Sähkökemia

Sähkökemia Kaavio vedyn ja hapen synteesistä veden elektrolyysillä.

Alaluokka	Fysikaalinen kemia
Osa	Fysikaalinen kemia
Harjoittanut	Sähkökemisti ( d )
Historia	Sähkökemian historia

Sähkökemia on tieteenalana , joka tutkii suhteita kemian ja sähköä . Se kuvaa kemiallisia ilmiöitä yhdistettynä sähköenergian vastavuoroiseen vaihtoon.

Sähkökemia sisältää kaikki sen tieteellisestä työstä johtuvat tekniikat ja tekniikat , kuten elektrolyysiin , korroosioon , paristoihin , polttokennoihin , akuihin ja galvanointiin liittyvät työt .

Sähkökemia koskee heterogeenisiä järjestelmiä, jotka käsittävät molemmista päistä sähköä johtavia materiaaleja, kuten metalleja tai hiiltä; ja näiden kahden johtimen välissä ainakin yksi elektrolyytiksi luokiteltu ionia johtava materiaali , joka voi olla nestemäisessä muodossa tai geelimuodossa. Anodien ja katodien suorituskyvyn parantaminen ja tietyt katalyysimuodot ovat myös kiinnostavia tällä alalla.

Kuvaus

Sähkökemialliset reaktiot ovat ilmiöitä, jotka tapahtuvat kahden johtavan järjestelmän (elektroniikka: elektrodit; ioninen: liuokset) rajapinnassa yhdestä tai useammasta elektronista koostuvan varauksen siirron aikana . Näihin varauksensiirtoihin liittyy materiaalien hapettumistilojen (hapettuminen tai pelkistys) ja siten niiden fysikaalis-kemiallisen luonteen (metallien kerrostuminen, kaasun evoluutio, radikaalirakenteiden muodostuminen, kytketyt kemialliset reaktiot) muutokset. Kaikki perusreaktiot voivat siten saavuttaa suuren monimutkaisuuden.

Sähkökemian avulla voidaan paremmin ymmärtää redoksin ja korroosion ilmiöitä .

Huomaa: PN-liitos kahden puolijohteen välillä ei ole sähkökemian vaan kiinteän tilan fysiikan kysymys . Toisaalta PN-liitos, joka on kosketuksessa elektrolyytin kanssa, on sähkökemian eikä kiinteän tilan fysiikan asia.

Historia

Laajat käyttöalueet

Teolliset sähkökemian sovellukset luokitellaan yleensä viiteen pääluokkaan:

Elektrosynteesi

Sähkösynteesikennossa käytetään joskus raskaan kemianteollisuuden kustannuksella synteesin termisesti, prosessit sähkösynteesikennossa ovat yleensä säädellä helpommin ja selektiivinen.

Tärkeimmät sähkösynteesillä tuotetut raaka-aineet ovat: alumiini (noin 24 Mt / vuosi ), kloori ja sooda (noin 40 Mt / vuosi ). Difluoria , litiumia , natriumia , magnesiumia ja vetyä tuotetaan myös pienempinä määrinä .

Tiettyjen metallien puhdistus sähköjalostuksella (erityisesti kupari , sinkki ja alumiini ) sijoitetaan samaan luokkaan .

Pintakäsittely ja korroosio

Sähkökemiallisilla keinoilla on monia pintakäsittelyjä, koska sähkökemian avulla voidaan hallita kerrostumien luonnetta ja laatua oikein. Tällä muutaman mikrometrin paksuisella metallin (nikkeli, sinkki, kulta jne. ) Kerrostumalla (vaihteleva välähdyksestä (~ 0,1 um) aina yhteen tai useaan sataan mikrometriin kerrostuneesta metallista riippuen) on esteettinen tai suojaava tehtävä korroosiota vastaan .

Sähkökemiallisia menetelmiä voidaan käyttää myös muinaisten esineiden restauroinnissa.

Paristojen ja sähköakkujen ovat sähkökemiallisia generaattoreita. Akut eroavat paristoista, koska ne ovat sähköisesti ladattavia. Heidän kentänsä on laajentunut.

”Yleisön” tyyppisissä sovelluksissa, kuten matkapuhelimien akut .
Ammattisovelluksissa yleisimpiä ovat lyijyakut , ja ne toimivat moottoriajoneuvojen apuenergialähteenä, mikä mahdollistaa muun muassa niiden käynnistymisen.
Muilla, kehittyneemmillä akkutyypeillä on suuri rooli sähköajoneuvoissa ja hybridiajoneuvoissa ; ne varastoivat generaattoreiden avulla talteen otetun energian jarrutuksen aikana ja palauttavat sen sähkömoottoreihin kiihdytysvaiheiden aikana.
Toisaalta polttokennojen alalla tehdään nyt paljon tutkimusta näiden samojen ajoneuvojen varustamiseksi. Tämä on puhdas vetyresurssi, vaikka se onkin hypoteettinen .

Superkondensaattorit ovat kondensaattorit (kapasiteetti), joka kykenee nopeasti kerätä suuri määrä sähkötehoa ja toimivat generaattorit. Elektrodit eivät ole reaktiivisia, puhumme estävästä elektrodista. Elektrolyytin ionit kerääntyvät elektrodeihin latauksen aikana ja palauttavat sähköneutraaliuden purkautumisen yhteydessä.

