Podtřída | Fyzikální chemie |
---|---|
Část | Fyzikální chemie |
Cvičeno | Elektrochemik ( d ) |
Dějiny | Historie elektrochemie |
Elektrochemie je vědecká disciplína , která zkoumá vztahy mezi chemií a elektřiny . Popisuje chemické jevy spojené s reciproční výměnou elektrické energie.
Elektrochemie zahrnuje všechny technologie a techniky vyplývající z její vědecké práce, jako jsou práce týkající se elektrolýzy , koroze , baterií , palivových článků , akumulátorů a galvanického pokovování .
Elektrochemie se zabývá heterogenními systémy obsahujícími na obou koncích elektronické vodivé materiály, jako jsou kovy nebo uhlík; a mezi těmito dvěma vodiči alespoň jeden iontově vodivý materiál kvalifikovaný jako elektrolyt , který může být v kapalné formě nebo ve formě gelu. Zlepšení výkonu anod a katod a určité formy katalýzy jsou také v této oblasti zajímavé.
Elektrochemické reakce jsou jevy, které probíhají na rozhraní dvou vodivých systémů (elektronika: elektrody; iontová: roztoky) během přenosu náboje složeného z jednoho nebo více elektronů. Tyto přenosy náboje jsou doprovázeny modifikacemi oxidačních stavů materiálů (oxidace nebo redukce), a tedy i jejich fyzikálně-chemickou povahou (kovová depozice, vývoj plynu, tvorba radikálových druhů, mimo jiné spojené chemické reakce). Všechny elementární reakce tak mohou dosáhnout vysoké úrovně složitosti.
Elektrochemie umožňuje lépe porozumět jevům redoxu a koroze .
Poznámka: Spojení PN mezi dvěma polovodiči není záležitostí elektrochemie, ale fyziky pevných látek . Na druhou stranu je PN spojení v kontaktu s elektrolytem záležitostí elektrochemie a nikoli fyziky pevných látek.
Průmyslové aplikace elektrochemie se obecně dělí do 5 hlavních kategorií:
Electrosynthesis je někdy používán v těžkém chemickém průmyslu na úkor syntézy tepelně, procesy electrosynthesis se obecně snadněji kontrolované a selektivní.
Hlavní suroviny produkované elektrosyntézou jsou: hliník (přibližně 24 Mt / rok ), chlor a soda (přibližně 40 Mt / rok ). Difluorin , lithium , sodík , hořčík a vodík se také vyrábějí v menších množstvích .
Do stejné kategorie bude zařazeno čištění určitých kovů elektro rafinací (zejména měď , zinek a hliník ).
Existuje mnoho povrchových úprav elektrochemickými prostředky, protože elektrochemie umožňuje řádně kontrolovat povahu a kvalitu ložiska. Tato vrstva kovu (nikl, zinek, zlato atd. ) Tlustá několik mikrometrů (od blesku (~ 0,1 um) do jedné nebo několika stovek mikrometrů v závislosti na naneseném kovu) hraje estetickou nebo ochrannou roli proti korozi .
Elektrochemické metody lze také použít při restaurování starověkých předmětů.
Tyto baterie a elektrické akumulátory jsou elektrochemické generátory. Akumulátory se od baterií liší tím, že jsou elektricky dobíjecí. Jejich pole je v plné expanzi.
Tyto flash kondenzátory jsou kondenzátory (kapacita), které jsou schopné se rychle akumulují velké množství elektrické energie a slouží jako generátory. Elektrody nejsou reaktivní, mluvíme o blokující elektrodě. Ionty v elektrolytu se hromadí na elektrodách při nabíjení a obnovují elektro-neutralitu po vybití.
Kvůli jejich nízké ceně se používá stále více elektrochemických senzorů . Nejjednodušší z nich je pH elektroda . Nejrozšířenější je kyslík čidlo, v zejména pro analýzu ze spalovacích plynů .
Elektrochemické senzory mají také mnoho aplikací v biomedicínské oblasti nebo pro analýzu znečištění .
Nejužitečnější měřicí zařízení pro elektrochemii se nazývá potenciostat nebo galvanostat .
Nejběžnější Elektrochemický článek je buňka se třemi elektrodami:
V tomto rychle se rozvíjejícím oboru umožňují elektrochemické techniky separaci ( elektrodialýzu ), regeneraci , koncentraci nebo destrukci určitých prvků. Typickým příkladem aplikace je odsolování brakické vody elektrodialýzou.
Složitost elektrochemických jevů kombinujících s fázemi přenosu elementárního náboje (odchod elektronu, pokud se jedná o oxidaci, nebo příchod elektronu , pokud se jedná o redukci ) chemické reakce přenosu hmoty, lze studovat v analytické podrobně nebo globálně.
Termodynamický přístup představuje první úhel útoku této problematické. Ve skutečnosti jde o studium hlavních rovnováh globální reakce, provádění energetické a tepelné rovnováhy. Druhý přístup spočívá ve studiu každého elementárního kroku, elektrochemické kinetiky.
Elektrochemie úzce souvisí s termodynamikou. Práce poskytovaná reakcí je zde poskytována ve dvou formách:
Užitečnou prací, to znamená energií, kterou se člověk snaží získat zpět a znovu použít, je práce elektrická .
Navrhujeme prokázání s počtem elektronů vyměněných v průběhu reakce, je Faradayova konstanta a na elektromotorické síly této buňky. Teplo vyměnit během této reakce, a uvést je vyjádřena s množstvím tepla vyměnit při konstantním tlaku, to znamená, že při .
Nebo baterie elektromotorické síly dodávající proud velmi nízké intenzity . Pokusíme se spojit tyto elektrické veličiny s termodynamickými veličinami.
Volná entalpie:
Poté vytvoříme předpoklad, že je slabý, to znamená, že reakce je relativně pomalá.
Rozlišením volné entalpie to přijde:
Entalpie je vyjádřena rovnicí Diferenciací,
.
Vložením tohoto výrazu do diferenciálu volné entalpie to přijde
První princip termodynamiky dává
navíc, je-li transformace kvazi-statická, má .
Druhý princip pro kvazi-statickou transformaci .
Znovu vložme první a druhý princip do vyjádření
Transformace se předpokládá, že izobarický (konstantní tlak) a izotermické (konstantní teplota), se stává
Rovněž jsme vytvořili předpoklad, že transformace je reverzibilní (slabý proud), proto k ní dojde
Když baterie poskytuje nízkou intenzitu , poskytuje elektrickou práci, která stojí za to
Tedy ( Faradayův zákon ) s počtem elektronů vyměněných v reakci. A podle definice .
Konečně
Nejpřísnější metodou pro analýzu všech reakčních cest elektrochemické reakce spojené s chemickými reakcemi je představení na vodorovné ose základní elektrochemické reakce a na svislé ose spojené reakce. ( Metoda Jacq ).
Pojďme analyzovat například oxidaci hydroxidu niklu v alkalickém vodném prostředí: jednoduše se zdá, že monoelektronickou oxidací a ztrátou protonu vzniká oxy-hydroxyforma NiOOH při valenci III, pak další oxidace se ztrátou druhého protonu vede k oxid nikelnatý NiO 2 při valenci IV. Lze si představit existenci různých reakčních drah spojených s různými intermediárními iontovými druhy; jejich identifikace zůstává v tomto případě velmi složitá.