Xem mẫu
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT HƢNG YÊN
Khoa Công nghệ hóa học và Môi trƣờng
BÀI GIẢNG ĐIỆN HÓA VÀ
ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ
MÔI TRƢỜNG
Giảng viên: Nguyễn Thị Đông
Hƣng Yên năm 2015
CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM VÀ HIỆN TƢỢNG CƠ BẢN
1.1.Phản ứng điện hóa, mạch điện hóa
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.
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+
1.2. Phân cực điện cực
Muốn hiểu bản chất của khái niệm “sự phân cực” ta xét các ví dụ sau:
Có một bình chứa dung dịch đồng có hoạt độ aCu2+=1. Nếu ta nhúng vào dung dịch
đó hai điện cực bằng đồng thì điện cực đồng sẽ cân bằng với ion đồng trong dung dịch và cả
hai điện cực đồng đều có điện thế điện cực cân bằng nhƣ nhau và bằng 0,34V. Nối hai điện
cực với nguồn điện bên ngoài thì điện thế điện cực của đồng sẽ dịch chuyển khỏi giá trị cân
bằng. Điện thế của điện cực nối với cực âm của nguồn sẽ có giá trị âm hơn +0,34V, còn
điện cực nối với cực dƣơng của nguồn sẽ có giá trị dƣơng hơn +0,34V.
+
-
+0,34V
Hiện tƣợng chúng ta vừa xét thƣờng gặp trong quá trình điện phân.
a
Chúng ta xét một pin gồm hai điện cực có điện thế điện cực cân bằng anốt là cb và
c
catốt là cb . Dung dịch chất điện giải giữa hai cực có điện trở là R.
Nối hai điện cực với nhau (giả thiết điện trở mạch ngoài bằng 0), đo cƣờng độ dòng
điện phát sinh trong mạch, ta thấy I’ nhỏ hơn giá trị cƣờng độ tính theo định luật ohm:
1
I
'
c
a
cb cb
(3.1)
R
Thực tế R const , nên I’ nhỏ hơn giá trị tính theo định luật ohm chỉ có thể do tử số
giảm mà thôi. Thực vậy, nếu chúng ta đo các điện thế điện cực ic và ia khi mạch có dòng
điện đi qua thì thấy
ci
trở nên âm hơn
c
cb và ia
trở nên dƣơng hơn
a
cb .
Trong cả hai ví dụ trên ta thấy, điện thế điện cực đều dịch chuyển khỏi trạng thái cân
bằng. Hiện tƣợng đó gọi là sự phân cực điện cực, gọi tắt là sự phân cực và biểu diễn bằng
công thức sau: i cb
(3.2)
Trong đó i, cb: Là điện thế điện cực khi có dòng i đi qua mạch điện hóa và khi cân
bằng.
Quá trình catốt và anốt
- Quá trình catốt là quá trình khử điện hóa, trong đó các phần tử phản ứng nhận điện
tử từ điện cực.
Ví dụ: Cu22e Cu
- Quá trình anốt là quá trình oxy hóa điện hóa, trong đó các phần tử phản ứng nhƣờng
điện tử cho điện cực.
Ví dụ: Cu Cu22e
- Catốt là điện cực trên đó xảy ra quá trình khử
- Anốt là điện cực trên đó xảy ra quá trình oxy hóa.
Nhƣ vậy, trong các nguồn điện thì anốt là cực âm còn catốt là cực dƣơng. Còn trong
các bình điện phân thì anốt là cực dƣơng còn catốt là cực âm.
Ta có phân cực catốt nếu điện thế điện cực dịch chuyển về phía âm hơn so với điện
thế cân bằng và phân cực anốt nếu điện thế điện cực dịch chuyển về phía dƣơng hơn so với
điện thế cân bằng, khi có dòng điện chạy trong mạch điện hóa.
Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp hệ thống điện hóa là nguồn điện thì phân cực sẽ làm cho
c
a
điện thế điện cực xích lại gần nhau. Do đó, hiệu số điện thế ic ia sẽ nhỏ hơn cb cb và
dẫn đến làm giảm cƣờng độ dòng điện.
Ngƣợc lại trong trƣờng hợp điện phân thì sẽ làm cho điện thế điện cực tách xa nhau
a
c
ra, vì vậy điện thế áp từ ngoài vào phải lớn hơn hiệu số điện thế cb cb thì quá trình điện
phân mới xảy ra.
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
2
Điện thế thể hiện mối quan hệ giữa điện cực làm việc với điện cực so sánh thể
hiện trên vôn kế V
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
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)
3
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 I nonfaraday. 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
Năng lƣợng của electron trong quá trình phân cực
E
Năng lƣợng tự
Gibbs
do Gibbs
Dải dẫn
LUMO
Eg : năng lƣợng dải trống
h
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
Định nghĩa: Quá trình chuyển electron từ trạng thái năng lƣợng cao nhất vào trong chân
không xa vô cùng đƣợc gọi là năng lƣợng Fermi. Kí hiệu EL
EL
G
e|T ,Pconst
Thế điện hóa bằng về giá trị so với năng lƣợng Fermi nhƣng ngƣợc dấu với năng
lƣợng Fermi. Kí hiệu là e .
e =-EL
Khi phân cực catot electron chuyển từ kim loại vào các ion trong dung dịch khi
phân cực catot năng lƣợng electron trong điện cực tăng lên.
