chuong8 (đã sửa)

18 10 0
  • Loading ...
1/18 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 01/12/2016, 22:17

Chơng Một số ứng dụng lĩnh vực điện hoá 8.1 Một số khái niệm sở Các phơng pháp điện hoá đợc sử dụng rộng rãi lĩnh vực khác kĩ thuật sản xuất đại, chúng tạo thành sở khoa học điện hoá ứng dụng Điện hoá ứng dụng sử dụng số khái niệm sở sau: 8.1.1 Định luật Faraday a- Định luật Faraday thứ nhất: Khi cho dòng điện chiều qua dung dịch chất điện li (hay chất điện li nóng chảy) khối lợng chất thoát anôt hay catôt tỷ lệ với điện lợng Q qua dung dịch (hay qua chất điện li nóng chảy), tức tỉ lệ với cờng độ dòng I thời gian t m = K Q = K.I.t Trong đó: (8.1) m: khối lợng chất thoát điện cực, tính theo gam I: cờng độ dòng tính theo Ampe (A) t: thời gian điện phân (h) K: đơng lợng điện hoá (g/A.h) b- Định luật Faraday thứ hai: Những lợng điện nh điện phân làm thoát lợng tơng đơng chất khác Để làm thoát đơng lợng gam chất cần tiêu tốn điện lợng 96.500 Coulomb (1 C = A.s) Và 1F = 96.500 C = 26,8 A.h Ta có biểu thức chung cho định luật Faraday: m= A I t n.F (8.2) Nếu t tính (h) F = 26,8 t tính giây (s) F = 96.500 8.1.2 Điện lợng kế (Coulometer) Để xác định điện lợng tiêu tốn cho trình điện hóa ngời ta tiến hành trình điện phân điện lợng kế đo khối lợng chất thoát bề mặt điện cực Thông thờng ngời ta thờng đo khối lợng kim loại kết tinh điện cực catôt trơ nh Pt Từ khối lợng kim loại thu đợc, điện lợng Q đợc xác định công thức sau: Q= m M / zF (8.3) Điện lợng kế thờng đợc sử dụng điện lợng kế bạc, gồm cốc Pt chứa dung dịch AgNO3 30% Ag nh hình 8.1 100 Thanh Ag Bc xp Cc Pt Hình 8.1: Điện lợng kế bạc Cốc Pt đợc nối với cực âm Ag đợc nối với cực dơng nguồn điện Khi cho dòng điện qua, điện cực xảy phản ứng sau: Ag+ + e - Tại cực dơng (Ag): Ag - Tại cực âm (Pt): Ag+ + e Ag Nh vậy, anôt Ag tan ra, catôt (cốc Pt) Ag đợc kết tinh bám vào cốc Pt Đồng thời xung quanh Ag đợc bọc lới xốp nhằm ngăn cản chất rắn rơi từ điện cực bạc (do phá huỷ học điện cực Ag) trình điện phân lên bề mặt cốc Pt Cân cốc Pt trớc sau điện phân để xác định lợng bạc tạo thành (m) tính điện lợng: Q(Coulomb) = m(mg ) 1,118 (8.4) 8.1.3 Hiệu suất dòng điện Trong trình điện phân, lợng chất thoát điện cực thờng nhỏ lợng chất tính theo định luật Faraday Nguyên nhân phản ứng có kèm theo phản ứng phụ nh thoát H2 catôt thoát O2 anôt Tỉ số lợng chất thu đợc lợng chất tính theo lí thuyết đợc gọi hiệu suất dòng (Y) Y = mtn 100% mlt (8.5) 8.1.4 Pin điện hóa bình điện phân Trong điện hóa có hai trình đợc xem trái ngợc pin điện hóa bình điện phân Pin điện hóa hệ điện hóa biến lợng phản ứng oxi 101 hóa - khử xảy hai điện cực thành lợng điện Ngợc lại, bình điện phân hệ điện hóa sử dụng lợng điện bên để tiến hành phản ứng oxi hóa - khử bề mặt điện cực Một pin điện hóa bình điện phân gồm có hai điện cực (vật dẫn loại I) hệ điện ly (vật dẫn loại II) Trong hai hệ điện hóa trên, điện cực anôt nơi xảy phản ứng oxi hóa điện cực catôt nơi xảy phản ứng khử - Anôt điện cực xảy phản ứng oxi hóa: Ví dụ: Zn - 2e Zn2+ 4OH - - 4e O2 + 2H2O - Catôt điện cực xảy phản