Giáo án điện tử môn Hóa Học: Một số ứng dụng của điện hóa học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN
BỘ MƠN HĨA LÝ

CHƯƠNG 6

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA
ĐIỆN HÓA HỌC


NỘI
NỘIDUNG
DUNGCHƯƠNG
BÁO CÁO6
6.1 Nguồn điện hóa học
6.2 Điện phân
6.3 Ăn mịn và chống ăn mòn kim loại


6.1 Nguồn điện hóa học
Một số nguồn điện hóa thơng 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, thơng tin, điện tử, tự động hóa và nhiều lĩnh vực
kinh tế quốc dân khác.

6.1.1 Pin
a. Các loại pin

• Pin khơ Le clanché

- Pin Le clanché thuộc loại pin
muối hay còn gọi là pin acid.
- Sơ đồ:

(–) Zn | NH4Cl | MnO2 (r) + C | C (+)
Hình 6.1 Pin Le Clanché


• Các phản ứng chính như sau:
(–):
Zn  Zn2+ + 2e
(+): 2MnO2 + 2H+ + 2e  Mn2O3.H2O
Zn + 2NH4+ + 2MnO2 (r)  Zn2+ + NH3 + 2MnO(OH)

Do sự có mặt của NH3, NH4+ và Cl– ; chúng
sẽ phản ứng với Zn2+ để tạo ra các sản phẩm
phụ như ZnMn2O4; ZnCl2; Zn(OH)2;
Zn(NH3)2Cl2, các sản phẩm phụ này tích tụ
dần dần quanh cực dương làm cho pin mất
dần khả năng hoạt động.


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 khơ vào
khoảng 1,5V.

Vỏ ngồi
Than chì
(cathode)
Bột than chì +
MnO2 bao quanh
cathode

hỗn hợp
NH4Cl + ZnCl2
Zn (anode)

Hình 6.2 Pin Le Clanché



 Pin kiềm Mangan
• Cấu tạo:

(–) Zn, Hg | KOH (dd) | MnO2, C (+)

• Phản ứng ở các điện cực:

Cực (–)
Zn + 4OH– + 2H2O → [Zn(OH)4(H2O)2]2– + 2e (i)
[Zn(OH)4(H2O)2]2–  ZnO + 2OH– + 3H2O
Cực (+)
MnO2 + H2O + e  MnO(OH) + OH–
MnO(OH) + H2O + 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 trị cathode, cịn
chất điện ly là KOH và ZnO. Các phản ứng tại điện cực:

Anode : Zn(Hg) + 2OH–  ZnO(r) + H2O(l) + 2e
Cathode : HgO(r) + H2O(l) + 2e  Hg (l) + 2OH–
Zn(r) + HgO(r) + H2O + 2OH–  Hg + [Zn(OH)4]2–
Điện áp của pin thủy ngân bằng 1,35V.

Đối tượng
sử dụng của
pin kiềm
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 MnO2,
V6O13 hoặc TiS2). 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 MnO2:
MnO2 + Li+ + e → LiMnO2 (r)
Phản ứng tổng cộng:
Li(r) + MnO2(r) → LiMnO2(r)

Epin = 3,0V


Đối tượng sử dụng
của pin Liti


Tên pin

Đối tượng sử dụng

Ưu và nhược điểm

Pin khô
Le clanché

Rẻ sạch, nhiều kích cỡ. Khi làm việc với
cường độ cao, NH3 có thể làm ngắt mất dịng.
Radio, đèn pin, đồ
Tuổi thọ thấp. Có thể ghép nối tiếp nhiều pin
chơi
khơ để tạo pin có điện áp cao hơn. Dung
lượng pin vào khoảng 0,1 Ah/cm3.

Pin kiềm
Mangan

Radio, đèn pin, đồ
chơi

Khơng bị ngắt dịng. Thời gian hoạt động lâu
hơn pin Le clanché. Sạch, nhiều kích cỡ
nhưng đắt hơn pin Le clanché.

Đồng hồ, máy trợ
thính, máy tính
nhỏ, camera…

Kích thước nhỏ, giá thành cao hơn pin khơ và
thải ra thuỷ ngân độc. Có điện áp hơi nhỏ hơn
song lại ổn định hơn do thành phần chất điện

ly khơng thay đổi trong q trình sử dụng.
Dung lượng của pin này vượt xa pin khô: 0,3
Ah/cm3.

Pin kiềm
thuỷ ngân

Pin liti

Máy tính, đồng hồ, Khơng độc nhưng đắt tiền, thời gian sử dụng
máy ghi hình, máy ngắn, có thể tái nạp điện nhưng điện thế dễ
tính xách tay.
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, PbO2

C, NiOOH

Ag, Ag2O

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
H2SO4 30%

Lưới chì phủ
PbO2 xốp


Acquy chì gồm hai tấm chì khoét nhiều lỗ chứa
PbO nhúng trong dung dịch H2SO4 nồng độ 25% –
30%, lúc này xảy ra phản ứng:
PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O
• Khi nạp điện (sạc):
(+): PbSO4 – 2e- + 2H2O = PbO2 + SO42- + 4H+
(–):

PbSO4 + 2e-

= Pb + SO42-

Như thế trong cả acqui xảy ra phản ứng:
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4
và PbSO4 ở cực âm biến thành chì hoạt động, ở cực

dương biến thành PbO2.


• Khi acquy hoạt động sẽ xảy ra quá trình phóng điện:
(–): Pb – 2e- + SO42-

→ PbSO4

(+): PbO2 + 2e- + 4H+ + SO42- → PbSO4 + 2H2O
Như thế trong cả acquy xảy ra phản ứng:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

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 dịng điện như sau:
2NiOOH + M + 2H2O

phóng điện
nạp điện

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:
Ag2O + Zn

phóng điện
nạp điện

ZnO + 2Ag

SĐĐ: 1,60 – 1,85V với 100 – 200 chu kỳ làm việc.
 Acquy Niken – Hiđro, với phản ứng:
phóng điện

2NiOOH + H2

nạp điện

2Ni(OH)2

SĐĐ: 1,32 – 1,36V với vài nghìn chu kỳ làm việc.


MỘT
MỘT SỐ
SỐACQUY
ACQUY HIỆN
HIỆN ĐẠI
ĐẠI

ỨNG DỤNG
CỦA ACQUY


6.1.2 Pin nhiên liệu
a. Pin nhiên liệu hiđro - oxi

Anode:

2H2 + 4OH–  4H2O(L) + 4e–
Cathode:
O2 + 2H2O(L) + 4e–  4OH–
Tổng quát: 2H2 + O2  H2O

Sức điện động của pin:
E0 = ϕ0Ox + ϕ0Red = 0,83 + 0,40 = 1,23V


a. Pin nhiên liệu hiđro - oxi
• Sử dụng:
dụng cung cấp điện năng và nước tinh khiết trong các
chuyến bay vũ trụ.
• Ưu điểm:
điểm Sạch, nhiều pin nhiên liệu hoạt động không gây
ô nhiễm môi trường. Tạo nguồn điện năng di động.
• Nhược điểm:
điểm Khác với các pin thơng thường, pin nhiên
liệu khơng 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.