Естественно-научные основы высоких технологий Лекция 5. Химические основы высоких технологий Давыдов Виктор Николаевич проф. каф. экологического менеджмента ИНЖЭКОН

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

3 ПЛАСТИНКА МЕТАЛЛА В РАСТВОРЕ ЕГО СОЛИ

4 ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ

5 СТРОЕНИЕ ДВОЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ Плотная часть двойного электрического слоя Примыкает к металлу, состоит из 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.

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

7 ИЗМЕРЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ 1.Стандартные условия 1. Концентрация ионов металла в растворе 1 моль/л; 2. Давление Па; 3. Температура 25 0 С (298,15 К) 2. Измеряется по отношению к стандартному водородному электроду.

8 СТАНДАРТНЫЙ ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД

9 Измерение электродного потенциала

10 Ряд напряжений металлов ЭлектродЭлектрод- ный потенциал, φ 0 В ЭлектродЭлектрод- ный потенциал, φ 0 В Li/Li + - 3,021/2H 2 /H + 0 Са/Са ,87- 2,87Cu/Cu 2+ +0,34 Zn/Zn ,76Au/Au 3+ +1,42 Li, Са, Zn, Cr, Fe, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Au

11 Уравнение Нернста (1889 г.) φ – потенциал электрода, В; φ 0 – стандартный электродный потенциал, В; Т – температура по шкале Кельвина, K; n – число переданных электронов; F – постоянная Фарадея, Кл/моль ед. заряд.; [Ox] – концентрация окисленной формы вещества, моль/л ; [Red] – концентрация восстановленной формы вещества, моль/л.

12 Уравнение Нернста Если [Ox] = [Red] =1 моль/л, то: При стандартной температуре 298K (25C) и подстановке значений R и F уравнение принимает вид:

13Электроды Электродом в электрохимии называют такую систему, в которой токопроводящее вещество помещено в раствор или расплав электролита либо в газ. В качестве токопроводящего материала может В качестве токопроводящего материала может быть использован твердый или жидкий металл, различные соединения (оксиды, карбиды и др.), неметаллические материалы (уголь, графит и др.), полупроводники.

14 Электроды 1-го рода Электродом 1-го рода называют металличес- кий электрод, помещенный в раствор его соли. Ме z+ + z ē Ме 0 (где Me-какой-либо металл, z-заряд ионов этого металла), а также системы с амальгамными электродами (амальгама - раствор металла в ртути).

15 Электроды 1-го рода Пример 1: медная пластинка в растворе сульфата меди (II). На пластинке возможны два процесса, между которыми устанавливается равновесие: 1. Переход атомов меди с поверхности металла в раствор (процесс окисления): Сu 0 - 2ēСu Восстановление ионов металла на поверхности пластинки: Сu ē Сu 0 Пример 2: амальгама цинка-ионы цинка: Zn ē Zn(Hg)

16 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 -

17 ИНЕРТНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ Платина в растворе хлорида железа (III) Некоторые материалы (платина, графит) называются инертными, 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: Fe 3+ + ē Fe 2+

18 ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ -устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую энергию. Элемент Даниеля-Якоби Zn e = Zn; φ 0 1 = - 0,76 В; Сu е = Сu; φ 0 2 = + 0,34 В. В восстановительном направлении пойдет тот процесс, для которого больше электродный потенциал

19 Элемент Даниэля-Якоби

20 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ЭДС) Катод (восстановление): Сu е = Сu Анод (окисление): Zn - 2ē = Zn 2+ 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.

21 Литиевые батарейки Платина в растворе хлорида железа (III) Источники тока на базе системы: литий/диоксид марганца (Li/MnO 2 ) Элементы Li/MnO 2 с твердым катодом из диоксида марганца и анодом из лития. Электролит – раствор перхлората лития (LiClO 4 ) в органическом растворителе. Анод: Li – ē Li + Катод: Mn 4+ + ē Mn 3+ Суммарная реакция при разряде батарейки: 2Li + 2MnO 2 Mn 2 O 3 + Li 2 О ЭДС элемента Li/MnO 2 - 3,5В.

22 ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ (используются в мобильных телефонах и ноутбуках) Платина в растворе хлорида железа (III) Анод: - 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).

23 ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ Платина в растворе хлорида железа (III) При зарядке : Анод (положительный электрод): LiNiO 2 - xē Li 1-x NiO 2 + xLi + Катод (отрицательный электрод): С + xLi + + xē CLi x При разрядке : Анод (положительный электрод): Li 1-x NiO 2 + xLi + + xē LiNiO 2 Катод (отрицательный электрод): CLi x - xē С + xLi +

24 ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

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

26 ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Платина в растворе хлорида железа (III)

27 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДНО- КИСЛОРОДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ИОНООБМЕННОЙЬ МЕМБРАНОЙ Платина в растворе хлорида железа (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: 2H ē 4H + K: O 2 + 4H + + 4ē 2H 2 O

28 ТЕМЫ КОРОТКИХ СООБЩЕНИЙ Платина в растворе хлорида железа (III) 1.Стеклянный электрод: принцип действия и сферы использования; 2.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.

29 Благодарю за внимание!