ứng khử: Ví dụ: 2H+ + 2e H2 Cu2+ + 2e Cu Khi pin điện hóa bình điện phân hoạt động luôn có dòng điện chạy qua hai điện cực hệ điện ly Theo quy ớc dòng điện chạy từ điện cực dơng sang điện cực âm dòng electron chuyển từ cực âm sang cực dơng Do vậy, cần lu ý dấu điện cực pin điện hóa bình điện phân - Xét pin điện hóa: (-) Zn / Zn2+ (1M) // Cu2+ (1M) / Cu (+) wire elect rons Zn salt Cubridge mui Zn 2+ ions Cu Cu 2+ ions Hình 8.2: Sơ đồ pin điện hóa Zn - Cu * Điện cực Zn âm điện cực Cu nên Zn đóng vai trò điện cực âm Cu điện cực dơng Khi pin hoạt động, dòng electron chạy từ cực Zn sang cực Cu cb làm cho điện cực Zn phân cực phía dơng cân Zn / Zn , cân điện cực Zn dịch chuyển phía hoà tan Zn: 2+ 102 Zn - 2e Zn2+ Đây phản ứng oxi hóa, nên điện cực Zn (cực âm) gọi điện cực anôt * Điện cực Cu nhận dòng electron từ Zn nên điện cực Cu bị phân cực cb phía dơng cân Cu / Cu , cân điện cực Cu dịch chuyển phía tạo Cu: Cu2+ + 2e Cu 2+ Đây phản ứng khử, nên điện cực Cu (cực dơng) gọi điện cực catôt - Xét bình điện phân: (-) Zn / dung dịch CuSO4 / Cu (+) Hình 8.3: Sơ đồ bình điện phân dung dịch CuSO4 * Điện cực Zn đợc nối với cực âm nguồn điện nên bề mặt điện cực Zn d electron dới tác dụng dòng điện, ion Cu2+ dung dịch di chuyển đến bề mặt điện cực Zn xảy phản ứng khử Cu2+: Cu2+ + 2e Cu Đây phản ứng xảy catôt, nên catôt cực âm * Điện cực Cu đợc nối với cực dơng nguồn điện nên bề mặt điện cực Cu thiếu electron Do đó, cân điện cực Cu dịch chuyển phía hoà tan Cu (phản ứng oxi hóa Cu): Cu - 2e Cu2+ Đây phản ứng xảy anôt, nên anôt cực dơng Nh vậy: 103 1- Đối với pin điện hóa: catôt cực dơng (+) anôt cực âm (-) 2- Đối với bình điện phân: catôt cực âm (-) anôt cực dơng (+) 3- Catôt nơi xảy trình khử anôt nơi xảy trình oxi hóa (dù pin hay bình điện phân) 8.2 Điện kết tinh kim loại Sự khử catôt cation kim loại sở cho nhiều trình điện kết tinh kim loại có ứng dụng thực tiễn Điện kết tinh kim loại đợc sử dụng luyện kim để thu nhận kim loại từ quặng thiên nhiên Một số kim loại đợc sản xuất tinh chế phơng pháp điện kết tinh nh Cu, Zn, Ni, Cd, Sn, Pb, Ag, Au, Mn, Theo nhiệt động học trình phóng điện cuả cation kim loại từ dung dịch xảy điều kiện sau đợc thoả mãn: < + RT ln [Men+ ] = c.b nF (8.6) Phơng pháp điện kết tinh kim loại đợc sử dụng để tạo màng mỏng kim loại lên kim loại, gọi phơng pháp mạ điện Ngày nay, kĩ thuật mạ kim loại trở thành kĩ thuật phát triển mạnh mẽ hầu hết nớc giới, phục vụ cho ngành khoa học kĩ thuật, sản xuất đời sống ngời Điện kết tinh kim loại đợc sử dụng để tạo lớp mạ bề mặt chi tiết máy, dụng cụ sinh hoạt, phơng tiện sản xuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ điạ chất, thông tin liên lạc, kĩ thuật điện, khí xác, thiết bị y tế, dụng cụ phòng thí nghiệm Mạ kim loại có khả tạo lớp mạ bền chắc, chịu mài mòn, chịu áp lực chi tiết sử dụng ngành kĩ thuật Kĩ thuật mạ giúp phục hồi chi tiết máy móc quí giá, mạch in kĩ thuật điện tử Mạ kim loại không nhằm mục đích bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn, mà có tác dụng bảo vệ, trang trí tác phẩm nghệ thuật 8.3 Một số ứng dụng