Áramforrások Elsődleges cella: áramot termel kémiai anyagokból, melyek a cellába vannak bezárva. Ha a reakció elérte az egyensúlyt, kimerül. Nem tölthető.
Másodlagos cella: Használat előtt fel kell tölteni. Használat előtt van a rendszer egyensúlyban. Újratölthető.
Tüzelőanyagcella: Elsődleges cella. A reagenseket a cellán kívülről adagolják.
Elektrokémia
A Leclanché-féle szárazelem +
1866
záróréteg
burkolat
légtér
NH4Cl + ZnCl2
C + MnO2
Zn membrán
grafit
_
Hasonlóan működik az alkáli-szárazelem:
Georges Leclanché (1839−1882)
Áramforrások Szárazelem Leclanché Anód:
Zn2+(aq) + 2 NH4+(aq) + OH–(aq)
Katód:
Zn2+(aq) + 2e-
Zn(s)
2MnO2(s) + 2NH4+(aq) + 2e-
→
[Zn(NH3)2]2+(aq) + 2 H2O
Mn2O3(s) + 2NH3(aq)+ H2O(l)
1,5 V → 0,8 V nedves NH4Cl és ZnCl2 paszta keményítőben (elektrolit)
Áramforrások Szárazelem
Alkálielem Anód: Katód:
Zn(s) + 2OH-(aq) 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e-
ZnO(s) + H2O(l) + 2eMn2O3(s) + 2OH-(aq)
szigetelő grafit rúd (katód) MnO2 és szén paszta aq. NaOH és ZnCl2 paszta (elektrolit) fém cink doboz (anód)
Áramforrások Ólomakkumulátor Anód:
Pb(s) + HSO4-(aq)
Katód:
PbO2(s) + 3H+(aq) + HSO4-(aq) + 2e-
Bruttó:
Pb(s) + PbO2(s) + 2H+(aq) + 2HSO4-(aq)
PbSO4(s) + H+(aq) + 2ePbSO4(s) + 2H2O(l) 2PbSO4(s) + 2H2O(l)
Elektrokémia Az ólomakkumulátor Pb(sz) + HSO4− = PbSO4(sz) + H+ + 2e−
anód: oxidáció
PbO2(sz) + HSO4− + 3H+ + 2e− = PbSO4(sz) + 2 H2O katód: redukció Pb(sz) + PbO2 + 2H+ + 2HSO4− = 2PbSO4(sz) + 2H2O
Töltött
Kisütött
Kisütés
Töltés
Áramforrások Nikkel-kadmium (“ni-cad”) akkumulátor Anód:
Cd(s) + 2OH-(aq)
Katód:
NiO(OH)(s) + H2O(l) + e-
Cd(OH)2(s) + 2eNi(OH)2(s) + OH-(aq)
Nikkel-fémhidrid (“NiMH”) akkumulátor Anód::
MHab(s) + OH-(aq)
Katód:
NiO(OH)(s) + H2O(l) + e-
Overall:
MHab(s) + NiO(OH)(s)
M(s) + H2O(l) + eNi(OH)2(s) + OH1-(aq) M(s) + Ni(OH)2(s)
Áramforrások Lítíumakkumulátor
Anód::
xLi(s)
Katód::
MnO2(s) + xLi+(soln) + xe-
xLi+(soln) + xeLixMnO2(s)
Lítíumion-akkumulátor Anód::
LixC6(s)
Katód::
Li1-xCoO2(s) + xLi+(soln) + xe-
xLi+(soln) + 6C(s) + xeLiCoO2(s)
Áramforrások Hidrogén-oxigén üzemanyagcella anód
katód
H2 bemenet O2 bemenet H2O kimenet forró vizes KOH H2 vízzé oxidálódik az anódon
fém katalizátort tartalmazó porózusos szén elektródok
H2O kimenet O2 redukálódik a katódon OH– ionná
A nettó reakció: hidrogén és oxigén reakciója vízzé
Elektrolízis Ha a cellán áramot bocsátanak át, egy különben magától le nem játszódó reakció is megvalósítható.
Elektrolízis során a külső feszültségforrás elektronokat juttat az anódról a katódra.
A galváncellához képest megfordul az elektródok polaritása.
