DUNG DỊCH ĐIỆN LI ĐIỆN CỰC VÀ PIN ĐIỆN CỰC

Trường Đại Học Công Nghiệp TP. HCM
Khoa Công Nghệ Hóa Học
~~~ *~~~

ĐIỆN HÓA HỌC
TS. Văn Thanh Khuê


1


NỘI DUNG MÔN HỌC
CHƯƠNG 1: Dung dịch điện li
CHƯƠNG 2: Sự vận chuyển điện tích trong dung dịch
điện ly
CHƯƠNG 3: Điện cực và pin điện
 CHƯƠNG 4: Nguồn điện & động học các quá trình
điện hóa
2


Nội Dung
4.1. Nguồn điện hóa học
4.2. Quá trình điện phân
4.3. Quá thế
4.4. Ứng dụng phép điện phân
4.5. Bài tập

3

4.1. Nguồn điện hóa học
4.1.1. Mở đầu

Phản ứng ôxy hóa-khử

Điện năng

Mạch điện hóa

Nguồn điện

Thực tế
4


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1.1. Mở đầu
Nguồn điện


Thực tế

Yêu cầu:
 Sức điện động lớn, ổn định
 Dung lượng riêng lớn: dự trữ năng lượng lớn.
 Công suất riêng cao nhất: nguồn cung cấp năng
lượng lớn nhất trong một đơn vi thời gian.
 Khả năng tự phóng điện nhỏ
5

4.1. Nguồn điện hóa học
4.1.1. Mở đầu
Phân loại

Nguồn điện sơ cấp
(Pin)

Nguồn điện thứ cấp
(Acquy)

Nguồn điện liên tục
(Pin nhiên liệu)

Làm việc nhiều lần

Làm việc liên tục

 Đặc điểm

Làm việc 1 lần

6


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1.2. Nguồn điện sơ cấp – Pin
 Định nghĩa:

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.

7


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1.2. Nguồn điện sơ cấp – Pin
 Ví dụ:

Khảo sát pin KẼM - MANGAN

Epin =1,6V

Mô hình Pin khô Le Clanché

8


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1.2. Nguồn điện sơ cấp – Pin
Sơ đồ pin:

(-) Zn / NH4Cl,ZnCl2 / MnO2, C(+)

Epin =1,6V

Phản ứng xảy ra tại:

hản ứng PIN:



Cực âm (vỏ kẽm):
Zn - 2e = Zn2+



Cực dương:
2MnO2 + H2O + 2e = Mn2O3 + 2OHOH- sinh ra tạo phản ứng không thuận nghịch:

OH- + NH4+  NH3 + H2O
Và:

2NH3 + Zn2+ + 2Cl-  [Zn(NH3)2]Cl2

Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = [Zn(NH3)2]Cl2 + Mn2O3 + H2O

9


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1.2. Nguồn điện sơ cấp – Pin


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 (+)
10

2AgCl + Mg = 2Ag + MgCl2


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
 Định nghĩa:

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)

11


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
 V í dụ:

+ Acquy axít: acquy chì
+ Acquy kiềm: acquy niken - cadimi

12


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Acquy axit (hay acquy chì)
(-) Pb, PbSO4 / H2SO4 (25-30%) / PbO2, Pb (+)
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
13


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Hoạt động ắc quy chì
 Phóng điện
 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
14


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Hoạt động ắc quy chì

Nạp điện
 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:
Cực dương:

PbSO4  Chì xốp (hoạt động)
 PbO2
15


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Sức điện động ắc quy chì

aH2 2SO 4

3

3
RT
RT
γ
.
4
m
E = E0 +
ln 2
= E0 +
ln ± 2
nF
F
a H2 O
a H2 O

 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:

aH2SO 4 = aH2 + .aSO2 − = a3± = γ 2± .4m3
4

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
16

4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Acquy kiềm (hay acquy niken – cadimi)
(-) Cd/ Cd(OH)2, KOH (20%) // KOH (20%), Ni(OH)2 , Ni(OH)3 / Ni (+)
Phóng

Cd + 2OH - 2e
-

Phản ứng điện cực:

Nạp
Phóng

2Ni(OH)3 + 2e

Nạp

Cd(OH)2

Ni(OH)2 + 2OH-

Phản ứng tổng trong mạch:
Cd + 2Ni(OH)3
Epin = 1,36V

Phóng
Nạp

Cd(OH)2 + Ni(OH)2
17


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 3. Nguồn điện thức cấp – Ắc quy
Một số acquy kiềm khác
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:

(-) Zn / Zn(OK)2, KOH (40%) / AgO, Ag (+)
Phản ứng tổng trong mạch:
Zn + AgO + 2KOH

Phóng
Nạp

Ag + Zn(OK)2 + H2O

Epin = 1,85V

 Để hạ giá thành thay Ag bằng Ni  Epin = 1,7V
18


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 4. Nguồn điện liên tục – Pin nhiên liệu
Sơ đồ chuyển hóa năng lượng trong nguồn nhiệt điện

Hoá năng

(I)

(II)
Nhiệt năng

Cơ năng

(III)

Điện năng

Pin nhiên liệu (máy phát điện hóa)
(I) – Lò phản ứng
(II) – Máy nhiệt
(III) – Máy điện
19


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 4. Nguồn điện liên tục – Pin nhiên liệu
Định nghĩa:

Pin nhiên liệu hay còn gọi là máy phát
điện hóa là một thiết bị biến trực tiếp
hóa năng của hệ nhiên liệu và chất oxi
hóa thành điện năng. Không có sự
tích tụ năng lượng như pin và acquy,
pin nhiên liệu làm việc liên tục.

20


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 4. Nguồn điện liên tục – Pin nhiên liệu
Pin HYDRO – OXY

21


4.1. Nguồn điện hóa học
4.1. 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 =
Sức điện động ở 250C:
(thực tế đạt 1 – 1,1V)

2H2O

∆G − 2( −55,690 )

E=−
=
= 1,23 V
nF
4.23060
22


4.2. Quá trình điện phân
4.2.1. Hiện tượng điện phân
 Định nghĩa:

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.

23


4.2. Quá trình điện phân
4.2.1. Hiện tượng điện phân
BÌNH ĐiỆN PHÂN dd ZnCl2

24


4.2. Quá trình điện phân
4.2.1. Hiện tượng điện phân

QUÁ TRÌNH 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.

25