phân tích điện hoá Các phơng pháp điện hoá đợc ứng dụng rộng rãi tiến hành phân tích kiểm tra qúa trình sản xuất khác nghiên cứu khoa học Phơng pháp chuẩn độ đo độ dẫn điện dựa qui luật độ dần điện dung dịch, phép đo độ dẫn điện dung dịch nghiên cứu Phơng pháp cho phép tìm hàm lợng chất riêng rẽ dung dịch, ta xây dựng đợc đờng chuẩn phụ thuộc độ dẫn điện vào nồng độ chất nghiên cứu Nhờ phơng pháp có độ xác cao, nên ngời ta xác định độ tan hợp chất khó tan số cân ion Trong phơng pháp chuẩn độ độ dẫn, ngời ta dùng phép đo độ dẫn để xác định điểm cuối phép chuẩn độ Phép chuẩn độ độ dẫn dùng phản ứng tạo thành kết tủa Phép đo điện cực sở phơng pháp điện Tuỳ theo loại phản ứng đợc dùng chuẩn độ, ngời ta chia phép chuẩn độ điện theo phơng pháp kết tủa, tạo phức, trung hoà chuẩn độ oxi hoá -khử 104 Trên sở định luật Faraday ngời ta đa phơng pháp phân tích điện trọng lợng phép đo Coulomb Phân tích điện trọng lợng gồm tách điện cực cấu tử xác định dạng sản phẩm biết (kết tủa kim loại, oxit, muối ) ghi thay đổi khối lợng sau điện cực Trong phép đo Coulomb, hàm lợng chất đợc xác định theo lợng điện tiêu tốn để biến đổi điện hoá thành sản phẩm khác Tuỳ thuộc vào thành phần dung dịch nghiên cứu, phép phân tích điện lợng Coulomb đợc tiến hành chế độ dòng tĩnh (galvanosatic) tĩnh (potentiostatic) Trong số phơng pháp phân tích điện hoá, phơng pháp cực phổ nhiều biến thể phơng pháp cực phổ chiếm vị trí đặc biệt tính phổ biến có ứng dụng rộng rãi, phơng pháp cực phổ có độ nhạy cao 10-7 - 10-8 mol/L a) Nguyên tắc chung phơng pháp cực phổ Phơng pháp phân tích cực phổ Jaroslav Heyrovsky (Tiệp Khắc) phát minh năm 1922 dựa trình phân cực catôt Hg Nội dung phơng pháp theo dõi biến đổi cờng độ dòng trình điện phân điện cực giọt Hg chất phản ứng chuyển đến catot cong đờng khuếch tán Cấu tạo bình điện phân gồm: - Catôt làm mao quản 0.03 0.05 mm chứa Hg Để đo catôt thờng sử dụng điện cực Calomen bão hoà - Anôt lớp Hg có diện tích lớn gấp 100 lần diện tích catôt Hình 8.4: Sơ đồ bình đo cực phổ cổ điển Khi điện phân, điện áp E đặt vào cực là: E = A- K + IR R điện trở chất điện phân, nồng độ chất điện phân lớn nên điện trở R bé độ giảm IR nhỏ bỏ qua Cờng độ dòng điện dòng điện phân bé, khoảng 10-6A nên mật độ dòng anôt nhỏ Khi thay đổi điện áp E giới hạn định, mật độ dòng anôt coi nh không đổ., A coi nh không đổi 105 Trái lại điện tích catot bé, mật độ dòng catot lớn coi nh điện áp E tác dụng chủ yếu cho trình phân cực catot: E = - K Bằng cách chuyển dịch chạy R với tốc độ 0,1 V/s ghi chép cờng độ dòng điện điện kế A, ta xây dựng đợc cực phổ đồ có dạng nh sau: i 1/2 K Hình 8.5: Dạng đờng cong - dòng phân tích cực phổ Do có mặt lợng lớn chất điện li nền, ion M n+ chuyển đến bề mặt điện cực đờng khuếch tán, tốc độ khuếch tán tỉ lệ với gradien nồng độ, Mn+ dung dịch nồng độ bề mặt giọt Hg Khi đạt đến khử ion phân tích: Mn+ + ne + Hg M(Hg) Do nồng độ ion Mn+ bề mặt giọt Hg giảm xuống tốc độ khuếch tán M tăng lên, cờng độ dòng tăng lên Khi nồng độ ion M n+ bề mặt Hg không, tốc độ khuếch tán đạt đến tốc độ cực đại tỉ lệ với Mn n+ dung dịch Cờng độ dòng điện đạt đến giá trị giới hạn iL, thờng gọi dòng khuếch tán giới hạn Khi dù tiếp tục tăng cờng độ dòng không tăng anot có trình: Hg - 2e + Cl- Hg2Cl2 n+ Calomen tạo bề mặt điện cực anot, hình thành điện cực calomen Khi giảm nồng độ phân tích ion M n+, phân tích chuyển dịch phía âm ta thu đợc hệ đờng cong, nhng đờng cong đối xứng với bán sóng 1/2 b) Phơng trình dòng khuếch tán id Giọt Hg chảy từ ống mao quản chuyển động theo chiều thẳng đứng lòng chất lỏng, bán kính giọt Hg bị thay đổi thờng xuyên bề mặt giọt Hg lớn dần từ đến giá trị cực đại S Tốc độ khuếch tán ion phản ứng đến bề mặt giọt Hg phải thay đổi theo thời gian nghĩa dc / dt 0, dc / dt const 106 Để tìm gradien nồng độ dc / dt điều kiện khuếch tán không ổn định, ta sử dụng định luật Fiek II Trong toạ độ cầu: dc 2c x c = D + dt x t x (8.7) Giải phơng trình (8.7) với điều kiện: cx,t = co t = 0, x = cx,t = c t > , x ( co c ) dc = 1/ => dx D.t (8.8) Gradien nồng độ dC/dx thay đổi theo thời gian nên dòng khuếch tán i d thay đổi theo thời gian it = nFD dc co c = nFD 1/ dx Dt (8.9) Gọi S diện tích điện cực giọt Hg, cờng độ dòng: I t = S it = n.F D.S co c 1/ Dt (8.10) Diện tích bề mặt giọt Hg (S) đợc xác đinh nh sau: Gọi m tốc độ rơi giọt Hg tính mg/s khối lợng giọt Hg là: Q = m.t = 4/3 r3. (8.11) Q: khối lợng giọt Hg t: Thời gian tạo giọt Hg : khối lợng riêng Hg = 13,534 g/cm3 Từ (8.11) ta đợc: 3.m.t r = 4. Thay S theo r vào (8.10) ta đợc: 107 2/3 (8.12) 3.m.t I t = n.F D.4 4. 2/3 co c (8.13) 1/ D.t Thay giá trị , vào (8.13) đơn giản ta đợc: It = 0.732 n.F.m2/3 t1/6 D1/2 (co- c) (8.14) t(s); co, c (mmol/L); D(cm2/s); m(mg/s); It (àA = 10-6A) Khi thể tích tăng đủ lớn c = 0, ta đợc dòng giới hạn: IL = 0.732.n.F.m3/2.t1/6.D1/2.co (8.15) Dòng IL theo (8.15) dòng đột biến Trong thực tế ngời ta không đo dòng đột biến mà đo trị số trung bình dòng nhờ dao động ký điện từ: IL = 1 I L dt = a t / dt IL = 1/ a Với a = 0,732.n.F.co.m2/3.D1/2 Và phơng trình Inkovit với dòng trung bình là: I L = 0,627.nF m / D1 / / c0 (8.16) chu ký rơi giọt thuỷ ngân C) Phơng trình sóng cực phổ thuận nghịch Ta xét trình điện cực ứng với trạng thái cân Cờng độ dòng phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán chất từ lòng dung dịch tới bề mặt điện cực từ bề mặt điện cực Mn+ + ne + Hg M(Hg) Quá trình có giai đoạn sau: = o + RT cs ln nF cSM 108 cSM: Nồng độ kim loại bề mặt catôt cS : Nồng độ ion kim loại bề mặt giọt Hg Quá trình khuếch tán ion Mn+ đến bề mặt catôt đợc mô tả phơng trình Inkovit: I = 0.732.n.F.m2/3.t1/6.D1/2.(co- cS) = a1(co - cS) = IL - a1cS Với a1 = 0.732.n.F.m3/2.t1/6.D1/2 => CS = IL I a1 (8.17) Sự khuếch tán nguyên tử kim loại từ bề mặt catot vào lòng Hg có nồng độ nguyên tử kim loại coM tuân theo phơng trình Inkovit: I = 0.732.n.F.m3/2.t1/6.D1/2.