2-

PbSO
4

+ 2H
2
O→(+): PbO
2
+ 2e- + 4H
+
+ SO
4
2-

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).
5.2.1.1. Khái quát về acquy (Accu)
- Công dụng acquy
Ac quy được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Có nhiều loại ắc quy : ắc quy axit và
ắc quy kiềm, Ăc quy axit ( ăc quy chì) là loại hay gặp trong đời sống hàng ngày.
Acquy trong ô tô dùng để khởi động, thường được gọi là acquy khởi động để phân
biệt với loại acquy sử dụng ở các lĩnh vực khác. Acquy khởi động trong hệ thống điện

thực hiện chức năng của một thiết bị chuyển đổi hóa năng thành điện năng và ngược
lại. Đa số acquy khởi động là loại accu chì – axit. Đặc điểm của loại acquy nêu trên là
có thể tạo ra dòng điện có cường độ lớn, trong khoảng thời gian ngắn (5
÷
10s), có khả
năng cung cấp dòng điện lớn (200÷800A) mà độ sụt thế bên trong nhỏ, thích hợp để
cung cấp điện cho máy khởi động để khởi động động cơ.
Acquy khởi động còn cung cấp điện cho các tải điện quan trọng khác trong hệ
thống điện, cung cấp từng phần hoặc toàn bộ trong trường hợp động cơ chưa làm việc
20
hoặc đã làm việc mà máy phát điện chưa phát đủ cơng suất (động cơ đang làm việc ở
chế độ số vòng quay thấp): cung cấp điện cho đèn đậu (parking lights), radio cassette,
CD, các bộ nhớ (đồng hồ, hộp điều khiển…), hệ thống báo động…
Ngồi ra, acquy còn đóng vai trò bộ lọc và ổn định điện thế trong hệ thống điện ơ
tơ khi điện áp máy phát dao động.
Điện áp cung cấp của accu là 6V, 12V hoặc 24V. Điện áp accu thường
là 12V đối với xe du lòch hoặc 24V cho xe tải. Muốn điện áp cao hơn ta đấu nối tiếp
các accu 12V lại với nhau.
- Phân loại acquy
Trên ơtơ có thể sử dụng hai loại accu để khởi động: acquy axit và acquy kiềm.
Nhưng thơng dụng nhất từ trước đến nay vẫn là accu axit, vì so với accu kiềm nó có
sức điện động của mỗi cặp bản cực cao hơn, có điện trở trong nhỏ và đảm bảo chế độ
khởi động tốt, mặc dù accu kiềm cũng có khá nhiều ưu điểm.
- Cấu tạo acquy
Một bình acquy trên ơ tơ bao gồm một dung dịch acid sunfuric lỗng và các bản
cực âm, dương. Khi các bản cực được làm từ chì hoặc vật liệu có nguồn gốc từ chì thì
nó được gọi là accu chì-acid. Một bình accu được chia thành nhiều ngăn (accu trên ơ tơ
thường có 6 ngăn), mỗi một ngăn có nhiều bản cực, tất cả được nhúng trong dung dịch
điện phân.
- Cấu tạo của một ngăn ăc quy

Cơ sở cho hoạt động của accu là các ngăn của accu. Các bản cực âm và bản cực
dương được nối riêng rẽ với nhau. Các nhóm bản cực âm và bản cực dương này được
đặt xen kẽ với nhau và ngăn cách bằng các tấm ngăn có lỗ thơng nhỏ. Kết hợp với
nhau, các bản cực và tấm ngăn tạo nên một ngăn của accu. Việc kết nối bản cực theo
cách này tăng bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu hoạt tính và chất điện phân. Điều đó cho
phép cung cấp một lượng điện nhiều hơn. Mặt khác dung lượng của bình accu tăng lên
vì diện tích bề mặt tăng lên. Càng nhiều diện tích bề mặt đồng nghĩa với việc accu
cung cấp điện nhiều hơn.
Hình 5.1. Cấu tạo một accu đơn
- Bản cực
21
Bản cực accu được cấu trúc từ một khung sườn làm bằng hợp kim chì có chứa
Antimony hay Canxi. Khung sườn này là một lưới phẳng, mỏng. Lưới tạo nên khung
cần thiết để dán vật liệu hoạt tính lên nó, cả ở bản cực âm và bản cực dương. Vật liệu
hoạt tính được dán lên ở bản cực dương là chì oxide (PbO
2
) và ở bản cực âm là chì xốp
(Pb).


