AZ ELEKTROKÉMIA VÁLOGATOTT ALKALMAZÁSI TERÜLETEI

Átírás

1 AZ ELEKTROKÉMIA VÁLOGATOTT ALKALMAZÁSI TERÜLETEI Elektrokémiai áramforrások Csoportosításuk: - primer elemek: nem tölthetk újra - szekunder elemek: újabb kisütési-feltöltési ciklus lehetséges - tüzelanyag elemek Primer elemek Ha a cellareakció teljesen végbement az elem nem használható többé. Példa: laposelem, ceruzaelem, Leclanché-típusú galvánelemek. Celladiagramjuk: Zn(s) ZnCl (aq),nh4cl(aq) MnO(s) C(s) + Az anódfolyamat a cink oxidációja: Zn(s) Zn + katódfolyamat a barnak redukciója: (aq) + e + MnO (s) + H3O (aq) + e MnOOH(s) + HO(l). ÁBRA: Kiss L ábra XVII/1

2 A Ruben-Mallory típusú elemek gombelemként használatosak: Celladiagramjuk: Zn(s) ZnO(s) KOH(aq) HgO(s) C(s) + A cellareakcióban a cink oxidálódik, a higany redukálódik: Zn(s) + HgO(s) + e ZnO(s) + Hg(l) A higany környezetszennyez! ÁBRA: Kiss L ábra XVII/

3 Szekunder elemek Kisütés-feltöltés ciklus lehetséges! Feltöltéskor elektromos energiát kell befektetni, ilyenkor a galváncella elektrolizáló cellaként mködik. Az ólomakkumulátor (gépkocsik akkumulátora) celladiagramja: Pb(s) PbSO4 (s) HSO4(aq) PbSO4(s) PbO(s) Pb(s) + A cellareakció egy szinproporciós folyamat. Áramtermeléskor az anódon oxidálódik az ólom, +-es oxidációs állapotba Pb(s) + SO (aq) PbSO4(s) 4 + e. A katódon az ólom redukálódik +4-es oxidációs állapotból +-es oxidációs állapotba: + PbO (s) + 4H (aq) + SO4 (aq) + e PbSO4(s) + HO(l). Az ólomakkumulátor cellareakciójának potenciálja: E RT RT a(h SO 4 ) = ln K a ln. F F a(h O) cell + - A cellareakció potenciál n a kénsav töménységével. - Túl tömény sav azonban nem használható, mert csökken az elektromos vezetés. - A pozitív elektródon képzd víz csökkenti az akkumulátor elektromotoros erejét. - A kénsav oldat koncentrációjának mérésébl következtetni lehet az akkumulátor töltöttségének fokára. - Elektromotoros ereje,1 V. XVII/3

4 Tüzelanyag-elemek Olyan folyamatosan mköd galvánelemek, melyekben valamely szokásos energiahordozó (kolaj, földgáz, szén, hidrogén, metanol) leveg általi oxidációja az áramtermel folyamat. - Szükséges az energiahordozók folyamatos betáplálása és a termékek elvezetése. - Szükséges, hogy az elektródfolyamatok elég nagy áramot biztosítsanak, mégis megközelítve a termodinamikai reverzibilitást. - Szükséges, hogy a képzd termékek ne szennyezzék az elektródokat, amik legtöbb esetben katalizátorként is mködnek. Példa: Bacon-elem, mely hidrogénnel mködik. A celladiagram: Ni(s) H (g) KOH(aq) O(g) Ni(s) + Az anódon a hidrogén oxidálódik, a katódon az oxigén redukálódik: H (g) + OH (aq) H O(l) + e O (g) + H O(l) + 4e 4OH (aq). Az elem mködése során csak víz keletkezik! ÁBRA: Kiss L ábra XVII/4

5 Elektrolízis A galváncellában áram áthaladása következtében kémiai változás történik. Katód: negatív elektród Anód: pozitív elektród Bomlásfeszültség: az a legkisebb feszültség, amely mellett az elektrolízis folyamatosan zajlik. Elektrolízis esetén az elektródok polarizálódnak, az áram és az alkalmazott feszültség viszonyát a korában látott kvantitatív összefüggések határozzák meg. E + IR = ε e, 1 ε e, + η1 η c Az elektrolízis során átalakuló anyagmennyiséget a Faraday törvény adja meg: Q = z Fn i i i vagy I it ni =. z F Elektrolízis ipari alkalmazásai (részletek ld. RM és Kiss L. jegyzetek): - Galvanizálás - Galvanoplasztika - Raffinálás - Elektropolírozás - Anódizálás - Különböz anyagok elállítása i XVII/5