(cSM - coM) I = a2 (cSM - coM) (8.18) Thực tế nồng độ kim loại lòng giọt Hg CoM = Do đó, phơng trình (8.18) trở thành: I = a2 cSM => cSM = I a2 (8.19) Thay cS (8.17) cSM (8.19) vào phơng trình thế: =o + o hay = + c RT ln Ms nF c S (I L I ) a1 RT ln = o + I nF a2 RT a RT I L I ln + ln nF a1 nF I a DM RT DM RT I L I o = ln + ln , nên (14) => = + a1 D nF D nF I = / + RT I L I ln nF I 109 (8.20) 1/2 không phụ thuộc nồng độ ion dung dịch mà phụ thuộc vào chất ion độ nhớt Hg nớc gần đồng nên D ~ DM, nên: 1/2 ~ Mỗi cation Mn+ có bán sóng 1/2 xác định, dựa vào giá trị bán sóng ta xác định đợc cation Mn+ đo dòng giới hạn để xác định nồng độ M n+ dung dịch Hình 8.6: Dạng đờng cong phân tích cực phổ dung dịch chứa nhiều ion Mn+ Ngoài ra, ngời ta dùng phơng pháp điện hoá để nghiên cứu cấu tạo lớp điện kép; trình hấp phụ hiđro, oxi, chất vô hữu điện cực; nghiên cứu động học chế trình điện cực 8.4 Nguồn điện hoá học Nguồn điện hoá học thiết bị cho phép biến đổi trực tiếp lợng hoá học thành lợng điện Trên sở trình oxi hoá-khử khác tạo nên nhiều nguồn điện hoá học Song có số hệ điện hoá đáp ứng yêu cầu thực tế đặt Sau yêu cầu nguồn điện hoá học đại 1- Có khả cho đại lợng sức điện động lớn: Đại lợng sức điện động nguồn điện tính theo qui luật nhiệt động điện hoá Song cần phải tính đến khả đạt đợc hiệu xác định, điện cực nguồn điện xuất khả xảy phản ứng có tham gia dung môi Ví dụ dung dịch nớc, hiệu điện cực vợt 1,23 V điện cực xảy phản ứng thoát hiđro oxi Vì việc tạo nên nguồn điện với dung dịch nớc chất điện li có E ~ 1,23 V khả năng.Tuy nhiên, thực tế tạo đợc nguồn điện với dung dịch nớc chất điện li có E > 1,23 V Điều đợc giải thích dòng trao đổi phản ứng tách hiđro oxi hàng loạt điện cực bé, tức trình xảy với lớn Do đó, sức điện động nguồn điện dùng dung dịch điện li nớc đạt tới 2,0 ữ 2.2 V 110 2- Có sai lệch hiệu điện cực so với sức điện động nguồn điện làm việc bé Sự sai lệch gắn liền với phân cực điện cực nguồn hạ điện trở nội Rn nguồn Hiệu U hai đầu điện cực chịu tải : U = E - K - A với K, A độ phân cực catôt anôt, I cờng độ dòng điện Việc tăng U đạt đợc hai cách Một mặt làm giảm phân cực anôt catôt nhờ tạo điều kiện để trình điện hoá xảy cực nhanh Mặt khác làm giảm tối đa điện trở nội R nguồn điện cách làm giảm khoảng cách điện cực hay dùng chất có độ dẫn điện cao 3- Có điện dung nguồn lớn, tức dự trữ điện nguồn tình cho đơn vị khối lợng hay đơn vị thể tích lớn Ngời ta xác định đại lợng nhờ phóng điện, phụ thuộc điện áp nguồn vào thời gian phóng điện I= const 4- Có công suất riêng lớn, tức có lợng lợng lớn cực đại mà nguồn cung cấp đơn vị thời gian đơn vị khối lợng hay thể tích nguồn điện Bề mặt tiếp xúc vật liệu điện cực với dung dịch yếu tố quan trọng định đại lợng Vì ngời ta thờng dùng điện cực xốp có bề mặt lớn Ngoài ra, việc dùng điện cực nh làm giảm phân cực điện cực, I cho mật độ dòng bị giảm S lớn 5- Có tự phóng điện thấp Tự phóng điện mát điện dung nguồn mạch hở Nguyên nhân tự phóng điện hình thành vi nguyên tố cục điện cực, dẫn tới tiêu tốn chất hoạt động điện hoá cách vô ích làm hỏng điện cực Các nguồn điện hoá học đợc chia thành loi: pin (nguồn sơ cấp), c quy (nguồn thứ cấp) pin nhiờnh liu (máy phát điện in hoá) a- Pin (nguồn sơ cấp): - Pin Leclanché: (-) Zn / NH4Cl (20%), ZnCl2 / MnO2, C (+) có E = 1,5 - 1.6 V 111 Catụt Anụt Lp cỏch in Np thộp Keo dỏn Lp bt Catụt