Hình 5.2. Cấu tạo bản cực

- Chất điện phân
Chất điện phân trong bình accu là hỗn hợp 36% acid sulfuric (H
2
SO
4
) và 64%
nước cất (H
2

O). Dung dịch điện phân trên accu ngày nay có tỷ trọng là 1.270 (ở 20
0
C)
khi nạp đầy. Tỷ trọng là trọng lượng của một thể tích chất lỏng so sánh với trọng lượng
của nước với cùng một thể tích. Tỷ trọng càng cao thì chất lỏng càng đặc.
Những cẩn trọng khi sử dụng accu:Chất điện phân trong bình accu là hỗn hợp của
acid sulfuric và nước. Acid sulfuric thì có tính ăn mòn rất cao và có thể gây thương
tích trên da và mắt. Luôn luôn mang đồ bảo hộ khi tiếp xúc với bình accu. Khi bị dung
dịch acid dính vào tay phải rửa ngay bằng nhiều nước, khi văng vào mắt phải rửa bằng
nước ngay và khám y tế càng sớm càng tốt. Khi nạp accu, khí Hydrogene được giải
phóng vì vậy phải tránh xa ngọn lửa và tia lửa điện nếu không có thể gây ra cháy nổ
nghiêm trọng.
- Vỏ acquy
Vỏ accu giữ các điện cực và các ngăn riêng rẽ của bình accu. Nó được chia thành
6 phần hay 6 ngăn. Các bản cực được đặt trên các gờ đỡ, giúp cho các bản cực không
bị ngắn mạch khi có vật liệu hoạt tính rơi xuống đáy accu. Vỏ được làm từ
polypropylen, cao su cứng, và plastic. Một vài nhà sản xuất làm vỏ accu có thể nhìn
xuyên qua để có thể nhìn thấy được mực dung dịch điện phân mà không cần mở nắp
accu. Đối với loại này thường có hai đường để chỉ mực thấp (lower) và cao (upper) bên
ngoài vỏ.
22
Hình 5.3. Vỏ accu Hình 5.Nắp thông hơi
- Ký hiệu trên cọc acquy:
Ký hiệu trên cọc accu để nhận biết cực dương hay âm. Thông thường, ký hiệu "+"
để chỉ cực dương, "-" để chỉ cực âm. Đôi khi, các ký hiệ "POS" và "NEG" cũng được
sử dụng để ký hiệu cực dương và cực âm. Trên loại accu có cọc là loai đỉnh, đầu của
cọc dương thường lớn hơn cực âm, mục đích để dễ phân biệt.
- Hoạt động của accu
Hoạt động của một ngăn
Hai kim loại không giống nhau đặt trong dung dịch acid sẽ sinh ra hiệu điện thế

giữa hai cực. Cực dương làm bằng chì oxide PbO
2
, cực âm làm bằng chì Pb. Dung dịch
điện phân là hỗn hợp acid sunfuric và nước. Chúng tạo nên một phần tử của ngăn.
Chúng tạo nên một phần tử của ngăn.

Hoạt động accu . Quá trình phóng, nạp Điện áp accu
Hình 5.5.
Accu chứa điện ở dạng hoá năng. Thông qua phản ứng hoá học, accu sinh ra và giải
phóng điện vì các nhu cầu của hệ thống điện và các thiết bị điện. Khi accu mất đi hoá
năng trong quá trình này, accu cần được nạp điện lại bằng máy phát. Bằng dòng điện
ngược đi qua accu, quá trình hoá học được phục hồi, vì vậy nạp cho bình
accu. Chu trình phóng nạp được lặp lại liên tục và được gọi là chu trình của accu.
Mỗi một ngăn có điện áp xấp xỉ 2.1V không xét đến kích cỡ và số lượng các bản
cực. Accu trên ô tô có 6 ngăn nối tiếp với nhau, sinh ra điện áp 12.6 V.
- Các quá trình điện hóa trong accu
Trong accu thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là quá
trình nạp và phóng điện, và được thể hiện dưới dạng phương trình sau:
PbO
2
+ Pb + 2H
2
SO
4

