'

Естественно-научные основы высоких технологий Лекция 5. Химические основы высоких технологий

Понравилась презентация – покажи это...





Слайд 0

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


Слайд 1

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


Слайд 2

3 ПЛАСТИНКА МЕТАЛЛА В РАСТВОРЕ ЕГО СОЛИ


Слайд 3

4 ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ


Слайд 4

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.


Слайд 5

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


Слайд 6

7 ИЗМЕРЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ 1.Стандартные условия 1. Концентрация ионов металла в растворе 1 моль/л; 2. Давление 101325 Па; 3. Температура 250 С (298,15 К) 2. Измеряется по отношению к “стандартному водородному электроду”.


Слайд 7

8 СТАНДАРТНЫЙ ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД


Слайд 8

9 Измерение электродного потенциала


Слайд 9

10 Ряд напряжений металлов Li, Са, Zn, Cr, Fe, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Au


Слайд 10

11 Уравнение Нернста (1889 г.) ? – потенциал электрода, В; ?0 – стандартный электродный потенциал, В; Т – температура по шкале Кельвина, K; n – число переданных электронов; F – постоянная Фарадея, 96500 Кл/моль ед. заряд.; [Ox] – концентрация окисленной формы вещества, моль/л ; [Red] – концентрация восстановленной формы вещества, моль/л.


Слайд 11

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


Слайд 12

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


Слайд 13

14 Электроды 1-го рода Электродом  1-го рода называют металличес- кий электрод, помещенный в раствор его соли. Меz+ + z e -Ме0 (где Me-какой-либо металл, z-заряд ионов этого металла), а также системы с амальгамными электродами (амальгама - раствор металла в ртути).


Слайд 14

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): Сu0 - 2e>Сu 2+ 2. Восстановление ионов металла на поверхности пластинки: Сu 2+ + 2e> Сu0 Пример 2: амальгама цинка-ионы цинка:     Zn2+ + 2 e - Zn(Hg)


Слайд 15

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 + e - Ag + Cl-


Слайд 16

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: Fe3+ + e - Fe2+


Слайд 17

18 ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую энергию. Элемент Даниеля-Якоби Zn2+ + 2e = Zn; ?01 = - 0,76 В; Сu 2+ + 2е = Сu; ?02 = + 0,34 В. В восстановительном направлении пойдет тот процесс, для которого больше электродный потенциал


Слайд 18

19 Элемент Даниэля-Якоби


Слайд 19

20 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ЭДС) Катод (восстановление): Сu2+ + 2е = Сu Анод (окисление): Zn - 2e = Zn2+ 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.


Слайд 20

21 Литиевые батарейки Платина в растворе хлорида железа (III) Источники тока на базе системы: литий/диоксид марганца (Li/MnO2 ) Элементы Li/MnO2 с твердым катодом из диоксида марганца и анодом из лития. Электролит – раствор перхлората лития (LiClO4) в органическом растворителе. Анод: Li – e >Li+ Катод: Mn4++ e > Mn3+ Суммарная реакция при разряде батарейки: 2Li + 2MnO2 > Mn2O3 + Li2О ЭДС элемента Li/MnO2 - 3,5В.


Слайд 21

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).


Слайд 22

23 ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ Платина в растворе хлорида железа (III) При зарядке : Анод (положительный электрод): LiNiO2- xe > Li 1-xNiO2 + xLi+ Катод (отрицательный электрод): С + xLi+ + xe > CLix При разрядке : Анод (положительный электрод): Li1-xNiO2 + xLi+ + xe > LiNiO2 Катод (отрицательный электрод): CLix - xe > С + xLi+


Слайд 23

24 ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ


Слайд 24

25 ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ Платина в растворе хлорида железа (III) Используются в мобильных телефонах и ноутбуках Имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение - 3,5-3,7 В.


Слайд 25

26 ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Платина в растворе хлорида железа (III)


Слайд 26

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: 2H2- 4 e > 4H+ K: O2+ 4H+ + 4e >2H2O


Слайд 27

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


Слайд 28

29 Благодарю за внимание!


×

HTML:





Ссылка: