ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH

ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH

ELEKTROLYT = kapalná látka, která vede elektrický proud

Hlavně vodné roztoky kyselin, zásad a solí + taveniny, ve kterých vznikají ionty rozpadem krystalové mřížky

PROČ?Molekula vody se chová jako dipól a rozpouští polární molekuly = DISOCIACE

DISOCIACE = rozložení molekul na jednotlivé ionty

• PŘ: H2SO4 → 2H+ + SO4

2-

NaCl → Na+ + Cl-

REKOMBINACE = spojeníjednotlivých iontů v neutrální molekulu

Probíhajísoučasně!

POCHOD IONTŮ = pohyb iontůelektrolytu vlivem el. pole

ELEKTRODY = vodiče ponořené do elektrolytu

ANODA – spojena s kladným pólem zdroje napětí

KATODA – spojena se záporným pólem zdroje napětí

ELEKTROLÝZA = děj, který probíhá při průchodu el. proudu

elektrolytem• chemické a látkové

změny• na elektrodách dochází k

vylučování látek – na KATODĚ kov či vodík

Využití elektrolýzy• elektrolýza NaCl (výroba NaOH ve škole)• elektrolýza vody (výroba vodíku pro palivové články,

účinnost přeměny el. energie na chemickou až 94%)– výroba kyslíku ve vojenských ponorkách (vydrží dlouho pod

vodou)– výroba kyslíku na kosmických stanicích z odpadní vody

• galvanické pokovování (chromování, niklování, zlacení)• elektrometalurgie (výroba hliníku)• polarografie (zjišťování chem. složení a koncentrace chem.

látek)• galvanoplastika (kovové obtisky těles)

Galvanické pokovování

Reakce:Elektrolytická disociace: CuSO4 → Cu2+ + SO4

2-

katoda: Cu2+ + 2e- → CuNa anodě: SO4

2- → SO4 + 2e-

SO4 + Cu → CuSO4 (anoda se rozpouští)Koncentrace elektrolytu se nemění

Elektrolyt: modráskalice (CuSO4.5H2O) rozpuštěná ve vodě

ELEKTRICKÝ PROUD PROTÉKAJÍCÍ ELEKTROLYTEM

Q … náboj prošlý povrchem elektrody

N … množství iontů vyloučených na elektrodě

e … elementární náboj

z …. počet elementárních nábojů, které nese jeden ion = STUPEŇ IONIZACE, VALENCE

e.z.NQ =

Mm … molární hmotnost iontu

NA … Avogadrova konstanta

F... Faradayova konstanta

A... elektrochemický ekvivalent

e.z.NQ =e.z.N.nQ A=

F.z.MmQ

m

=

mMF.zmQ =

F.zM

Qm m=A.Qm =

F… Faradayova konstanta, Faradayův náboj, faraday

F = 6,022.1023 mol-1.1,0602.10-19 C = 9,65.104 C.mol-1

eNF A.=

zFMQm m

..

=

tIAQAm ... ==

zFMA m

.=

Mm a z jsou konstantní pro daný ion, proto…

A … elektrochemický ekvivalentLátková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní. (Mohou se navzájem nahradit v chemické sloučenině nebo se mohou beze zbytku sloučit.)

Elektrochemický ekvivalent je hmotnost látky, kteráse uvolní na elektrodě při průchodu náboje 1 C stěnou elektrody. Pokud by tato látka reagoval s 1 molem vodíku, sloučila by se s ním beze zbytku.

Elektrochemický ekvivalent je množstvílátky chemicky ekvivalentní 1 molu vodíku.

ELEKTROCHEMICKÝ ELKVIVALENT

I. FARADAYŮV ZÁKON PRO ELEKTROLÝZU (1833)

Hmotnost látky vyloučené na kterékoli elektrodě je přímo úměrná prošlému náboji.

tIAQAm ... ==

II. FARADAYŮV ZÁKON PRO ELEKTROLÝZU (1833)

Pro elektrochemický ekvivalent A platí vztah:

zFMA m

.=

Michael Faraday – muž z bankovky Voltampérová charakteristika elektrolytického vodiče

kovy

UR ... rozkladnénapětí

elektrolyt RUI =

RUU

I R−=

Roztok H2SO4 ve vodě

malé napětí

rozkladné napětí UR = polarizační napětí

U

elektrickádvojvrstva s elektrickým potenciálem vůči elektrodě

RUU

I R−=

SlR ρ=

Galvanické články (1800) = PRIMÁRNÍ ČLÁNKY

- voltmetr naměří napětí mezi elektrodami 1 V- zinková elektroda je záporná a měděná kladnáJak toto napětí vzniká?

