Естественно-научные основывысоких технологийЛекция 5. Химические основы высоких технологий

Содержание

Слайд 2

ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Электрохимией называется раздел физичес-
кой химии, посвященный изучению связей
между химическими и электрическими
явлениями.

ЭЛЕКТРОХИМИЯ Электрохимией называется раздел физичес- кой химии, посвященный изучению связей между химическими и электрическими явлениями.

Слайд 3

ПЛАСТИНКА МЕТАЛЛА В РАСТВОРЕ ЕГО СОЛИ

ПЛАСТИНКА МЕТАЛЛА В РАСТВОРЕ ЕГО СОЛИ

Слайд 4

ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ

ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ

Слайд 5

СТРОЕНИЕ ДВОЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ

Плотная часть двойного электрического слоя
Примыкает к металлу, состоит из

СТРОЕНИЕ ДВОЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ Плотная часть двойного электрического слоя Примыкает к металлу,
молекул воды,
диполи которой ориентированы в сторону метал-
лического электрода. Здесь же располагаются
и адсорбированные на металле ионы.
Диффузная часть двойного электрического слоя
Представлена гидратированными ионами, которые
не могут близко подойти к поверхности металла.
При больших концентрациях электролита число
адсорбированных ионов возрастает и диффузная
часть слоя сжимается, при очень низких расширя-
ется.

Слайд 6

ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ
Разность электрических потенциалов, возника- ющую между металлом и окружающим его раствором,

ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ Разность электрических потенциалов, возника- ющую между металлом и окружающим его
называют электродным потенциалом
Электродный потенциал зависит от:
1. Природы металла (он различен, например, у меди и железа);
2. Концентрации ионов металла в растворе
3. Температуры

Слайд 7

ИЗМЕРЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ

1.Стандартные условия
1. Концентрация ионов металла в растворе 1 моль/л;
2.

ИЗМЕРЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ 1.Стандартные условия 1. Концентрация ионов металла в растворе
Давление 101325 Па;
3. Температура 250 С (298,15 К)
2. Измеряется по отношению
к “стандартному водородному электроду”.

Слайд 8

СТАНДАРТНЫЙ ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД

СТАНДАРТНЫЙ ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД

Слайд 9

Измерение электродного потенциала

Измерение электродного потенциала

Слайд 10


Ряд напряжений металлов

Li, Са, Zn, Cr, Fe, Pb, H, Cu, Hg, Ag,

Ряд напряжений металлов Li, Са, Zn, Cr, Fe, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Au
Au

Слайд 11

Уравнение Нернста (1889 г.)

φ – потенциал электрода, В;
φ0 – стандартный электродный

Уравнение Нернста (1889 г.) φ – потенциал электрода, В; φ0 – стандартный
потенциал, В;
Т – температура по шкале Кельвина, K;
n – число переданных электронов;
F – постоянная Фарадея, 96500 Кл/моль ед. заряд.;
[Ox] – концентрация окисленной формы вещества, моль/л ;
[Red] – концентрация восстановленной формы вещества, моль/л.

Слайд 12

Уравнение Нернста Если [Ox] = [Red] =1 моль/л, то:

При стандартной температуре 298K

Уравнение Нернста Если [Ox] = [Red] =1 моль/л, то: При стандартной температуре
(25C) и подстановке значений R и F уравнение принимает вид:

Слайд 13

Электроды

Электродом    в электрохимии   называют   такую
систему, в которой токопроводящее вещество
помещено в раствор или

Электроды Электродом в электрохимии называют такую систему, в которой токопроводящее вещество помещено
расплав электролита либо
в газ.
В качестве   токопроводящего  материала   может 
быть  использован твердый или жидкий металл,
различные соединения (оксиды, карбиды и др.),
неметаллические материалы (уголь, графит и др.),
полупроводники.

Слайд 14

Электроды 1-го рода


Электродом  1-го рода называют металличес-
кий электрод, помещенный в раствор его

Электроды 1-го рода Электродом 1-го рода называют металличес- кий электрод, помещенный в
соли.
Меz+ + z ē ↔Ме0
(где Me-какой-либо металл, z-заряд ионов этого металла), а также системы с амальгамными электродами (амальгама - раствор металла в ртути).

Слайд 15

Электроды 1-го рода

Пример 1:  медная пластинка в растворе
сульфата меди (II).
На пластинке

Электроды 1-го рода Пример 1: медная пластинка в растворе сульфата меди (II).
возможны два процесса, между
которыми устанавливается равновесие:
1. Переход атомов меди с поверхности металла в раствор (процесс окисления): Сu0 - 2ē→Сu 2+
2. Восстановление ионов металла на поверхности пластинки: Сu 2+ + 2ē→ Сu0
Пример 2: амальгама цинка-ионы цинка:     Zn2+ + 2 ē ↔ Zn(Hg)