C NH4Cl ZnCl2, MnO2, bt nhóo Lp ngn xp ng km anụt V bc ngoi Hình 8.7: Cấu tạo pin Leclanché Phản ứng xảy điện cực nh sau: - Anôt: Zn Zn2+ + 2e - Catôt: 2MnO2 + 2NH4+ + 2e 2MnOOH + 2NH3 Và phản ứng chất điện ly: Zn2+ + 2NH3 [Zn(NH3)2]2+ Phản ứng tổng cộng xảy pin: Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl 2MnOOH + [Zn(NH3)2]Cl2 - Pin kẽm-không khí: Zn / NaOH / O2 (C) có E =1,4V Zn + NaOH + 1/ 2O2 NaHZnO2 - Pin oxit thuỷ ngân: Zn / KOH / HgO / C có E = 1,34V Pin có công suất riêng lớn, tự phóng điện thấp, độ phân cực bé sản xuất dới dạng viên nhỏ Zn + HgO + 2KOH K2ZnO2 + H2O + Hg Các nguồn sơ cấp hỏng sau tiêu phí hết chất tham gia phản ứng tạo dòng 112 b- c quy (Nguồn thứ cấp): Nguồn thứ cấp hay gọi ắc qui, nguyên tố galvani cho phép phúng np sử dụng nhiều lần nh l cụng c lu gi in nng Các chất tạo dòng ban đầu đợc tái tạo dẫn qua ắc qui nguồn chiều từ bên - ắc qui chì: ắc quy chì đợc phát minh năm 1859 nhà vật lý Pháp Gaston Planté Sơ đồ cấu tạo ắc quy chì: (-) Pb, PbSO4(r) / H2SO4 (32 - 34%) / PbO2 / Pb (+) E = 1,95 - 2,15V Các phản ứng xảy điện cực: - Tại điện cực âm: phongdien PbSO4 (r) Pb -2e + SO42- napdien - Tại điện cực dơng: phongdien PbSO4(r) + 2H2O PbO2 (r) +2e + 4H+ + SO42- napdien Phản ứng tổng cộng: phongdien 2PbSO4 + 2H2O Pb + PbO2 + 2H2SO4 napdien - ăc qui kiềm- Fe hay Cd- Ni: (Cd) Fe / KOH / NiOOH / Ni có E = 1,3 - 1,4V Fe + 2NiOOH + 2H2O 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2 Cd + 2NiOOH + 2H2O 2Ni(OH)2 + Cd (OH)2 - ắc qui bạc-kẽm: Zn / KOH + K2ZnO2 / Ag2O / Ag có E = 1,85V 2Zn + 2Ag2O + KOH 2K2ZnO2 + 4Ag + 2H2O ắc qui bạc - kẽm nguồn điện có công suất riêng điện dung riêng cao - ăc qui Ni- Zn: Zn / KOH + K2ZnO2 / NiOOH / Ni E = 1,7V 2NiOOH + Zn + 2KOH 2Ni(OH)2 + K2ZnO2 113 c- Pin Nhiờn liu (mỏy phỏt in in hoỏ): Máy phát điện in hoá hay pin nhiên liệu thiết bị biến trực tiếp hoá thành điện bỏ qua giai đọan tích tụ lợng nh nguồn điện hoá học khác (pin, ắc qui) Trong pin nhiên liệu, chất oxi hoá hầu nh dùng oxi nguyên chất hay oxi không khí Chất khử (hay gọi nhiên liệu) hiđro, metanol, hyđrazin, axit focmic, oxitcacbon, hyđrocacbon, than Cho đến có ba loại pin nhiên liệu với chất nhiên liệu H2, hiđrazin, metanol có ứng dụng thực tế; đạt đợc thành tựu lớn chế tạo pin nhiên liệu H2 - O2 Trong năm gần đây, nhóm nguồn điện hoá dợc chế tạo Đó nguồn dùng kim loại kiềm nguồn chất điện li rắn có độ dẫn điện ion cao Hình 8.8: Sơ đồ pin nhiên liệu H2 - O2 8.5 Tổng hợp hợp chất hữu - vô phơng pháp điện hoá T th k 19 Reynol v Irman ó bit s dng in hoỏ vo vic tng hp cỏc cht hu c nhm nõng cao hiu sut phn ng hu c Grothus ó quan sỏt c mt hin tng lớ thỳ: Khi in phõn indigo trng mụi trng kim, trờn anụt cú cn mu xanh Cn ny mt i i chiu dũng in Nhng nguyờn tc in kh v in oxi hoỏ ch c thit lp t sau phỏt hin ca Kolbe nm 1845 ụng nghiên cu vic th clo bng hidro axit clometylsunfonic Trong nhng nm cui th k 19 Gatterman, Haber, Tafel ó cú cụng úng gúp rt nhiu vo vic nghiờn cu cỏc quan h nh lng nghiờn cu in kh hu c Ngy phng phỏp in kh in hoỏ ó c s dng khỏ ph bin nhiu nc 114 sn xut