BÀI GIẢNG Điện hóa học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐIỆN HÓA HỌC


GIỚI THIỆU

•

Ăn mòn là một hiện tượng rất phổ biến
của kim loại

•

Vấn đề ăn mòn xuất hiện trong tất cả khía
cạnh của công nghệ

•

Để ngăn chặn sự ăn mòn đó đòi hỏi phải
có sự hiểu biết về các quá trình hóa học
cơ bản


Pin điện hóa

Năng lương cần thiết để tạo ra công có ích và pin điện áp

Ảnh hưởng của nồng độ và phương trình Nernst

NỘI DUNG
CHÍNH

Acquy và pin nhiên liệu

Ăn mòn và chống ăn mòn

Luyện kim

Phân tích sự điện phân của nước và dung dịch nước


I. Pin điện hóa

 Cấu tạo chung: gồm hai cực có bản chất hóa học khác nhau được ngâm trong
chất điện phân( dung dịch axit, bazơ, muối,…)


I. Pin điện hóa

Hoạt động chung: Do tác nhân hóa học, các cực của pin điện hóa được

tích điện khác nhau và giữa chúng có một hiệu điện thế bằng giá trị của
suất điện động của pin. Khi đó năng lượng hóa học chuyển thành điện
năng dự trữ trong nguồn điện


I. Pin điện hóa
•

Một mảnh Cu là một phần được ngâm trong dung dịch Cu(NO3)2
và 1 mảnh Ag trong dung dịch AgNO3

•

Hai dung dịch được kết nối bằng một cầu muối hình ống, chữ U
ngược có chứa một dung dịch của một muối như NaNO 3.

•

Đầu của cây cầu được nối với phích cắm xốp không cho hai dung
dịch trộn lẫn vào nhau nhưng cho phép các ion đi qua.

•

Hai mảnh kim loại được kết nối với một ampe kế, một công cụ để
đo hướng và độ lớn của dòng điện qua nó

Phản ứng của kim loại Cu với các
ion trong dung dịch


I. Pin điện hóa

 Phản ứng xảy ra trong pin
2+
• Cu
Cu + 2e (quá trình oxi hóa)
• Ag+ + eAg (quá trình khử)
• Cu + Ag+ = Cu2+ + Ag (P/u tổng)

• Trong một pin điện hóa, các ion âm (anion) di chuyển về hướng các ion dương và
ion dương (cation) di chuyển về phía cực âm.


Quá trình điện phân
 Khái niệm:
• Sự điện phân là quá trình oxi hóa- khử xảy ra ở bề mặt các điện
cực khi đó dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc
dd chất điện li và có kèm theo sự biến đổi điện năng thành hóa
năng

 Bản chất:
• Khử xảy ra trên bề mặt điện cực.
• Năng lượng dùng cho phản ứng là điện năng dòng điện một chiều.
• Sự cho và nhận điện tử không xảy ra trực tiếp giữa các ion tham
gia phản ứng mà phải truyền qua dây dẫn.


Pin điện và bình điện phân
Pin điện

Bình điện phân

•

•

•
•

Sử dụng quá trình hóa học để tạo ra
dòng điện
Điện cực anot: nơi xảy ra sự oxi hóa
(cực âm)
Điện cực canot: nơi xảy ra sự khử
(cực dương)

•
•

Là quá trình sử dụng dòng điện để xảy ra
sự biến đổi bề mặt
Điện cực anot: nơi xảy ra sự oxi hóa (cực
dương)
Điện cực canot: nơi xảy ra sự khử (cực
âm)


Định luật Faraday

Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch
và đương lượng của chất

F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1
mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10m = �/�
x ��/�
19.6,022.1023
≈ 96500
C.mol-1)

II- Năng lượng cần thiết để tao ra công có ích và pin điện hóa

 Suất điện động: Là hiệu điện thế lớn nhất (Epin) giữa điện cực dương và điện cực
âm. Suất điện động của pin luôn là số dương.

Sđđ của pin
thế của điện cực dương

Epin =E+ - E-

thế của điện cực âm
Như vậy để tính được SĐĐ của pin thì phải xác
định được thế của từng điện cực . Nếu thế các điện
cực là tiêu chuẩn thì:
E0 = E+0 – E-0




II- Năng lượng cần thiết để tao ra công có ích và pin điện hóa

•
•
•

Công hữu ích
Hóa năng

A’ = nFE= -ΔG

Điện năng:
n- số “e” trao đổi trong p/u

ΔG=-nFEF=96500 Culong – Số Faraday

E- suất điện động, vôn


Điện cực hydro chuẩn

•
•

Dây Pt nhúng vào trong dung dịch H2SO4: 1mol/lit. Thổi khí H2: áp suất 1atm
P/u điện cực
+
2H (dd) + 2e