Слайд 16

Электроды 2-го рода


Металл с нанесенным на поверхность слоем его труднорастворимой соли

Электроды 2-го рода Металл с нанесенным на поверхность слоем его труднорастворимой соли
или оксида и помещенный в раствор, содержащий ионы этой соли (для оксида-ионы   ОН-).
Пример: серебро, покрытое пленкой хлорида серебра AgCl и помещенное в раствор хлорида калия (хлорсеребряный электрод).
В такой системе устанавливается равновесие: AgCl + ē ↔ Ag + Cl-

Слайд 17

ИНЕРТНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ

Платина в растворе хлорида железа (III)

Некоторые материалы (платина, графит) называются инертными,

ИНЕРТНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ Платина в растворе хлорида железа (III) Некоторые материалы (платина, графит)
так как не могут посылать свои ионы в раствор.
Такие материалы используют для создания окисли- тельно-восстановительных или   редокс-электродов. Например,  платиновая пластинка, погруженная в раствор, содержащий сульфат железа (II) и сульфат железа (III). На таком электроде устанавливается равновесие: Fe3+ + ē ↔ Fe2+

Слайд 18

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую энергию.
Элемент Даниеля-Якоби
Zn2+

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую энергию.
+ 2e = Zn; φ01 = - 0,76 В;
Сu 2+ + 2е = Сu; φ02 = + 0,34 В.
В восстановительном направлении пойдет тот процесс, для которого больше электродный потенциал

Слайд 19

Элемент Даниэля-Якоби

Элемент Даниэля-Якоби

Слайд 20


РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ЭДС)

Катод (восстановление): Сu2+ + 2е = Сu
Анод (окисление): Zn

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ЭДС) Катод (восстановление): Сu2+ + 2е = Сu Анод
- 2ē = Zn2+
Для вычисления ЭДС из большего значения электродного потенциала (катод) следует вычесть меньшее (анод)
ЭДС = 0,34 В – (- 0,76 В) = 1,10 В
Положительное значение ЭДС – критерий самопроизвольности процесса.

Слайд 21

Литиевые батарейки

Платина в растворе хлорида железа (III)

Источники тока на базе системы:
литий/диоксид марганца

Литиевые батарейки Платина в растворе хлорида железа (III) Источники тока на базе
(Li/MnO2 ) Элементы Li/MnO2 с твердым катодом из диоксида марганца и анодом из лития. Электролит – раствор перхлората лития (LiClO4) в органическом растворителе.
Анод: Li – ē →Li+
Катод: Mn4++ ē → Mn3+
Суммарная реакция при разряде батарейки:
2Li + 2MnO2 → Mn2O3 + Li2О
ЭДС элемента Li/MnO2 - 3,5В.

Слайд 22

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ (используются в мобильных телефонах и ноутбуках)

Платина в растворе хлорида железа (III)

Анод:

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ (используются в мобильных телефонах и ноутбуках) Платина в растворе хлорида
- углеродная матрица слоистой структуры. Ионы лития внедряются между слоями углерода и располагаются между ними, образуя интеркалаты разнообразных структур.
Катод: соединения оксидов кобальта или никеля с литием (литиевые шпинели).

Слайд 23

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Платина в растворе хлорида железа (III)

При зарядке : Анод (положительный электрод):
LiNiO2-

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ Платина в растворе хлорида железа (III) При зарядке : Анод
xē → Li 1-xNiO2 + xLi+
Катод (отрицательный электрод):
С + xLi+ + xē → CLix
При разрядке : Анод (положительный электрод):
Li1-xNiO2 + xLi+ + xē → LiNiO2
Катод (отрицательный электрод):
CLix - xē → С + xLi+

Слайд 24

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Слайд 25

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Платина в растворе хлорида железа (III)

Используются в мобильных телефонах и ноутбуках
Имеют

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ Платина в растворе хлорида железа (III) Используются в мобильных телефонах
высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение - 3,5-3,7 В.

Слайд 26

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Платина в растворе хлорида железа (III)

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Платина в растворе хлорида железа (III)

Слайд 27

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ИОНООБМЕННОЙЬ МЕМБРАНОЙ

Платина в растворе хлорида железа

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ИОНООБМЕННОЙЬ МЕМБРАНОЙ Платина в растворе хлорида
(III)

Технология изготовления элементов данного типа была разработана в 50-х годах XX века инженерами компании General Electric. Подобные топливные элементы использовались для получения электроэнергии на американском космическом корабле Gemini.
Отличительной особенностью PEM-элементов является применение графитовых электродов и твердополимерного электролита (или, как его еще называют, ионообменной мембраны — Proton Exchange Membrane).
A: 2H2- 4 ē → 4H+
K: O2+ 4H+ + 4ē →2H2O

Слайд 28

ТЕМЫ КОРОТКИХ СООБЩЕНИЙ

Платина в растворе хлорида железа (III)

Стеклянный электрод: принцип действия и

ТЕМЫ КОРОТКИХ СООБЩЕНИЙ Платина в растворе хлорида железа (III) Стеклянный электрод: принцип
сферы использования;
Хлорсеребряный электрод: принцип действия и сферы использования;
3. Водородно-кислородный топливный элемент: принцип действия и сферы использования;
4. Переменнотоковый гальванический элемент: принцип действия и сферы использования.