Voltův článek

- zinková elektroda se rozpouští více než měděná, proto má menší potenciál- při rozpouštění přecházejí kladné ionty z elektrody do elektrolytu

svorkové napětí

vnitřní = elektromotorické napětí

polarizačnínapětí

polarizace elektrod – na elektrodách se usazují vyloučenélátky, zvyšuje se vnitřní odpor zdroje

Napětí kovů vzhledem k vodíkovéelektrodě (platina pokrytá bublinkami

vodíku)

1,5Au0,86Hg0,81Ag0,34Cu0H2

-0,126Pb-0,44Fe-0,762Zn

NAPĚTÍ [V]LÁTKA

Anatomie ploché baterie

elektrolyt je salmiak (NH4Cl) zahuštěn škrobem → kaše

směs burelu (MnO2), tuhy a koksu slouží jako depolarizátor (zamezuje vylučování vodíku na Znelektrodě)

napětí mezi uhlíkovou a zinkovou elektrodou je cca 1,5 V

(Leclanchéův článek)

Baterie ze tří monočlánků má napětí 4,5 V

Další typy primárních článků

• alkalický (1,2 V, kvalitnější baterie)• zinko-stříbrný článek (2,2 V; velmi kvalitní

baterie)• lithiový článek (3,1 V; dlouhá životnost)

Historie galvanických článků

Luigi Galvani (ital. lékař): pitvání žabích stehýnek →záškuby po dotyku kovového předmětu

vysvětlení Alessandro Volta: vznik elektrického napětí mezi dvěma kovy (nástrojem a kovovým podkladem) vodivě propojenými elektrolytem (obsaženým v buňkách)

Olověný akumulátor = SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY

na elektrodách nanesena vrstva PbSO4

NABÍJENÍ

Na katodě: PbSO4 + 2e- →Pb + SO4-2

Na anodě: PbSO4 - 2e- + 6H2O →PbO2 + 4H3O+ + SO4

-2

2,1V

Olověný akumulátor

• pokud klesne napětí na 1,85 V nutno ho opět dobít (hrozí snížení kapacity)

• při dobíjení se uvolňuje vodík – riziko výbuchu

• kapacita akumulátoru (v autě 12 V, 44 A.h)– náboj, který akumulátor vydá při vybíjení

1A.h = 3600 C• nízká cena, vysoká účinnost

Další typy akumulátorů• alkalický

– niklkadmiový (NiCd) JEDOVATÝ– metalhydridový (NiMH)

• lithiový (napětí cca 3,7 V na monočlánek)– lithium iontoý (Li-ion) – lithium polymerový (Li-pol)

životnost:cca 3 roky (1000 nabíjecích cyklů)

paměťový efekt akumulátorů: spíše záležitost reklamy a nekvalitních dobíječek (nevhodnost přebíjení)

Palivový článek• elektrochemické zařízení vytvářející

elektrickou energii• princip: dodávání paliva na anodu a

okysličovadla na katodu, na katodě se oxidační činidlo (většinou kyslík) redukuje na anionty (O2-), a ty pak reagují s H+ ionty na vodu

• palivové články mohou operovat nepřetržitě pokud bude tok paliva a okysličovadla udržován

• využití: kosmické sondy (program Apollo, elektromobily)

Polarografie

• Jaroslav Heyrovský -1959 Nobelova cena• určování přítomnosti a koncentrace neznámých

látek v roztoku • princip: vyhodnocování závislosti elektrického

proudu na napětí na dvojici elektrod, které jsou ponořené do roztoku, v němž probíhá elektrolýza

• závislosti charakteristické pro jednotlivé druhy látek