H2(k)
+
H /H2

Cặp oxy hóa khử

•
•

Lớp điện tích: +/Thế điện cực ϕ

0

+
H /H2 = 0V


Thế điện cực chuẩn

 Qui ước
• Nồng độ
Dung dịch: 1 mol/lit
Chất khí: 1 atm

•
•

Nhiệt độ: xác định (250C)
Chiều p/u ox + ne
ox- dạng oxy hóa
kh- dạng khử

kh


Thế điện cực chuẩn

 Đo thế điện cực chuẩn
• Thiết lập pin: điện cực cần đo-điện cực hidro chuẩn
• Suất điện động của pin
•

E = ϕ0(+) – ϕ0(-)
Ví dụ:

E = ϕ0(+) – ϕ0(-) = +0.34V
ϕ0Cu2+ = +0.34V
ϕ0Cu2+/Cu – ϕ0H+/H = ϕ0Cu2+ - 0


III- Phương trình Nernst

 Nồng độ và áp suất ảnh hưởng đến các tế bào điện áp trong các tế bào pin điện
hóa.

 Kết hợp :
•

∆G = ∆Go + RTlnQ
∆Go = -n₮∆ξo

Ta có phương trình Nernst:
tại 25oC
o
∆ξ=∆ξ
n : số mol các điện
tử - (0.0592V/n).log10Q


Đo hằng số cân bằng

 Để đo hằng số cân bằng ta sử dụng phương trình
o
lnK = (n₮/RT).∆ξ

 Kết hợp phương trình Nernst
o
∆ξ=∆ξ - (0.0592V/n).log10Q


Đo hằng số cân bằng

Ví dụ: tính hằng số cân bằng cho phản ứng oxi hóa khử sau:
2MnO4- + 5Zn + 16H3O+ → 2 Mn2+ + 5Zn2+ + 24H2O
Giải

ở 25oC

 Ta có
• ∆ξo = 2,25V và với n=10 ta có:
• Log10K=(n/0,0592V).∆ξo=(10/0.0592V).2,25V=380
 K=10380
Hằng số cân bằng có tác động lớn tới việc phản ánh mức độ của KMnO4 như tác nhân
oxy hóa và Zn như chất khử.


Máy đo pH

 Máy đo pH gồm một điện cực thủy tinh bên trái và
một điện cực rắn cực calomel bên phải và đều được
nhúng vào dung dịch chưa biết nồng độ.

 Để đo độ pH của một dung dịch chưa biết
• pH = [∆ξ-∆ξ(ret)] / 0.0592V


IV- Ac quy và pin nhiên liệu

Hình 1: Ac quy

Hình 2: Pin nhiên liệu


IV- Ac quy và pin nhiên liệu

•

Pin Volta

Pin khô Laclanchee

Nguồn điện hóa học đầu tiên được chế

 Loại pin này được sử dụng phổ biến hiện

tạo, sinh ra dòng điện duy trì khá lâu là
pin Volta (1795).

•

Pin Volta gồm một cực bằng kẽm (Zn) và

một cực bằng đồng (Cu) nhúng trong
dung dịch acid

•
•
•
•

nay
Cực dương: thỏi than được bọc MnO2
và graphit.
Cực âm: lớp vỏ Zn
Dung dịch điện phân: dung dịch muối
NH4Cl
Suất điện động: ~ 1.5V


IV- Ac quy và pin nhiên liệu

Pin Volta

Pin khô Laclanchee


Acquy

 Ac quy đơn giản là acquy chì, gọi là acquy axid,

gồm bản cực dương bằng chì PbO và bản cực âm
bằng Pb, cả 2 bản được nhúng trong dung dịch.

 Do tác dụng với dung dịch axid sunfuric 2 bản
cực của acquy được tích điện khác nhau. Suất
điện động của acquy thường có giá trị ổn định
khoảng 2V.


Pin nhiên liệu

 Pin là một hệ thống khép kín, nhằm cung

cấp năng lượng điện các phản ứng điện hóa.

 Đại diện là pin nhiên liệu hydro-oxy,hai loại
khí này tham gia quá trình oxy hóa- khử
trên các điện cực.

•

H2 + 1/2O2 → H2O


17.5 Ăn mòn và chống ăn mòn

•
•

Sự ăn mòn của kim loại là một trong những vấn đề quan trọng nhất phải đối mặt
với xã hội công nghiệp tiên tiến . Ảnh hưởng của sự ăn mòn là ở cả hai mặt có thể
nhìn thấy và vô hình .

Ăn mòn có thể được hình như một tế bào "ngắn mạch", trong đó một số khu vực
của hoạt động bề mặt kim loại như cực âm và những kim loại khác là cực dương.