Áramforrások. Másodlagos cella: Használat előtt fel kell tölteni. Használat előtt van a rendszer egyensúlyban. Újratölthető.

Átírás

1 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.

2 A Leclanché-féle szárazelem + Elektrokémia 1866 burkolat NH 4 Cl + ZnCl 2 Zn membrán záróréteg légtér C + MnO 2 grafit _ Georges Leclanché ( ) Hasonlóan működik az alkáli-szárazelem:

3 Áramforrások Szárazelem Leclanché Anód: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - Zn2+(aq) + 2 NH 4 + (aq) + OH (aq) [Zn(NH3)2]2+(aq) + 2 H2O Katód: 2MnO 2 (s) + 2NH 4+ (aq) + 2e - Mn 2 O 3 (s) + 2NH 3 (aq)+ H 2 O(l) 1,5 V 0,8 V nedves NH 4 Cl és ZnCl 2 paszta keményítőben (elektrolit)

4 Áramforrások Szárazelem Alkálielem Anód: Katód: Zn(s) + 2OH - (aq) ZnO(s) + H 2 O(l) + 2e - 2MnO Mn 2 O 3 (s) + 2OH - 2 (s) + H 2 O(l) + 2e - (aq) szigetelő grafit rúd (katód) MnO 2 és szén paszta aq. NaOH és ZnCl 2 paszta (elektrolit) fém cink doboz (anód)

5 Áramforrások Ólom akkumulátor Anód: Katód: Pb(s) + HSO 4 (aq) PbO 2 (s) + 3H + (aq) + HSO 4 (aq) + 2e PbSO 4 (s) + H + (aq) + 2e PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) Bruttó: Pb(s) + PbO 2 (s) + 2H + (aq) + 2HSO 4 (aq) 2PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) töltött kisütés kisütött töltés

6 Áramforrások Nikkel-kadmium ( ni-cad ) akkumulátor Anód: Katód: Cd(s) + 2OH - (aq) NiO(OH)(s) + H 2 O(l) + e - Cd(OH) 2 (s) + 2e - Ni(OH) 2 (s) + OH - (aq) Nikkel-fémhidrid ( NiMH ) akkumulátor Anód:: Katód: MH ab (s) + OH - (aq) NiO(OH)(s) + H 2 O(l) + e - M(s) + H 2 O(l) + e - Ni(OH) 2 (s) + OH 1- (aq) Overall: MH ab (s) + NiO(OH)(s) M(s) + Ni(OH) 2 (s) M (hidrogént abszorbeáló ötvözet): ritkaföldfém keverék (La, Ce, Nd, Pr) + Ni, Co, Mn, Al

7 Áramforrások Lítíumakkumulátor Anód:: Katód:: xli(s) MnO 2 (s) + xli + (soln) + xe - xli + (soln) + xe - Li x MnO 2 (s) Lítíumion-akkumulátor Anód:: Katód:: Li x C 6 (s) Li 1-x CoO 2 (s) + xli + (soln) + xe - xli + (soln) + 6C(s) + xe - LiCoO 2 (s)

8 Áramforrások Hidrogén-oxigén üzemanyagcella anód katód H 2 bemenet H 2 O kimenet O 2 bemenet fém katalizátort tartalmazó porózusos szén elektródok pl. Pt, Ag, CoO, stb. AFC: forró vizes KOH (porózusos szilárd mátrix) H 2 vízzé oxidálódik az anódon O 2 redukálódik a katódon OH ionná H 2 O kimenet A nettó reakció: hidrogén és oxigén reakciója vízzé PEMFC: (proton vezető membrán)

9 Tüzelőanyagcellák típusai:

10 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.

11 Elektrokémia Elektrolízis áram hatására lejátszódó kémiai változás H + (aq) + Cl - (aq) H 2(g) + Cl 2(g) bomlásfeszültség legkisebb olyan feszültség, amellyel tartós elektrolízis megvalósítható, ha nincs túlfeszültség, akkor e K -e A

12 Elektrolízis A lehetséges félreakciókból összeállítható cellareakciók mind negatív E o cell-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

13 Elektrolízis Bomlásfeszültség az a legkisebb olyan feszültség az anód és a katód között egy elektrolizáló cellában, mellyel folyamatos elektrolízis valósítható meg. Termodinamikailag: elektródpotenciálok közötti különbség ε katód ε anód Gyakran az elektrolízishez szükséges feszültség meghaladja a termodinamikai értéket. A túlfeszültség az a potenciálkülönbség, ami a termodinamikailag meghatározott érték és azon potenciál között van, melynél az elektrolízis már kísérletileg megvalósítható.

