Xem mẫu
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT HƢNG YÊN
Khoa Công nghệ hóa học và Môi trƣờng
BÀI GIẢNG ĐIỆN HÓA LÝ THUYẾT
Biên soạn: Tập thể tác giả Bộ môn công nghệ hóa học
Hƣng Yên năm 2010
CHƢƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM VÀ HIỆN TƢỢNG CƠ BẢN
1.1. Điện hóa: Sự hình thành và lịch sử phát triển
Điện hóa học đƣợc ra đời từ rất sớm. Năm 1799 Alexandro Volta lần đầu
tiên chế tạo ra pin hoạt động đƣợc, trƣớc đấy Luigi Galvani đã có nhiều thí nghiệm
trên đùi ếch, các cơ chúng co lại khi chạm vào kim loại khác nhau. Vào những năm
30 của thế kỷ 18, Michael Faraday là ngƣời đầu tiên đƣa ra khả năng phân ly thành
ion của chất điện ly, song theo ông sự hình thành ion trong dung dịch chất điện ly
là do tác dụng của điện trƣờng ngoài, Michael Faraday phát hiện ra định luật cơ
bản về điện hóa. Về sau năm 1881 Arrenius đã khẳng định sự phân ly các chất
thành ion trong dung dịch không chỉ khi có mặt của điện trƣờng, điều này có ý
nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của ngành điện hóa. Năm 1929: Jaroslav
Heyrovský nghiên cứu về phƣơng pháp cực phổ và nhận đƣợc giải Nobel hóa học
cho công trình này vào năm 1959. Năm 1969: tế bào nhiên liệu hiđrô đã đƣợc
nghiên cứu và dùng trong chƣơng trình Apollo, chúng không chỉ là nguồn điện mà
còn cung cấp cả nƣớc cho phi hành đoàn. Ngày nay điện hóa đã trở thành một
ngành khoa học độc lập có trình độ lý thuyết cao và có nhiều ứng dụng vào sản
xuất đặc biệt là trong các ngành công nghệ cao.
Đối tƣợng nghiên cứu của điện hóa ngày nay đã vƣợt xa khỏi phạm vi các
hiện tƣợng liên quan đến sự chuyển hóa hóa năng thành điện năng và ngƣợc lại. Nó
nghiên cứu tất cả những hiện tƣợng xảy ra trên bề mặt gianh giới pha ở đó tồn tại
lớp điện tích kép, nhờ vậy mà đã giải thích đƣợc nhiều hiện tƣợng không có liên
quan gì đến sự chuyển hóa giữa hóa năng và điện năng.
1.2. Phân cực điện cực: Năng lƣợng của electron trong quá trình phân cực
1.2.1. Một số khái niệm
Mạch điện hóa: là mạch điện trong đó tồn tại ít nhất một pha dẫn điện loại 2
(bình điện phân).
Phản ứng điện hóa là phản ứng xảy ra trên gianh giới giữa hai pha điện cực
và dung dịch trong đó có sự thay đổi điện tử. Phản ứng điện hóa là phản ứng dị thể
xảy ra trên bề mặt tiếp xúc pha.
1
Khi có một điện cực nhúng vào trong dung dịch điện ly và muối của nó, điện
cực đó tồn tại một điện thế cân bằng 0 (cân bằng)
0
Ox
RT
ln
nF [Re d ]
Red: Chất khử
Ox: Chất oxy hóa
Hình 1.1: Điện cực Ni nhúng vào dung dịch chứa ion Ni2+
Quá trình phân cực điện cực là quá trình đƣa điện thế điện cực ra khỏi điện
thế cân bằng (ra khỏi giá trị điện thế cân bằng)
Quá trình phân cực điện cực chỉ đƣợc thiết lập trên cơ sở hệ điện hóa (hay
bình điện hóa tiêu chuẩn có ba điện cực) đƣợc mô tả nhƣ hình vẽ. Trong đó:
WE: Điện cực nghiên cứu
CE: Điện cực đối
RE: Điện cực so sánh
A- Dòng điện đi qua điện cực
Điện thế thể hiện mối quan hệ giữa điện cực làm việc với điện cực so sánh thể
hiện trên vôn kế V
2
Hình 1.2: Hệ điện hóa ba điện cực
Đường cong phân cực là đƣờng cong mô tả mối quan hệ giữa điện thế điện
cực và dòng điện.
i(A/cm2)
cb
(V)
Hình 1.3. Dạng của đường cong phân cực
Phân cực anot là quá trình làm chuyển dịch điện thế điện cực về phía dƣơng
hơn so với điện thế điện cực cân bằng
3
Phân cực catot: là quá trình làm chuyển dịch điện thế điện cực về phía âm
hơn so với điện thế cân bằng (Quá trình khử trong điện hóa gọi là quá trình catot,
quá trình oxi hóa trong điện hóa là quá trình anot)
Quá trình phân cực dương là quá trình chuyển dịch điện thế từ phía giá trị
thấp về phía giá trị cao.
