CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA VÀ ĂN MÒN KIM LOẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA
VÀ ĂN MÒN KIM LOẠI

TS. ĐỖ NGỌC MINH


MỤC TIÊU HỌC PHẦN

1. Cung cấp kiến thức cơ bản về nhiệt động học và động học của các quá trình điện hóa học.
2. Tìm hiểu một số quy trình sản xuất điện hóa cụ thể dưới góc độ hóa học như công nghệ mạ, công nghệ
tinh luyện kim loại, công nghệ sản xuất các hợp chất vô cơ và hữu cơ...
3. Biết áp dụng các định luật cơ bản của điện hóa học vào tính toán các quá trình công nghệ điện hóa.

2


NỘI DUNG

LÝ THUYẾT

BÀI TẬP

1. Cơ sở lý thuyết công nghệ điện hóa

3

1

2. Điện phân dung dịch thoát kim loại

4

2

3. Điện phân dung dịch không thoát kim loại

4

2

4. Nguồn điện hóa học

4

2

5. Ăn mòn kim loại

4

2

Ôn tập

0

2
3

TÀI LIỆU HỌC TẬP

1. Industrial Electrochemistry, Derek Pletcher and Frank C. Walsh, Springer Science + Business Media,
Second Edition, 1993, 668 pages.
2. Kỹ thuật sản xuất điện hóa, Nguyễn Đình Phổ, NXB ĐHQGTPHCM, 2006, 307 trang.
3. Bài tập Công nghệ Điện hóa, Trần Minh Hoàng và Trương Ngọc Liên, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007,
372 trang.

4


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA

Giới thiệu chung về công
nghệ điện hóa
Nhiệt động học của phản
ứng điện cực

Động học
của phản ứng điện cực

5


1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ
CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA
Công nghệ điện hóa là các quá trình công nghệ được sử dụng trong sản xuất hàng hóa và dịch vụ dựa trên

các quá trình điện hóa.

Điện phân
HÓA NĂNG

ĐIỆN NĂNG
Nguồn điện hóa học

6


Các hướng phát triển cơ bản của công nghệ điện hóa:

Mạ điện và Đúc điện

Tinh luyện kim loại

Tổng hợp các hợp chất vô cơ và hữu cơ

Ăn mòn kim loại

Nguồn điện hóa học

Xử lý môi trường

Cảm ứng điện hóa

7

1.2. NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG ĐIỆN HH
1.2.1. Phản ứng oxi hóa khử hóa học và phản ứng điện HH
Ví dụ 1: Nhúng thanh Zn vào dung dịch muối CuSO4.

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu
Quá trình oxi hóa: Zn – 2e = Zn
Quá trình khử:
Phản ứng tổng:

Cu

2+

2+

+ 2e = Cu

Zn + Cu

2+

= Zn

2+

+ Cu

/> />
8

Ví dụ 2:

Ở thanh kẽm:

Zn – 2e = Zn

Ở thanh đồng:

Cu

2+

2+

– quá trình oxi hóa - ANODE

+ 2e = Cu – quá trình khử - CATHODE

Phản ứng tổng: Zn + Cu

2+

= Zn

2+

+ Cu

ANODE

CATHODE

Là nơi xảy ra quá trình oxi hóa

Là nơi xảy ra quá trình khử

Là nơi electron được sinh ra

Là nơi electron bị tiêu thụ

Là nơi các anion tiến đến

Là nơi các cation tiến đến

Cầu muối: dung dịch muối đậm đặc (KCl, KNO 3, NH4Cl, NH4NO3) trong keo aga.
/>
9


Sơ đồ mạch điện hóa

Pin điện hóa

/>
10


So sánh phản ứng oxi hóa khử hóa học và phản ứng điện HH

Giống nhau

-

Phản ứng oxi hóa-khử.

Khác nhau

-

Sự chuyển hóa vật chất như nhau.

Trong pứ oxi hóa-khử hóa học thì 2 quá
trình oxi hóa và khử xảy ra trong cùng một
nơi, hóa năng chuyển thành nhiệt năng.

-

Trong pứ điện hóa thì 2 quá trình oxi hóa và
khử xảy ra tách biệt, hóa năng phần lớn
chuyển thành điện năng.

