elektrickÝ proud v kapalinÁch - jergymvyužití elektrolýzy • elektrolýza nacl (výroba naoh...
TRANSCRIPT
ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH
ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH
ELEKTROLYT = kapalná látka, která vede elektrický proud
Hlavně vodné roztoky kyselin, zásad a solí + taveniny, ve kterých vznikají ionty rozpadem krystalové mřížky
PROČ?Molekula vody se chová jako dipól a rozpouští polární molekuly = DISOCIACE
DISOCIACE = rozložení molekul na jednotlivé ionty
• PŘ: H2SO4 → 2H+ + SO4
2-
NaCl → Na+ + Cl-
REKOMBINACE = spojeníjednotlivých iontů v neutrální molekulu
Probíhajísoučasně!
POCHOD IONTŮ = pohyb iontůelektrolytu vlivem el. pole
ELEKTRODY = vodiče ponořené do elektrolytu
ANODA – spojena s kladným pólem zdroje napětí
KATODA – spojena se záporným pólem zdroje napětí
ELEKTROLÝZA = děj, který probíhá při průchodu el. proudu
elektrolytem• chemické a látkové
změny• na elektrodách dochází k
vylučování látek – na KATODĚ kov či vodík
Využití elektrolýzy• elektrolýza NaCl (výroba NaOH ve škole)• elektrolýza vody (výroba vodíku pro palivové články,
účinnost přeměny el. energie na chemickou až 94%)– výroba kyslíku ve vojenských ponorkách (vydrží dlouho pod
vodou)– výroba kyslíku na kosmických stanicích z odpadní vody
• galvanické pokovování (chromování, niklování, zlacení)• elektrometalurgie (výroba hliníku)• polarografie (zjišťování chem. složení a koncentrace chem.
látek)• galvanoplastika (kovové obtisky těles)
Galvanické pokovování
Reakce:Elektrolytická disociace: CuSO4 → Cu2+ + SO4
2-
katoda: Cu2+ + 2e- → CuNa anodě: SO4
2- → SO4 + 2e-
SO4 + Cu → CuSO4 (anoda se rozpouští)Koncentrace elektrolytu se nemění
Elektrolyt: modráskalice (CuSO4.5H2O) rozpuštěná ve vodě
ELEKTRICKÝ PROUD PROTÉKAJÍCÍ ELEKTROLYTEM
Q … náboj prošlý povrchem elektrody
N … množství iontů vyloučených na elektrodě
e … elementární náboj
z …. počet elementárních nábojů, které nese jeden ion = STUPEŇ IONIZACE, VALENCE
e.z.NQ =
Mm … molární hmotnost iontu
NA … Avogadrova konstanta
F... Faradayova konstanta
A... elektrochemický ekvivalent
e.z.NQ =e.z.N.nQ A=
F.z.MmQ
m
=
mMF.zmQ =
F.zM
Qm m=A.Qm =
F… Faradayova konstanta, Faradayův náboj, faraday
F = 6,022.1023 mol-1.1,0602.10-19 C = 9,65.104 C.mol-1
eNF A.=
zFMQm m
..
=
tIAQAm ... ==
zFMA m
.=
Mm a z jsou konstantní pro daný ion, proto…
A … elektrochemický ekvivalentLátková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní. (Mohou se navzájem nahradit v chemické sloučenině nebo se mohou beze zbytku sloučit.)
Elektrochemický ekvivalent je hmotnost látky, kteráse uvolní na elektrodě při průchodu náboje 1 C stěnou elektrody. Pokud by tato látka reagoval s 1 molem vodíku, sloučila by se s ním beze zbytku.
Elektrochemický ekvivalent je množstvílátky chemicky ekvivalentní 1 molu vodíku.