Quá trình phân cực âm là quá trình chuyển điện thế từ giá trị cao đến giá trị
thấp hơn.
Dòng Faraday và nonfaraday: Trƣớc khi quá trình chuyển điện tích xảy ra,
xảy ra quá trình tạo lớp kép. Trong quá trình tạo lớp kép điện tích chuyển qua bề
mặt phân chia điện cực. Dòng e chuyển động trên dây dẫn để phân bố lại điện cực
đƣợc gọi là dòng Inon-faraday. Nếu biến thiên điện thế đến một giá trị nào đó thì dòng
e chuyển đến bề mặt điện cực lớn có năng lƣợng cao quá trình kết tủa xảy ra.
Nhƣ vậy dòng e đƣợc chia làm hai phần:
+ Tạo lớp kép để tập trung e trên bề mặt kim loại đồng thời tập trung ion (+)
gọi là dòng non- Faraday Inon-faraday.
+ Phần e để tạo kết tủa kim loại gọi là dòng Faraday IFaraday
- Dòng tổng It=Ifaraday+Inon-faraday
1.2.2. Năng lƣợng của electron trong quá trình phân cực
E
Năng lƣợng tự
Gibbs
do Gibbs
Dải dẫn
LUMO
h
Eg : năng lƣợng dải trống
Gờ năng lƣợng
HOMO
Dải hóa trị
Hình 1.4. Cấu trúc năng lượng dải electron
HOMO: obital phân tử chiếm giữ năng lƣợng cao nhất
LUMO: obital phân tử chiếm giữ năng lƣợng thấp nhất
4
nguon tai.lieu . vn
Khoa Công nghệ hóa học và Môi trƣờng
BÀI GIẢNG ĐIỆN HÓA LÝ THUYẾT
Biên soạn: Tập thể tác giả Bộ môn công nghệ hóa học
Hƣng Yên năm 2010
CHƢƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM VÀ HIỆN TƢỢNG CƠ BẢN
1.1. Điện hóa: Sự hình thành và lịch sử phát triển
Điện hóa học đƣợc ra đời từ rất sớm. Năm 1799 Alexandro Volta lần đầu
tiên chế tạo ra pin hoạt động đƣợc, trƣớc đấy Luigi Galvani đã có nhiều thí nghiệm
trên đùi ếch, các cơ chúng co lại khi chạm vào kim loại khác nhau. Vào những năm
30 của thế kỷ 18, Michael Faraday là ngƣời đầu tiên đƣa ra khả năng phân ly thành
ion của chất điện ly, song theo ông sự hình thành ion trong dung dịch chất điện ly
là do tác dụng của điện trƣờng ngoài, Michael Faraday phát hiện ra định luật cơ
bản về điện hóa. Về sau năm 1881 Arrenius đã khẳng định sự phân ly các chất
thành ion trong dung dịch không chỉ khi có mặt của điện trƣờng, điều này có ý
nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của ngành điện hóa. Năm 1929: Jaroslav
Heyrovský nghiên cứu về phƣơng pháp cực phổ và nhận đƣợc giải Nobel hóa học
cho công trình này vào năm 1959. Năm 1969: tế bào nhiên liệu hiđrô đã đƣợc
nghiên cứu và dùng trong chƣơng trình Apollo, chúng không chỉ là nguồn điện mà
còn cung cấp cả nƣớc cho phi hành đoàn. Ngày nay điện hóa đã trở thành một
ngành khoa học độc lập có trình độ lý thuyết cao và có nhiều ứng dụng vào sản
xuất đặc biệt là trong các ngành công nghệ cao.
