лекция 2. теоретические основы электрохимической...

Химические источники энергии

Лекция 2. Теоретические основы электрохимического преобразования энергии. Электродная поляризация

Лекция 2

Почему реальное напряжение химического источника тока всегда ниже расчетного значения?

Что такое мощность, энергоемкость и энергия химического источника тока?

Вольтов столб

Козадеров О.А. 2015 г.

Простейший электрохимический элемент

A → A+ + e−

полуреакция

окисления

B+ + e− → Bполуреакция

восстановления

A + B+ → B + A+

окислительно-восстановительный брутто-процесс

(-) АНОД КАТОД (+)


Равновесное напряжение элемента

на границах раздела фаз (электрод / электролит) установилось электрохимическое равновесие

электрический ток во внешней цепи отсутствует

электродный потенциал анода отрицательнее, чем потенциал катода

Еa < Ек

равновесное напряжение Е = Ек - Еа > 0


Термодинамический расчет равновесного напряжения элемента

1Red1 + 2 Ox2 → ’1 Ox1 + ’2 Red2 , G0

E0 = –ΔG0/nF

1 Red1 – ne– → ’1 Ox12 Ox2 + ne– → ’2 Red2


Уравнение Нернста

i

i

ν

реагентов0

ν

продуктов

∏aRTE=E + ln

nF ∏a


Нарушение равновесия: появление электрического тока во внешней цепи

I – сила электрического токаi = I / S плотность токаS – площадь электрода

равновесие: Iа = Iк

iа = iк = i0

равновесие отсутствует:iа iк


Электродная поляризация

η = E(i) – E(0)


Реальное напряжение элемента

η = E(i) – E(0)

E(i) = E(0) – η

Если Е(0) – равновесное напряжение,

то поляризация = перенапряжение


Электрохимический процесс –гетерогенный и многостадийный

подвод ne отвод

объем поверхность поверхность объемк электроду перенос заряда от электродаэлектролита электрода электрода электролита

Ox Ox Red Red


Причины электродной поляризации

омическая поляризация

причина – электрическое сопротивление элемента



кинетическая (активационная) поляризация

причина – заторможенность переноса заряда на межфазной границе электрод/раствор



транспортная (концентрационная) поляризация

причина – заторможенность доставки реагентов к электроду и/или удаления продуктов от электрода



омическая поляризация

причина – электрическое сопротивление элемента

кинетическая (активационная) поляризация

причина – заторможенность переноса заряда на межфазной границе электрод/раствор

транспортная (концентрационная) поляризация

причина – заторможенность доставки реагентов к электроду и/или удаления продуктов от электрода

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ - ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ -КОМПЕНСИРУЕТ ЗАТОРМОЖЕННОСТЬ ПРОЦЕССА


Рабочее напряжение элемента U = E(i)

U = E – ηом – |ηакт| – |ηконц|


Омическая поляризация ηом

Закон Ома

ηом = I∙Rэлемента = i/æэлемента


Удельная электропроводность электролитов


Активационная поляризация ηакт

Уравнение Батлера-Фольмера


Концентрационная поляризация

ln 1n

конц

пред

RT iη =

F i


Поляризационная кривая элемента


Мощность элемента P = i∙U


Кривая разрядапервичного и вторичного элемента


Энергоемкость и энергия элемента

энергоемкость (Кл, А∙ч) - количество электричества, которое заряженный элемент может предоставить внешней нагрузке до момента истощения (отсечки)

энергия (Дж, Вт∙ч) = энергоемкость∙время


Задание 2

Напишите уравнения анодной, катодной и брутто-реакций в Вольтовом столбе


лекция 2. теоретические основы электрохимической...

Education