Elektrochemia elektroliza. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 1

Transkrypt

1 Elektrochemia elektroliza Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 1

2 ELEKTROLIZA POLARYZACJA ELEKTROD Charakterystyka prądowo-napięciowa elektrolizy i sposób określenia napięcia rozkładu Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 2

3 ELEKTROLIZA PRAWA FAARADAY A I prawo Faraday a masa wydzielonej substancji na elektrodach podczas elektrolizy jest proporcjonalna do natężenia prądu i czasu trwania elektrolizy m k I t k Q II prawo Faraday a: do wydzielenia na elektrodach jednego gramorównoważnika chemicznego dowolnej substancji podczas elektrolizy potrzebna jest niezależnie od warunków przeprowadzania procesu zawsze ta sama ilość elektryczności, wynosząca w przybliżeniu kulombów. Stała Faradaya F jest to ilość elektryczności związana z molem elektronów C 1, , e 19 Michael Faraday ( ) Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 3

4 Przykład korzystania z praw Faraday a Z roztworu wodnego zawierającego SO 4 w stężeniu 0,01 molkg -1 wydzielano elektrolitycznie miedź, kontrolując potencjał katody. Przy jakim potencjale katody rozpocznie się wydzielanie miedzi i jaki powinien być ten potencjał, by zapewnić wydzielenie 99,99% jonów 2+. Zaniedbać nadnapięcie wydzielania metalu. Potencjał standardowy półogniwa 2+ l wynosi 0,345 V w temp. 298 K. Rozwiązanie: Wydzielanie metalu na katodzie może nastąpić wówczas, gdy potencjał jej jest niższy od potencjału półogniwa 2+ l pomniejszonego o nadpotencjał wydzielania. E E 0, ,059 log 2 0,0295log 10 a 2 2 E 0,286 2 V 0,0295 log c 2 Po wydzieleniu 99,99% stężenie jonów 2+ zmaleje do 10-6 mol kg -1. Potencjał katody będzie wówczas równy: 6 E 0,345 0,0295log 10 0, 168V Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 4

5 Przykład korzystania z praw Faraday a Mieszanina zawierająca stopiony Al 2 O 3 w kriolicie poddano elektrolizie przepuszczając prąd w czasie 50 minut o natężeniu 20A. Obliczyć objętość wydzielonego tlenu oraz masę wydzielonego glinu. Rozwiązanie: Ładunek, który przepłynie przez elektrolizer: Q= = 6000 C Spowoduje on wydzielenie: V O ,4 3,48dm m Al 5, 6g Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 5

6 Przykład korzystania z praw Faraday a Glin produkuje się przez elektrolizę nasyconego roztworu tlenku glinu w stopionym kriolicie. Znaleźć przybliżoną wartość napięcia rozkładowego Al 2 O 3 w temp K i pod ciśnieniem standardowym wiedząc, że w temp. 293 K standardowe molowe ciepło tworzenia Al 2 O 3 wynosi kj mol -1 standardowe molowe entropie reagentów są równe 52,61 J K -1 mol -1, dla tlenku glinu, 27,78 J K -1 mol -1 dla glinu 205,10 J K -1 mol -1 dla tlenu. Glin topi się w temp. 931,7 K, a molowe ciepło topnienia wynosi 10,7 kj mol -1 Al 3 2O3 2 Al 2 O st c 2 Powinowactwo standardowe tej reakcji w temp K będzie równe: A 1223 H r, S r, 1223 Wartości H r,1223 obliczymy uwzględniając jedynie efekt cieplny przemiany fazowej: H r, 1223 H r,298 2 H top, Al , kj Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 6

7 Przykład (cd) S r,1223 v i S M, i,298 2 H T M, top, A1 top 2 27,78 1,5 205,10 52, ,7 333,57 J K 1 3 A , kj W reakcjach elektrodowych bierze udział 6 elektronów na każdą cząsteczkę Al 2 O 3 : A V rozkl 2, 17 4 n F 69,6510 V Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 7

8 ZJAWISKO KOROZJI ponieważ E red (Fe 2+ ) < E red (O 2 ) żelazo może zostać utlenione przez tlen: katodowo: O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e - 2H 2 O(l). anodowo: Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2e -. tlen rozpuszczony w wodzie na ogół wywołuje utlenienie żelaza Fe 2+ może spontanicznie utleniać się do Fe 3+ tworząc rdzę (Fe 2 O 3.xH 2 O (s) ) Podstawowy mechanizm korozji Fe + Środowisko korozyjne Fe e - reakcja utleniania anodowego Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 8

9 Mechanizm korozji Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 9

10 Ochrona protektorowa Zn 2+ (aq) +2e - Zn(s), E red = V Fe 2+ (aq) + 2e - Fe(s), E red = V Mg 2+ (aq) +2e - Mg(s), E red = V Fe 2+ (aq) + 2e - Fe(s), E red = V Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 10

11 Ochrona protektorowa Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 11