6 Elektrolízis laboratóriumi alkalmazása: polarizációs görbék felvétele. Háromelektródos cella rajza XVII/6

7 Korrózió Folyamata: - víz kondenzál a fémfelületre - légkör anyagai feloldódnak a vízben, elektrolitoldat jön létre - az elektrolitban jelen vannak olyan anyagok, oxidálószerek, depolarizátorok, melyek a fém feloldódásával egyidejleg képesek redukálódni - ha a fém/létrejött elektrolitoldat elektród elektródpotenciálja pozitívabb a fém egyensúlyi potenciáljánál, és negatívabb az oxidálószerénél, akkor a fém feloldódik, az oxidálószer redukálódik. A fém anódos oldódása: elektrokémiai korrózió Oxidálószerek: oldott oxigén, hidroxónium ion Sematikusan: Részfolyamataiban: M + O = M z+ + R Me(s) = Me z+ (aq) + ze O (aq) + z e = R(aq) Minimálisan két elektródreakció megy végbe! A polarizációs görbe egyenlete egy ilyen egyszer modellre levezethet. Szemléltetés polarizációs görbékkel. XVII/7

8 ÁBRA: Kiss L ábra - a fém polarizációs görbéje negatívabb egyensúlyi potenciálnál, az oxidálószeré nagyobb egyensúlyi potenciálnál található. - létrejön a fém/fémion/oxidálószer/redukálószer keverékelektród, melynek polarizációs görbéje a két görbe eredje - kialakul egy stacionárius állapot, ahol j=0, azonban a rendszer nemegyensúlyi. Ez a spontán korrózó. - j=0 esetén beálló potenciál a korróziós potenciál. - j=0 esetén fém anódos folyamata, a fémoldódás, és az oxidálószer katódos folyamata, a redukálódás megy végbe. XVII/8

9 A korrózióval szemben kevésbé ellenálló fémek oldódását gyorsíthatja, ha olyan korrózióval szemben ellenállóbb fémmel szennyezdnek, melyen az oxidálószer nagy sebességgel képes redukálódni. Korrózióval szemben ellenállóbb? Példa: cink gyorsabb oldódása kis mennyiség réz jelenlétében. ÁBRA: Kiss L ábra - 1: a fém anódos polarizációs görbéje - 1 : az oxidálószer katódos polarizációs görbéje. - 1 és 1 eredje mutatja a korrózió polarizációs görbéjét, fémszennyezés nélkül. - Ha veszünk egy olyan fémet, melynek egyensúlyi potenciálja pozitívabb az elz fémnél, és ezzel szennyezzük az elz fémet, akkor a szennyez fémen az oxidálószer nagy sebességgel redukálódik. - Az oxidálószer redukciójának sebességét az 1 és a görbe összege adja - A beálló stacionárius állapotban a kevésbé ellenálló fém oldódási sebessége jelentsen megntt! XVII/9

10 Passzivitás az a jelenség, amikor a fém nem lép reakcióba a vele érintkez komponensekkel, annak ellenére, hogy ez termodinamikailag lehetséges lenne. ÁBRA: RM ábra - Kezdeti emelked szakasz: a fém oldatba megy. - A töréspontnál sókiválás vagy oxidképzdés megy végbe - Rosszul vezet réteg keletkezik, az átlagos áramsrség közel állandó marad. - Tömör oxidréteg kialakulása vezet a teljes passzivációhoz. Passziválódás (alternatív): az a jelenség, amikor az elektródpotenciál növekedésével, melynek során a fémionizáció termodinamikai hajtóereje is n, a korrózió sebessége lecsökken. Cr, Mo, W: transzpasszív oldódás Al, Ti, Zr: vastag ionvezet fedréteg XVII/10

11 Aktív-passzív helyi cellák szerepe a korrózióban: ÁBRA Kiss L ábra - a korrózió gyakran nem egyenletes - az elektrolit f tömegétl elzárt helyi cellák jöhetnek létre - a helyi cellákban csökken az oxidálószer koncentrációja, ezáltal viszont eltolódik az oxidálószer redukciójához tartozó egyensúlyi potenciál. - Az eltolódott egyensúlyi potenciál eredménye a helyi cellákban a passziváció megsznése lesz. - A lyukakban folyó intenzív fémoldódásnak megfelel redukció a passzív felületen megy majd végbe. - Anód a lyukakban, katód a passzív felületen lesz. XVII/11

12 Korrózió megakadályozásának lehetségei - korróziós inhibitorok - katódos védelem védanóddal - katódos védelem áramforrás felhasználásával - katódos védelem bevonattal Példa: horganyozás - passziválás ötvözéssel - passziválás kémiai ágensekkel - anódos védelem áramforrás felhasználásával - anódos védelem védkatóddal XVII/1