Nya begrepp i elektrokemi

Transkript

1 Nya begrepp i elektrokemi 1 Elektrolys och elektroly4ska processer Laddningsmängd i elektrokemiska processer Rening av råkoppar Galvanisering av järn (elförzinkning) Energiförbrukning Klor- alkaliprocessen (jmf. Na(s) Cl 2 (g) i Downs proc) Överspänning vid gasutveckling (värmeförlust) Elektrolys av vayen Eloxering av aluminum Offeranod och likströmsskydd Rostbildning BrunstensbaYeriet Bränslecellen Aluminiumframställning

2 Elektrokemi A&J Table Halvcellsreak*onernas standardpoten*al E 0

3 Elektroly4sk rening av koppar 3 I (A) E > 0 ( men E 0 cell = 0 V) I = ström (A) (C/s) e - e - t = 4den (s) Överförd laddning råkoppar 98% Cu Cu 2+ Cu 2+ ren koppar 100% Q = I * t (C) Cu(s) - > Cu e - oxida4on anod Cu e - - > Cu(s) reduk4on katod

4 Vilken mängd (g) ren koppar per 4mme med 100 A? 4 E > 0 ( men E 0 cell = 0 V) I = ström (A) (C/s) t = 4den (s) Överförd laddning Q = I * t (C) Cu e - - > Cu(s) n = 2 F = C/mol e - Q = 100 * 3600 = 3, C Antal mol Cu = Q / (n*f) = 3, / (2 * 96485) = 1,9 mol/h Antal gram Cu/h = 1,9 * 63,55 = 119 g/h

5 Galvanisering av järn yta av zink som rostskydd 5 I (A) Q = I * t (C) Ledningsförmågan i vayenbad för elektrolys ökas med e - e - tex. Na 2 SO 4. aq. Na 2 SO 4 Zn Zn 2+ Zn 2+ Järnplåt + Zn(s) Na + + e - - > Na E 0 = - 2,7 V anod katod S 2 O e - - > 2 SO 4 2- E 0 = +2,05 V

6 Motstånd av olika slag i den elektroly4ska processen Överspänning vid gasutveckling 6 2H 2 O - > O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e - E 0 = Grafit- elektrod => + 0,95 V E = 1,23 + 0,95 = +2,18 V 2Cl - - > Cl 2 (g) + 4e - E 0 = 1,36 V Grafit- elektrod => + 0,12 V E = 1,36 + 0,12 = +1,48 V

7 Elektroly4sk framställning av klorgas 7 i klor- alkaliprocessen 2Cl - - > Cl 2 (g) + 4e - E 0 = 1,36 V 2H + + 2e - - > H 2 (g) E 0 = 0 V anod Elektrolys startar vid E cell = - 1,48 V Hur mycket energi går åt för ay bilda 71 g klorgas? katod

8 Elektrolys startar vid E cell = - 1,48 V Hur mycket energi går åt för ay bilda 71 g klorgas? 8 Effekten P (W) (J/s) spänningen U (V) och strömmen I (A) P = U * I U (V) I (A) (C/s) Laddningen Q (C) för bildning av 71 g Cl 2 M w = 71 g n = 2 Q = 1 * 2 * = 1, C Energi vid överföring av laddning E = Q * U (J) E = 1, * 1,48 = 286 kj

9 Motstånd av olika slag i den elektroly4ska processen Överspänning vid gasutveckling 9 2H 2 O - > O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e - E 0 = Grafit- elektrod => + 0,95 V E = 1,23 + 0,95 = +2,18 V 2H + (aq) + 2e - - > H 2 (g) E 0 = 0 Grafit- elektrod => - 0,62 V E = - 0,62 V

10 Elektrolys - av grekiska lýsis "ay dela" 10 Elektrolys av av vayen 2H 2 O(l) - > 2H 2 (g) + O 2 (g) E cell = V Halvcellsreak4oner 2H 2 O - > O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e - E 0 = V 2H + (aq) + 2e - - > H 2 (g) E 0 = 0.0 V Överspänning på grafitelektrod H 2 (g) V O 2 (g) V Nödvändig spänning för start av elektrolys: E = ,18 = V

11 Motstånd av olika slag i den elektroly4ska processen Överspänning vid gasutveckling (= värmeförlust) 11 2H 2 O - > O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e - E 0 = Pt(Pt)- elektrod => + 0,77 V E = 1,23 + 0,77 = +2,00 V 2H + (aq) + 2e - - > H 2 (g) E 0 = 0 Pt(Pt)- elektrod => - 0,07 V E = - 0,07 V

12 Elektriskt utbyte, verkningsgrad, vid elektrolys av vayen 12 2H 2 O - > O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e - anod E 0 = Överspänning + 0,77 V anod E = 1,23 + 0,77 = +2,00 V 2H + (aq) + 2e - - > H 2 (g) E 0 = 0 Överspänning - 0,07 V katod E = - 0,07 V O 2 (g) Pt 2Na + + SO 4 2- H 2 O Pt H 2 (g) E 0 = 0-1,23 = - 1,23 V E elys = - 0,07-2,00 = - 2,07 V anod katod Verkningsgrad % 100* 1,23 / 2,07 60% överspänning = värmeförluster

13 Elektrokemi A&J Table Halvcellsreak*onernas standardpoten*al E 0 Överspänningen för H 2 på zink är V. Det förklarar varför zink reagerar mycket långsamt med vaden!

14 Passivisering av metallyta (tex. blånering) 14 Metallytans beskaffenhet är vik4g i elektrokemiska processer. Tunna oxidskikt bildas på de flesta oädla metaller i lu]. Täta och motståndskra]iga oxidskikt på vissa metaller förhindrar elektrokemiska processer (som hos) Al och Cr - passiviserade metaller Eloxering / anodisering - Elektrokemisk oxida`on 2Al(s) + 3H 2 O - > Al 2 O 3 (s) + 6H + + 6e - 6H + + 6e - - > 3H 2 (g) (katod) Blånering: anlöpning av järn vid C

15 Offeranod och likströmsskydd! 15 Offeranoden är en metallbit med lägre standardpoten4al än metallen som skall skyddas! Zinkmetall i elektrisk kontakt med järn skyddar allt järn i elektrokemisk kontakt med zinken! Fe e - - > Fe(s) E 0 = - 0,44 V E 0 (Zn 2+ /Zn) - 0,77 V Likströmsskydd motverkar oxida4on på den skyddade konstruk4onsdelen men oxiderar kon4nuerligt offeranoden.

16 Rostbildning av järn i vayen 16 Fe e - - > Fe(s) Fe 3+ + e - - > Fe 2+ E 0 = - 0,44 V E 0 = +0,77 V 2H + + 2e - - > H 2 (g) E 0 = - 0,42V ph 7 (ger obetydlig rostbildning) I. katodreak O 2 (g) + 4H + + 4e - - > 2H 2 O E 0 = +0,81 ph 7 0,2 bar anodreak 2Fe(s) - > 2Fe e - II. katodreak ½O 2 (g) + 2H + + 2e - - > H 2 O anodreak 2Fe 2+ - > 2Fe e - 4H 2 O + 2Fe 3+ - > 6H + + Fe 2 O 3 *H 2 O(s) (brun rost) 2Fe(s) + 3/2 O 2 (g) + H 2 O(l) - > Fe 2 O 3 *H 2 O(s)