cỏc hp cht hu c cú giỏ tr cao, ỏp ng nhu cu cho cỏc ngnh dc phm, m phm v cụng nghip hoỏ cht Do cỏc phn ng in hoỏ dựng tỏc nhõn oxi hoỏ kh l dũng in mt chiu, nờn mt s trng hp phng phỏp tng hp in hoỏ cỏc hp cht hu c cú tớnh u vit hn so vi cỏc phng phỏp hoỏ hc v tit kim hoỏ cht, d iu khin, phn ng xy iu kin nhit v ỏp sut bỡnh thng Sn phm to cú tinh khit cao, chn lc cao, d tỏch; ú cho phộp h giỏ thnh v nõng cao hiu qu kinh t, k thut ca phn ng tng hp cỏc hp cht hu c Tng hp in hoỏ hu c thng l s kt hp ca quỏ trỡnh: Quỏ trỡnh in hoỏ (E) v quỏ trỡnh hoỏ hc (C) Th t ny cú th c lp li hoc quỏ trỡnh (C) v (E) cú th c kt hp nhng cỏch khỏc nh E.E.C, E.C.E, C.E.C.E; cng cú th l C.E C s ca quỏ trỡnh (E) l s trao i electron gia in cc v cỏc cht phn ng, vo loi quỏ trỡnh oxi hoỏ kh Cỏc quỏ trỡnh (E) cú th xy nh sau: A2+ A+ A A- A2- A A+ Nu tt c cỏc yu t ca iu kin thớ nghim tng hp in hoỏ c gi khụng i, thỡ yu t c bn nh hng n quỏ trỡnh in hoỏ (E) l th in cc C s ca quỏ trỡnh hoỏ hc (C) quỏ trỡnh in hoỏ l s tham gia phn ng ca cỏc cht trung gian c hỡnh thnh t quỏ trỡnh (E) Cỏc cht trung gian ny cú th tham gia phn ng cng, tỏch, phn ng th to thnh cỏc sn phm cú cu trỳc mong mun Sn phm cui cựng to thnh ph thuc vo dung mụi, bn cht ca cht in li, vt liu in cc, mt dũng hay th in cc, nhit , pH S chung cho quỏ trỡnh in hoỏ cú th c mụ t nh sau: Anode Cathode Product Substrate e Prcess C Process E e Reactive intermediate Sản xuất hợp chất hoá học phơng pháp điện hoá ngành lớn công nghiệp hoá học đại Việc điều chế xút, clo phơng pháp điện hoá sở điện phân dung dịch NaCl chiếm vị trí hàng đầu điện hoá qui mô lớn 115 Điện phân nớc để thu hiđro oxi nh nớc nặng biết từ lâu dựa qui luật tách hiddro catôt oxi anôt Sản xuất điện hoá hipoclorit, axit cloric, peclorat, H2O2, MnO2 chất vô khác có ý nghĩa quan trọng công nghiệp Các phơng pháp điện hoá mở khả to lớn tổng hợp hợp chất hữu khác Bằng phơng pháp điện hoá ngời ta thực số trình chuyển hoá hợp chất hũ mà phơng pháp hoá học tuý không thực đợc khó tiến hành Quá trình tổng hợp hợp chất hữu phơng pháp khử điện hoá đợc ứng dụng rộng rãi nh trình khử axetylen thành etilen, khử axit phtalic thành dihiđro phtalic Một số hợp chất kim đợc điều chế tiến hành phản khử anđehyt, xeton số hợp chất cha no catôt kim loại P.aminophenol đợc điều chế phản ứng catôt nitrobenzen dung dịch axit sunfuric mạnh catôt Pt Các nhà khoa học ấn độ sản xuất benzindin trình khử nitrobenzen môi trờng rơụ-nớc với catôt Na(Hg) Phản ứng khử piridin H2SO4 phơng pháp để tổng hợp piperidin Một qúa trình khử điện hóa có qui mô công nghiệp đợc áp dụng từ năm 1940 trình khử acrylonitril để sản xuất adiponitril, chất đầu dùng điều chế hexametylendiamin để sản xuất polime nylon 6.6 Trong công nghiệp hơng liệu, xitronellol đợc điều chế phử ứng khử xitronellal anđehyt salixylic thu đợc nhờ trình khử axit salixilic Một số dợc phẩm đợc tổng hợp phơng pháp khử điện hoá nh sobitol từ gluco, manitol từ mano mentol từ menton Trên điện cực anôt, ngời ta tiến hành oxi hoá hợp chất hữu khác nh axit cacboxylic phản ứng Kolbe, oxi hoá