14 Elektrokémia Túlfeszültség = e tényleges - e (Nernst) elektródfüggõ pl. 2H + (aq) + 2e - H 2 Hg - nagy Pt - kis Függ: elektród anyaga elektródreakció (Áram) I Pt Hg

15 Elektrolízis Anód: Katód: 2H 2 O(l) 4H 2 O(l) + 4e - Vízbontás O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e - 2H 2 (g) + 4OH - (aq) Bruttó: 6H 2 O(l) 2H 2 (g) + O 2 (g) + 4H + + 4OH - (aq)

16 Elektrokémia pl. a víz bontása O 2 H 2 Egyenáram Fém Pt oldat Anód: + Katód: - FARADAY TÖRVÉNY: n = It zf 2O 2 = O 2 + 4e oxidáció I - áramerõsség t - idõ (s) z - átadott elektronok száma F - Faraday állandó 4H + + 4e = 2H 2 redukció

17 Elektrolízis olvadt NaCl elektrolízise Anód: Katód: 2Cl - (l) 2Na + (l) + 2e - Cl 2 (g) + 2e - 2Na(l) Bruttó: 2Na + (l) + 2Cl - (l) 2Na(l) + Cl 2 (g) anód áramforrás Az áramforrás elektronokat szív el az anódtól és elektronokat juttat a katódra. katód inert elektródok

18 Elektrolízis Fémnátrium gyártása megolvasztott NaCl és CaCl 2 Na olvadék olvasztott Na (kisebb a sűrűsége, mint a megolvasztott NaCl és CaCl 2 keveréknek) hengeres acél katód grafit anód vas henger elválasztja az Na és Cl 2 -t

19 Elektrolízis Vizes NaCl elektrolízise Anód:: Katód: 2Cl - (aq) 2H 2 O(l) + 2e - Cl 2 (g) + 2e - H 2 (g) + 2OH - (aq) Bruttó: 2Cl - (l) + 2H 2 O(l) Cl 2 (g) + H 2 (g) + 2OH - (aq)

20 Elektrolízis Cl 2 és NaOH gyártása kationáteresztő membránnal Kationáteresztő membrán Cl 2 (g) (termék) H 2 (g) (termék) anód katód híg NaCl oldat telített NaCl oldat NaOH oldat (termék) víz A nátrium ionok az anódtérből a katódtérbe mozognak a kationáteresztő membránon keresztül és végül kifolynak a cellából, mint vizes NaOH oldat.

21 Elektrolízis Alumíniumgyártás grafit (anód) Na 3 AlF 6 (kriolit) és Al 2 O 3 olvadéka grafittal bevont tartály (katód) Olvadt fém alumínium keletkezik a grafit katódon. CO 2 buborékok Mivel az alumínium olvadék sűrűsége nagyobb, mint a Al 2 O 3 Na 3 AlF 6 keveréké, összegyűlik az elektrolizáló cella alján, ahonnan elvezethető.

22 Faraday törvényei --- Az elektrolízis során az elektródon levált anyag tömege egyenesen arányos az elektródon áthaladt elektromos töltéssel. --- Egy adott töltésmennyiség esetén az elektródon levált elemi anyag tömege egyenesen arányos az elem atomtömegének és az elektrolízis során bekövetkezett oxidációfok változásnak a hányadosával. Összefoglalva az állandó-áramú elektrolízisre: n = It zf n = moláris mennyisége a levált anyagnak t = idő (amíg az állandó áramerősséget alkalmaztuk) I = áramerősség z = az ion által átadott elektronok száma F = Faraday állandó (96485 C mol 1 )

23 Elektrolízis A reakcióban résztvevő anyagok tömege függ: moláris tömeg, áthaladó töltés, reagáló elektronok száma A töltés mértékegysége a coulomb (C), egy elektron töltése C, 1 mol töltése a Faraday-állandó. Az áramerősség mértékegysége az amper (A). EOS

24 Elektrolízis elektronok áramforrás Anód: nikkel Katód: réz anód katód oxidáció redukció

25 Elektrolízis A réz raffinálása A réz a CuSO 4 oldaton keresztül a szennyezett Cu anódról a tiszta Cu katódra vándorol. szennyezett réz anód áramforrás tiszta réz katód Nemsfém suennyezők (Ag, Au, Pt) nem oxidálódnak, így összegyűjthetők az anódiszapban. Könnyebben oxidálódó szennyezők (Zn, Fe) oldatban maradnak, mint kationok.

26 Elektrolitikus fémleválasztás Fémkatód bevonása vékony fémréteggel

27 Réz(II)-klorid vizes oldatát 1 óráig elektrolizálva az anódon 30 C hőmérsékleten 217 cm 3 101,3 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

28 2. Zh december 13. (szerda) északi tömb családnév: A M családnév: N Z 0.83 Eötvös terem Harmónia terem