⇔
2PbSO
4
+ 2H
2

O
23
Trong quá trình phóng điện, hai bản cực từ PbO
2
và Pb biến thành PbSO
4
. Như
vậy khi phóng điện, axit sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat chì, còn nước được tạo
ra, do đó, nồng độ dung dịch H
2
SO
4
giảm.
Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân trong quá trình phóng và nạp là một
trong những dấu hiệu để xác định mức phóng điện của accu trong sử dụng.
- Thông số accu chì-axit
Sức điện động của accu
Sức điện động của accu phụ thuộc chủ yếu vào sự chênh lệch điện thế giữa hai
tấm bản cực khi không có dòng điện ngoài.
- Sức điện động trong một ngăn
e
a
=
ϕ
+
-
ϕ
-
(V)
- Nếu accu có n ngăn E

a
= n.e
a
.
Sức điện động còn phụ thuộc vào nồng độ dung dịch, trong thực tế có thể xác định theo
công thức thực nghiệm:
E
0
= 0,85 +
ρ
25
oC
E
0
: sức điện động tĩnh của accu đơn (tính bằng volt).
ρ
: nồng độ của dung dịch điện phân được tính bằng (g/cm
3
) quy về + 25
oC
.
ρ
25
oC =
ρ
đo
– 0,0007(25 – t)
t : nhiệt độ dung dịch lúc đo.
ρ
đo

: nồng độ dung dịch lúc đo.
Hiệu điện thế của accu
- Khi phóng điện: U
p
= E
a
- R
a
.I
p

- Khi nạp điện: U
n
= E
a
+ R
a
.I
n

Trong đó:
I
p
- cường độ dòng điện phóng.
I
n
- cường độ dòng điện nạp.
R
a
- điện trở trong của accu.

Dung lượng của accu
Lượng điện năng mà accu cung cấp cho phụ tải trong giới hạn phóng điện cho
phép được gọi là dung lượng của accu.
Q = I
p
.t
p
(A.h)
Như vậy dung lượng của accu là đại lượng biến đổi phụ thuộc vào chế độ phóng điện.
Người ta còn đưa ra khái niệm dung lượng định mức của accu Q
5
, Q
10
, Q
20
mang tính
quy ước ứng với một chế độ phóng điện nhất định như chế độ 5 giờ, 10 giờ, 20 giờ
phóng điện ở nhiệt độ +30
o
C.
Các yếu tố ảnh hưởng tới dung lượng của accu:
• Khối lượng và diện tích chất tác dụng trên bản cực.
• Dung dịch điện phân.
• Dòng điện phóng.
• Nhiệt độ môi trường.
• Thời gian sử dụng.
Dung lượng của accu phụ thuộc lớn vào dòng phóng. Phóng dòng càng lớn thì
dung lượng càng giảm.
24
5.2.1.2. Acquy kiềm

* Acquy kiềm Nicad và niken – sắt
Phản ứng tạo dòng điện như sau:
2NiOOH + M + 2 H
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.
** Acquy Ni – Ag, với phản ứng:
Ag
2
O + Zn  ZnO + 2Ag
SĐĐ: 1,60 – 1,85V với 100 – 200 chu kỳ làm việc.
IV.2.3. Acquy Niken – Hiđro, với phản ứng:
2NiOOH + H
2
 2Ni(OH)
2
SĐĐ: 1,32 – 1,36V với vài nghìn chu kỳ làm việc.
5.2.1.3. Một số nguồn điện mới
5.2.3.1. Pin nhiên liệu
a. Pin nhiên liệu hiđro - oxi
Anode:
4H
2
O(L) + 4e–γ2H
2

+ 4OH
-

Cathode:
4OH–γO
2
+ 2H
2
O(L) + 4e– H
2
Oγ
Tổng quát: 2H
2
+ O
2

Sức điện động của pin:
0Red = 0,83 + 0,40 = 1,23Vϕ0Ox + ϕE0 =
Sử dụng: cung cấp điện năng và nước tinh khiết trong các chuyến bay vũ trụ.
Ưu điểm: Sạch, nhiều pin nhiên liệu hoạt động không gây ô nhiễm môi trường. Tạo
nguồn điện năng di động.
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.
b. Pin nhôm – không khí
Pin nhôm – không khí tương tự pin nhiên liệu ở chỗ các chất phản ứng được nạp định
kỳ nếu không nói là liên tục.
Khi pin hoạt động, ở anode xảy ra sự oxi hóa nhôm:
4[Al(OH)
4

]– (aq) + 3e–γx
4
| Al(R) + 4OH–(aq)
Ở cathode xảy ra sự khử oxi:
4OH–γx3|  O2 + 2H
2
O(L) + 4e–
EPin = 2,7V
Sử dụng: Để giảm ô nhiễm môi trường, người ta đã phác thảo những xe hơi chạy bằng
điện và pin này được hứa hẹn trong tương lai có thể dùng vận hành loại xe hơi gia
đình.
Ưu điểm: Pin nhôm – không khí có tỉ lệ điện năng/khối lượng rất cao. 1 mol electron
25