Elektrokémia Elektrolízis – áram hatására lejátszódó kémiai változás
H+(aq) + Cl-(aq)
H2(g) + Cl2(g)
bomlásfeszültség – legkisebb olyan feszültség, amellyel tartós elektrolízis megvalósítható, ha nincs túlfeszültség, akkor εK-εA
Elektrolízis A lehetséges félreakciókból összeállítható cellareakciók mind negatív Eocell-t adnak. Az a reakció várható, amelyiknek a cellapotenciálja a legkisebb negatív érték. Sok esetben a cellapotenciálnál nagyobb feszültségre van szükség, hogy a reakció ténylegesen meginduljon. Túlfeszültségnek nevezik ezt az elektród anyagától és az elektródreakciótól függő extra feszültséget. EOS
Elektrokémia Túlfeszültség η = εtényleges - ε(Nernst)
elektródfüggõ
pl. 2H+(aq) + 2e-
Hg - nagy η Pt - kis η
H2
(Áram) I Pt
Hg
η
Elektrolízis Vízbontás Anód:
2H2O(l)
Katód:
4H2O(l) + 4e-
Bruttó:
6H2O(l)
O2(g) + 4H+(aq) + 4e2H2(g) + 4OH-(aq) 2H2(g) + O2(g) + 4H+ + 4OH-(aq)
Elektrokémia
pl. a víz bontása H2
O2
Egyenáram
Fém Pt oldat
Anód: + 2O2− = O2 + 4e− oxidáció
FARADAY TÖRVÉNY:
n=
It zF
Katód: 4H+ + 4e− = 2H2 redukció
I - áramerõsség t - idõ (s) z - átadott elektronok száma F - Faraday állandó
Elektrolízis olvadt NaCl elektrolízise Anód:
2Cl-(l)
Katód:
2Na+(l) + 2e-
Bruttó:
2Na+(l) + 2Cl-(l)
Cl2(g) + 2e2Na(l) 2Na(l) + Cl2(g) Az áramforrás elektronokat „szív el” az anódtól és elektronokat juttat a katódra.
anód
áramforrás
katód inert elektródok
Elektrolízis Fémnátrium gyártása
megolvasztott NaCl és CaCl2 olvasztott Na (kisebb a sűrűsége, mint a megolvasztott NaCl és CaCl2 keveréknek)
Na olvadék
hengeres acél katód
grafit anód
vas henger elválasztja az Na és Cl2 -t
Elektrolízis Vizes NaCl elektrolízise Anód::
2Cl-(aq)
Katód:
2H2O(l) + 2e-
Bruttó:
2Cl-(l) + 2H2O(l)
Cl2(g) + 2eH2(g) + 2OH-(aq) Cl2(g) + H2(g) + 2OH-(aq)
Elektrolízis Cl2 és NaOH gyártása kationáteresztő membránnal
Higanycellás (higanykatódos) eljárás Anód: Ti TiO2, vagy RuO2 bevonattal
fém anód
fém anód
Cl2 gáz
elbontott sóoldat
sóoldat betáplálás
70 – 80 °C
25 %-os NaCl
katód visszaforgatott
21-22 %-os NaCl a só 15 – 16 %-a átalakult
H2 gáz
higany 50 %-os
NaOH víz bevezetés 90 – 130 °C
a bontóba tiszta higany
A: vezető fenéklemez B: higany film (amalgám 2 – 4 % Na)
C: bontó (grafit töltet) D: szűrő
Aktivált grafit: Fe, Co, vagy Ni-oxidokkal vagy Mo, W-karbidokkal
Elektrolízis Alumíniumgyártás
Elektrokémia Az elektrolízis ipari felhasználása: alumíniumgyártás
Na3AlF6 (kriolit) és Al2O3 olvadéka
Más fémek is: pl. Na (és hypo NaOCl gyártása)
Elektrolízis A reakcióban résztvevő anyagok tömege függ: moláris tömeg, áthaladó töltés, reagáló elektronok száma A töltés mértékegysége a coulomb (C), egy elektron töltése –1.6022 × 10–19 C, 1 mol töltése a Faraday-állandó. Az áramerősség mértékegysége az amper (A). EOS
Elektrolízis Anód: nikkel Katód: réz
Elektrolízis A réz raffinálása A réz a CuSO4 oldaton keresztül a szennyezett Cu anódról a tiszta Cu katódra vándorol.
áramforrás
szennyezett réz anód
Nemsfém suennyezők (Ag, Au, Pt) nem oxidálódnak, így összegyűjthetők az anódiszapban.
tiszta réz katód
Könnyebben oxidálódó szennyezők (Zn, Fe) oldatban maradnak, mint kationok.
Elektrolitikus fémleválasztás Fémkatód bevonása vékony fémréteggel
Réz(II)-klorid vizes oldatát 1 óráig elektrolizálva az anódon 30 °C
hőmérsékleten 217 cm3 101,3 kPa nyomású klórgáz fejlődik. Az anódfolyamatnál az áramkihasználás 100%-nak tekinthető. Mekkora az elektrolízis hatásfoka, ha a katódon ugyanennyi idő alatt 0,45 g Cu válik le ? (Cu relatív atomtömege: 63,5)
= 81,2 %
Mekkora áramerősséggel elektrolizáltunk ? = 0,47 A