4
nguon tai.lieu . vn
Khoa Công nghệ hóa học và Môi trƣờng
BÀI GIẢNG ĐIỆN HÓA VÀ
ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ
MÔI TRƢỜNG
Giảng viên: Nguyễn Thị Đông
Hƣng Yên năm 2015
CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM VÀ HIỆN TƢỢNG CƠ BẢN
1.1.Phản ứng điện hóa, mạch điện hóa
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.
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+
1.2. Phân cực điện cực
Muốn hiểu bản chất của khái niệm “sự phân cực” ta xét các ví dụ sau:
Có một bình chứa dung dịch đồng có hoạt độ aCu2+=1. Nếu ta nhúng vào dung dịch
đó hai điện cực bằng đồng thì điện cực đồng sẽ cân bằng với ion đồng trong dung dịch và cả
hai điện cực đồng đều có điện thế điện cực cân bằng nhƣ nhau và bằng 0,34V. Nối hai điện
cực với nguồn điện bên ngoài thì điện thế điện cực của đồng sẽ dịch chuyển khỏi giá trị cân
bằng. Điện thế của điện cực nối với cực âm của nguồn sẽ có giá trị âm hơn +0,34V, còn
điện cực nối với cực dƣơng của nguồn sẽ có giá trị dƣơng hơn +0,34V.
+
-
+0,34V
Hiện tƣợng chúng ta vừa xét thƣờng gặp trong quá trình điện phân.
a
Chúng ta xét một pin gồm hai điện cực có điện thế điện cực cân bằng anốt là cb và
c
catốt là cb . Dung dịch chất điện giải giữa hai cực có điện trở là R.
Nối hai điện cực với nhau (giả thiết điện trở mạch ngoài bằng 0), đo cƣờng độ dòng
điện phát sinh trong mạch, ta thấy I’ nhỏ hơn giá trị cƣờng độ tính theo định luật ohm:
1
I
'
c
a
cb cb
(3.1)
R
Thực tế R const , nên I’ nhỏ hơn giá trị tính theo định luật ohm chỉ có thể do tử số
giảm mà thôi. Thực vậy, nếu chúng ta đo các điện thế điện cực ic và ia khi mạch có dòng
điện đi qua thì thấy
ci
trở nên âm hơn
c
cb và ia
trở nên dƣơng hơn
a
cb .
Trong cả hai ví dụ trên ta thấy, điện thế điện cực đều dịch chuyển khỏi trạng thái cân
bằng. Hiện tƣợng đó gọi là sự phân cực điện cực, gọi tắt là sự phân cực và biểu diễn bằng
công thức sau: i cb
(3.2)
Trong đó i, cb: Là điện thế điện cực khi có dòng i đi qua mạch điện hóa và khi cân
bằng.
Quá trình catốt và anốt
- Quá trình catốt là quá trình khử điện hóa, trong đó các phần tử phản ứng nhận điện
tử từ điện cực.
Ví dụ: Cu22e Cu
- Quá trình anốt là quá trình oxy hóa điện hóa, trong đó các phần tử phản ứng nhƣờng
điện tử cho điện cực.
Ví dụ: Cu Cu22e
- Catốt là điện cực trên đó xảy ra quá trình khử
- Anốt là điện cực trên đó xảy ra quá trình oxy hóa.
Nhƣ vậy, trong các nguồn điện thì anốt là cực âm còn catốt là cực dƣơng. Còn trong
các bình điện phân thì anốt là cực dƣơng còn catốt là cực âm.
Ta có phân cực catốt nếu điện thế điện cực dịch chuyển về phía âm hơn so với điện
thế cân bằng và phân cực anốt nếu điện thế điện cực dịch chuyển về phía dƣơng hơn so với
điện thế cân bằng, khi có dòng điện chạy trong mạch điện hóa.
Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp hệ thống điện hóa là nguồn điện thì phân cực sẽ làm cho
c
a
điện thế điện cực xích lại gần nhau. Do đó, hiệu số điện thế ic ia sẽ nhỏ hơn cb cb và
dẫn đến làm giảm cƣờng độ dòng điện.
Ngƣợc lại trong trƣờng hợp điện phân thì sẽ làm cho điện thế điện cực tách xa nhau
a
c
ra, vì vậy điện thế áp từ ngoài vào phải lớn hơn hiệu số điện thế cb cb thì quá trình điện
phân mới xảy ra.
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
2
Điện thế thể hiện mối quan hệ giữa điện cực làm việc với điện cực so sánh thể
hiện trên vôn kế V
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
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)
3
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 I nonfaraday. 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
Năng lƣợng của electron trong quá trình phân cực
E
Năng lƣợng tự
Gibbs
do Gibbs
Dải dẫn
LUMO
Eg : năng lƣợng dải trống
h
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
Định nghĩa: Quá trình chuyển electron từ trạng thái năng lƣợng cao nhất vào trong chân
không xa vô cùng đƣợc gọi là năng lƣợng Fermi. Kí hiệu EL
EL
G
e|T ,Pconst
Thế điện hóa bằng về giá trị so với năng lƣợng Fermi nhƣng ngƣợc dấu với năng
lƣợng Fermi. Kí hiệu là e .
e =-EL
Khi phân cực catot electron chuyển từ kim loại vào các ion trong dung dịch khi
phân cực catot năng lƣợng electron trong điện cực tăng lên.
4