Đối tƣợng nghiên cứu của điện hóa ngày nay đã vƣợt xa khỏi phạm vi các
hiện tƣợng liên quan đến sự chuyển hóa hóa năng thành điện năng và ngƣợc lại. Nó
nghiên cứu tất cả những hiện tƣợng xảy ra trên bề mặt gianh giới pha ở đó tồn tại
lớp điện tích kép, nhờ vậy mà đã giải thích đƣợc nhiều hiện tƣợng không có liên
quan gì đến sự chuyển hóa giữa hóa năng và điện năng.
1.2. Phân cực điện cực: Năng lƣợng của electron trong quá trình phân cực
1.2.1. Một số khái niệm
Mạch điện hóa: là mạch điện trong đó tồn tại ít nhất một pha dẫn điện loại 2
(bình điện phân).
Phản ứng điện hóa là phản ứng xảy ra trên gianh giới giữa hai pha điện cực
và dung dịch trong đó có sự thay đổi điện tử. Phản ứng điện hóa là phản ứng dị thể
xảy ra trên bề mặt tiếp xúc pha.
1
Khi có một điện cực nhúng vào trong dung dịch điện ly và muối của nó, điện
cực đó tồn tại một điện thế cân bằng 0 (cân bằng)
0
Ox
RT
ln
nF [Re d ]
Red: Chất khử
Ox: Chất oxy hóa
Hình 1.1: Điện cực Ni nhúng vào dung dịch chứa ion Ni2+
Quá trình phân cực điện cực là quá trình đƣa điện thế điện cực ra khỏi điện
thế cân bằng (ra khỏi giá trị điện thế cân bằng)
Quá trình phân cực điện cực chỉ đƣợc thiết lập trên cơ sở hệ điện hóa (hay
bình điện hóa tiêu chuẩn có ba điện cực) đƣợc mô tả nhƣ hình vẽ. Trong đó:
WE: Điện cực nghiên cứu
CE: Điện cực đối
RE: Điện cực so sánh
A- Dòng điện đi qua điện cực
Điện thế thể hiện mối quan hệ giữa điện cực làm việc với điện cực so sánh thể
hiện trên vôn kế V
2
Hình 1.2: Hệ điện hóa ba điện cực
Đường cong phân cực là đƣờng cong mô tả mối quan hệ giữa điện thế điện
cực và dòng điện.
i(A/cm2)
cb
(V)
Hình 1.3. Dạng của đường cong phân cực
Phân cực anot là quá trình làm chuyển dịch điện thế điện cực về phía dƣơng
hơn so với điện thế điện cực cân bằng
3
Phân cực catot: là quá trình làm chuyển dịch điện thế điện cực về phía âm
hơn so với điện thế cân bằng (Quá trình khử trong điện hóa gọi là quá trình catot,
quá trình oxi hóa trong điện hóa là quá trình anot)
Quá trình phân cực dương là quá trình chuyển dịch điện thế từ phía giá trị
thấp về phía giá trị cao.
Quá trình phân cực âm là quá trình chuyển điện thế từ giá trị cao đến giá trị
thấp hơn.
Dòng Faraday và nonfaraday: Trƣớc khi quá trình chuyển điện tích xảy ra,
xảy ra quá trình tạo lớp kép. Trong quá trình tạo lớp kép điện tích chuyển qua bề
mặt phân chia điện cực. Dòng e chuyển động trên dây dẫn để phân bố lại điện cực
đƣợc gọi là dòng Inon-faraday. Nếu biến thiên điện thế đến một giá trị nào đó thì dòng
e chuyển đến bề mặt điện cực lớn có năng lƣợng cao quá trình kết tủa xảy ra.
Nhƣ vậy dòng e đƣợc chia làm hai phần:
+ Tạo lớp kép để tập trung e trên bề mặt kim loại đồng thời tập trung ion (+)
gọi là dòng non- Faraday Inon-faraday.
+ Phần e để tạo kết tủa kim loại gọi là dòng Faraday IFaraday
- Dòng tổng It=Ifaraday+Inon-faraday
1.2.2. Năng lƣợng của electron trong quá trình phân cực
E
Năng lƣợng tự
Gibbs
do Gibbs
Dải dẫn
LUMO
h
Eg : năng lƣợng dải trống
Gờ năng lƣợng
HOMO
Dải hóa trị
Hình 1.4. Cấu trúc năng lượng dải electron
HOMO: obital phân tử chiếm giữ năng lƣợng cao nhất
LUMO: obital phân tử chiếm giữ năng lƣợng thấp nhất
4