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 NH4+(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 Anód: Katód: Ólomakkumulátor 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)

6 Az ólomakkumulátor Elektrokémia Pb(sz) + HSO 4 = PbSO 4 (sz) + H + + 2e anód: oxidáció PbO 2 (sz) + HSO 4 + 3H + + 2e = PbSO 4 (sz) + 2 H 2 O katód: redukció Pb(sz) + PbO 2 + 2H + + 2HSO 4 = 2PbSO 4 (sz) + 2H 2 O Töltött Kisütés Kisütött Töltés

7 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)

8 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)

9 Áramforrások Hidrogén-oxigén üzemanyagcella anód katód H 2 bemenet H 2 O kimenet forró vizes KOH O 2 bemenet fém katalizátort tartalmazó porózusos szén elektródok H 2 O kimenet H 2 vízzé oxidálódik az anódon O 2 redukálódik a katódon OH ionná A nettó reakció: hidrogén és oxigén reakciója vízzé

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 ε K -ε 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 Elektrokémia Túlfeszültség η = ε tényleges - ε (Nernst) elektródfüggõ pl. 2H + (aq) + 2e - H 2 Hg - nagy η Pt - kis η (Áram) I Pt Hg η

14 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)

15 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

16 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

17 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

18 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)

19 Elektrolízis Cl 2 és NaOH gyártása kationáteresztő membránnal

20 Higanycellás (higanykatódos) eljárás Anód: Ti TiO 2, vagy RuO 2 bevonattal fém anód fém anód Cl 2 gáz sóoldat betáplálás 25 %-os NaCl C elbontott sóoldat %-os NaCl visszaforgatott higany katód H 2 gáz a só %-a átalakult 50 %-os NaOH C víz bevezetés a bontóba tiszta higany A: vezető fenéklemez C: bontó (grafit töltet) B: higany film (amalgám 2 4 % Na) D: szűrő Aktivált grafit: Fe, Co, vagy Ni-oxidokkal vagy Mo, W-karbidokkal

21

22 Elektrolízis Alumíniumgyártás

23 Elektrokémia Az elektrolízis ipari felhasználása: alumíniumgyártás Na 3 AlF 6 (kriolit) és Al 2 O 3 olvadéka Más fémek is: pl. Na (és hypo NaOCl gyártása)

24 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

25 Elektrolízis Anód: nikkel Katód: réz

26 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.

27 Elektrolitikus fémleválasztás Fémkatód bevonása vékony fémréteggel

28 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