11


1.2.2. Thế điện cực
a. Lớp điện tích kép
Khi nhúng thanh kim loại vào dung dịch, do mức năng lượng của ion kim loại trên bề mặt kim loại và
trong dung dịch khác nhau nên xảy ra sự trao đổi ion giữa hai pha.

 

 

Sự hình thành lớp điện tích kép tại ranh giới điện cực – dung dịch sẽ tạo ra một bước nhảy thế (hiệu điện
thế). Giá trị của bước nhảy thế phụ thuộc vào bản chất KL, nồng độ ion, bản chất dung môi và nhiệt độ.

12


Các mô hình khác nhau cho electric double layer (EDL)
và phân bố thế trên EDL:

(a) mô hình Helmholtz,
(b) mô hình Gouy-Chapman,
(c) mô hình Gouy-Stern
(d) mô hình hiện đại.

Conway, B. E. 2002. Encyclopedia of Surface and Colloid Science: Dekker Publishing Co.

13


b. Thế điện cực
Không có phương pháp thực nghiệm có thể xác định giá trị tuyệt đối của bước nhảy thế, người ta phải sử dụng mạch điện
hóa chứa điện cực cần khảo sát và điện cực chuẩn. Sự khác biệt giữa thế của điện cực khảo sát so với điện cực chuẩn gọi
là thế điện cực ϕ.

Theo quy ước của Liên đoàn quốc tế hóa học lý thuyết và
ứng dụng (IUPAC), thế điện cực là thế của quá trình khử.

 

Điện cực hydrogen chuẩn

/>
14


Xác định thế điện cực chuẩn của điện cực đồng

 

+ 2+
(-) Pt,H2|H ||Cu |Cu (+)
o
25 C

Xác định thế điện cực chuẩn của điện cực kẽm

 

2+ +
(-) Zn|Zn || H |H2,Pt (+)
o
25 C

15

o
25 C

Thế điện cực là một đại lượng nhiệt động mà biểu thị khả năng cho nhận electron của một chất. Thế điện cực càng dương thì dạng oxi hóa có tính oxi hóa càng
mạnh và ngược lại thế điện cực càng âm thì dạng khử có tính khử càng mạnh.

16
/>

 

1.2.2. Phương trình Nernst

Thế điện cực phụ thuộc vào nồng độ theo phương trình Nernst.
Ox + ne = Red
o
ϕ – thế điện cực chuẩn.
2+
Ví dụ: Cu + 2e = Cu

Có thể thay đổi chiều phản ứng bằng cách thay đổi hoạt độ của cation hay không?

17


 

Đối với phản ứng oxi hóa – khử:
aA + bB = cC + dD

Ví dụ: Zn + Cu

2+

= Zn

2+

+ Cu

Viết phương trình Nernst cho hệ oxi hóa – khử trên.

18


MỐI LIÊN HỆ GIỮA THẾ ĐIỆN CỰC VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC KHÁC

o
Xác định khả năng phản ứng của 2 cặp oxi hóa khử sau, đồng thời xác định các thông số nhiệt động ∆G và K của phản
ứng có thể diễn ra.
Sn

4+ 2+ 3+ 2+
/Sn ; Fe /Fe .

19


1.3. ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG ĐIỆN HÓA HỌC
1.3.1. Sự phân cực và quá thế

-

Sự phân cực là hiện tượng mà thế điện cực bị lệch khỏi giá trị cân bằng khi có dòng điện Faraday đi qua điện cực.

-

Khi có dòng điện một chiều chạy qua 2 điện cực kim loại: thế điện cực catot trở nên âm hơn (phân cực catot), thế
điện cực anot trở nên dương hơn (phân cực anot).

Pin điện hóa

Điện phân

20


- Để đánh giá mức độ phân cực người ta dùng đại lượng quá thế:
η= Ei - Ecb
ϕi là thế điện cực khi có dòng điện Faraday cường độ i đi qua
ϕcb là thế điện cực ở trạng thái cân bằng.

21


Ox + ne ↔ Red

22
/>

 1.3.2.

Sự phân cực điện hóa

<0

Định luật Faraday:

ic – mật độ dòng điện cathode.

ia – mật độ dòng điện anode.

>0

23


 

Phương trình Volmer-Butler

io – mật độ dòng trao đổi khi phản ứng điện cực ở trạng thái cân bằng.
α - hệ số đối xứng, thường nhận giá trị 0.5.

24


i = ic + ia

 

 
 
Khi η rất nhỏ

25