rợu, ete, xeton, anđehyt, oxi hoá amin hợp chất hữu khác chứa S, Se Phơng pháp oxi hoá anôt đợc sử dụng để thay phơng pháp hoá học sản xuất benzaldehyt từ toluen quinon từ benzen anôt PbO Axit phtalic naphtal thu đợc oxi hoá naphtalen Axit nicotic, chất dùng để tổng hợp vitamin P.P, đợc điều chế phản ứng oxi hoá nicotin -nicolin anôt Pt Pb axit xebaxinic dẫn suất cần cho ngành công nghiệp nhựa cao cấp công nghiệp chất thơm nớc phát triển, công nghiệp sản xuất hợp chất xebaxinic phơng pháp điện hoá đợc sử dụng để thay phơng pháp hoá học hiệu suất thấp dùng nguyên liệu dầu thầu dầu Quá trình oxi hoá rợu có mạch cacbon C C5 nh propylancol, n.butylancol, izobutylancol để điều chế axit tơng ứng có ý nghĩa quan trọng sản xuất dợc phẩm, thuốc trừ sâu, để điều chế este làm dung môi làm hơng liệu cho mỹ phẩm, thực phẩm Một số dợc phẩm đợc tổng hợp phơng pháp oxi hoá điện hoá nh gluconatcanxi từ gluco, lactobionatcanxi từ lacto Trong công nghiệp polime ngời ta sử dụng phơng pháp oxi hoá anôt để tạo tiến hành tổng hợp số polime nh polipyrol, polithyol có tính chất dẫn điện, làm vật liệu tạo màng sensor điện hoá có giá trị ứng dụng cao 116 Ngày nay, công nghiệp xử lí môi trờng, phơng pháp hoá học, phơng pháp hoá lí, phơng pháp sinh học; ngời ta sử dụng phơng pháp oxi hoá anôt khử catôt điện hoá hợp chất hữu - vô để xử lí chất ô nhiễm nhờ tính hiệu cao, dễ điều khiển khử độc triệt để Các hợp chất hữu gây ô nhiễm đợc xử lí phơng pháp oxi hoá anôt dẫn xuất benzen với nhóm -OH, -NH2, _COOH-, -SO32-, -NO2- Sản phẩm tạo trình oxi hoá CO2 hợp chất không gây độc hại cho môi trờng Các dẫn xuất clo hyđrocacbon không bị phá huỷ phơng pháp sinh học, hoá học nhng lại dễ bị khử điện hoá để tạo thành ion Cl - không gây độc hại hợp chất cacbon bị phá huỷ phơng pháp sinh học Một số dẫn xuất clo nớc đợc xử lí phơng pháp khử điện hoá nh pentaclophenol, tetracloetylen, tricloetan, DDT Câu hỏi tập Xác định sức điện động acquy niken - cadimi công suất cực đại biết ăc quy cung cấp dòng điện cờng độ 100 mA 25 oC Cho biết trình phản ứng điện cực, cực dơng, cực âm, anôt, catôt, chiều dịch chuyển electron, chiều vận chuyển ion xảy pin điện hóa bình điện phân Trình bày sở định tính định lợng phơng pháp phân tích cực phổ Trình bày u điểm phơng pháp tổng hợp chất hữu - vô phơng pháp điện hóa Cho ví dụ số trình điện phân tổng hợp chất hóa học Đối với pin Leclanché, điện cực Zn bị oxi hóa thành Zn(OH) (r), điện cực MnO2 (r) bị khử thành MnOOH (r) với có mặt dung dịch NH 4Cl tạo NH3 Hãy viết phản ứng điện cực phản ứng tổng quát pin Hãy xác định khối lợng tối thiểu chất tham gia phản ứng tổng quát pin pin tạo dòng điện 0,01 A 10 Trong trình tích điện ăcquy chì, PbSO 4(r) thành Pb PbSO4 bị oxi hóa thành PbO2; hai qúa trình xảy dung dịch H2SO4 a) Hãy viết phả ứng xảy điện cực b) Nếu trình tích điện cho ăcquy, ngời ta dùng dòng điện 10 A cho qua ăcquy 1h30 phút có PbSO4 bị phân tích 117
- Xem thêm -

Xem thêm: chuong8 (đã sửa), chuong8 (đã sửa), chuong8 (đã sửa)

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn

Nạp tiền Tải lên
Đăng ký
Đăng nhập