ELEKTROCHEMICKÝ ELKVIVALENT
I. FARADAYŮV ZÁKON PRO ELEKTROLÝZU (1833)
Hmotnost látky vyloučené na kterékoli elektrodě je přímo úměrná prošlému náboji.
tIAQAm ... ==
II. FARADAYŮV ZÁKON PRO ELEKTROLÝZU (1833)
Pro elektrochemický ekvivalent A platí vztah:
zFMA m
.=
Michael Faraday – muž z bankovky Voltampérová charakteristika elektrolytického vodiče
kovy
UR ... rozkladnénapětí
elektrolyt RUI =
RUU
I R−=
Roztok H2SO4 ve vodě
malé napětí
rozkladné napětí UR = polarizační napětí
U
elektrickádvojvrstva s elektrickým potenciálem vůči elektrodě
RUU
I R−=
SlR ρ=
Galvanické články (1800) = PRIMÁRNÍ ČLÁNKY
- voltmetr naměří napětí mezi elektrodami 1 V- zinková elektroda je záporná a měděná kladnáJak toto napětí vzniká?
Voltův článek
- zinková elektroda se rozpouští více než měděná, proto má menší potenciál- při rozpouštění přecházejí kladné ionty z elektrody do elektrolytu
svorkové napětí
vnitřní = elektromotorické napětí
polarizačnínapětí
polarizace elektrod – na elektrodách se usazují vyloučenélátky, zvyšuje se vnitřní odpor zdroje
Napětí kovů vzhledem k vodíkovéelektrodě (platina pokrytá bublinkami
vodíku)
1,5Au0,86Hg0,81Ag0,34Cu0H2
-0,126Pb-0,44Fe-0,762Zn
NAPĚTÍ [V]LÁTKA
Anatomie ploché baterie
elektrolyt je salmiak (NH4Cl) zahuštěn škrobem → kaše
směs burelu (MnO2), tuhy a koksu slouží jako depolarizátor (zamezuje vylučování vodíku na Znelektrodě)
napětí mezi uhlíkovou a zinkovou elektrodou je cca 1,5 V
(Leclanchéův článek)
Baterie ze tří monočlánků má napětí 4,5 V
Další typy primárních článků
• alkalický (1,2 V, kvalitnější baterie)• zinko-stříbrný článek (2,2 V; velmi kvalitní
baterie)• lithiový článek (3,1 V; dlouhá životnost)
Historie galvanických článků
Luigi Galvani (ital. lékař): pitvání žabích stehýnek →záškuby po dotyku kovového předmětu
vysvětlení Alessandro Volta: vznik elektrického napětí mezi dvěma kovy (nástrojem a kovovým podkladem) vodivě propojenými elektrolytem (obsaženým v buňkách)
Olověný akumulátor = SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY
na elektrodách nanesena vrstva PbSO4
NABÍJENÍ
Na katodě: PbSO4 + 2e- →Pb + SO4-2
Na anodě: PbSO4 - 2e- + 6H2O →PbO2 + 4H3O+ + SO4
-2
2,1V
Olověný akumulátor
• pokud klesne napětí na 1,85 V nutno ho opět dobít (hrozí snížení kapacity)
• při dobíjení se uvolňuje vodík – riziko výbuchu
• kapacita akumulátoru (v autě 12 V, 44 A.h)– náboj, který akumulátor vydá při vybíjení
1A.h = 3600 C• nízká cena, vysoká účinnost
Další typy akumulátorů• alkalický
– niklkadmiový (NiCd) JEDOVATÝ– metalhydridový (NiMH)
• lithiový (napětí cca 3,7 V na monočlánek)– lithium iontoý (Li-ion) – lithium polymerový (Li-pol)
životnost:cca 3 roky (1000 nabíjecích cyklů)
paměťový efekt akumulátorů: spíše záležitost reklamy a nekvalitních dobíječek (nevhodnost přebíjení)
Palivový článek• elektrochemické zařízení vytvářející
elektrickou energii• princip: dodávání paliva na anodu a
okysličovadla na katodu, na katodě se oxidační činidlo (většinou kyslík) redukuje na anionty (O2-), a ty pak reagují s H+ ionty na vodu
• palivové články mohou operovat nepřetržitě pokud bude tok paliva a okysličovadla udržován
• využití: kosmické sondy (program Apollo, elektromobily)
Polarografie
• Jaroslav Heyrovský -1959 Nobelova cena• určování přítomnosti a koncentrace neznámých
látek v roztoku • princip: vyhodnocování závislosti elektrického
proudu na napětí na dvojici elektrod, které jsou ponořené do roztoku, v němž probíhá elektrolýza
• závislosti charakteristické pro jednotlivé druhy látek