Analyysi- ja mittausmenetelmät

Alhaisen kustannuksensa vuoksi käytetään yhä enemmän sähkökemiallisia antureita . Yksinkertaisin näistä on pH- elektrodi . Yleisimmin käytetty on happi anturi, ja erityisesti analyysin ja palamisen kaasuja .

Sähkökemiallisilla antureilla on myös monia sovelluksia biolääketieteen alalla tai pilaantumisen analysointiin .

Hyödyllisintä sähkökemian mittauslaitetta kutsutaan potentiostaatiksi tai galvanostaatiksi .

Yleisin sähkökemiallinen kenno on solu, jossa on kolme elektrodia:

työ- elektrodin ja vastaelektrodin välillä, jotka virta kulkee;
referenssielektrodi (tai impolarisable), joka tekee mahdolliseksi arvioida mahdollinen ero työelektrodin ja elektrolyytin.

Ympäristö ja biologia

Tällä nopeasti laajenevalla kentällä sähkökemialliset tekniikat mahdollistavat tiettyjen alkuaineiden erottamisen ( elektrodialyysin ), talteenoton , väkevöinnin tai tuhoamisen . Tyypillinen esimerkki käytöstä on murtoveden suolanpoisto elektrodialyysillä.

Tärkeimmät käsitteet sähkökemiassa

Elektrokemiallisten ilmiöiden monimutkaisuus yhdistettynä elementaarisen varauksensiirron vaiheisiin ( elektronin lähtö, jos se on hapettumista tai elektronin saapuminen , jos se on pelkistys ), aineen siirtymisen kemiallisiin reaktioihin voidaan tutkia analyyttisesti. yksityiskohtaisesti tai maailmanlaajuisesti.

Termodynaaminen lähestymistapa muodostaa tämän ongelman ensimmäisen kohtauskulman. Kyse on todellakin globaalin reaktion tärkeimpien tasapainojen tutkimisesta, energia- ja lämpötaseiden suorittamisesta. Toinen lähestymistapa käsittää kunkin alkeisvaiheen, sähkökemiallisen kinetiikan, tutkimisen.

Sähkökemiallinen termodynamiikka

Sähkökemia liittyy läheisesti termodynamiikkaan. Reaktion tuottama työ tarjotaan tässä kahdessa muodossa:

mekaanisen työn muodossa, jos reaktion aikana vapautuu kaasua, ${\ displaystyle W_ {p}}$
sähkötyön muodossa, erityisesti kun kyseessä on akku tai polttokenno ; ${\ displaystyle W_ {elec}}$
Ja myös lämmön muodossa , mukaan toisen periaatteen termodynamiikan . $Q$

Hyödyllinen työ, toisin sanoen energia, jonka halutaan saada talteen ja käyttää uudelleen, on sähkötyö . ${\ displaystyle W_ {elec}}$

Ehdotamme osoitus kanssa elektronien lukumäärä vaihdettujen reaktion aikana, Faradayn vakio ja sähkömotorinen voima tämän solun. Vaihdetun lämmön tämän reaktion aikana, ja totesi, on ilmaistu kanssa lämmön määrä vaihdettiin vakiopaineessa, toisin sanoen silloin, kun . ${\ displaystyle W_ {elec} = - nF \ Delta E}$ $ei$ $F$ $\ Delta E$ $Q$ ${\ displaystyle Q = Q_ {p} -W_ {elec}}$ $Q_ {p}$ ${\ displaystyle W_ {elec} = 0}$

Tai sähkömoottorin voima-akku, joka tuottaa erittäin matalan intensiteetin virran . Yritämme linkittää nämä sähköiset määrät termodynaamisiin suureisiin. $\ Delta E$ $i$

Vapaa entalpia: $G = H-TS$

Sitten tehdään oletus, joka on heikko, toisin sanoen reaktio on suhteellisen hidasta. $i$

Erottamalla vapaa entalpia, se tulee:

${\ displaystyle dG = dH-TdS-SdT.}$

Entalpia ilmaistaan yhtälöllä Erottamalla, ${\ textstyle H = U + PV.}$

${\ displaystyle dH = dU + PdV + VdP}$ .

Injisoimalla tämä ilmaisu vapaaseen entalpian differentiaaliin se tulee ${\ displaystyle dG}$

${\ displaystyle dG = dU + PdV + VdP-TdS-SdT.}$

Ensimmäinen termodynamiikan periaate antaa

${\ displaystyle dU = \ delta Q + \ delta W_ {p} + \ delta W_ {elec},}$

lisäksi, jos muunnos on lähes staattinen, niin se on . ${\ displaystyle \ delta W_ {p} = - PdV}$

Kvasistaattisen muunnoksen toinen periaate . ${\ displaystyle dS = \ delta Sc + {\ frac {\ delta Q} {T}}}$

Injektoidaan uudelleen ensimmäinen periaate ja toinen periaate lausekkeessa ${\ displaystyle dG}$

${\ displaystyle dG = \ delta Wu + VdP-T \ delta Sc-SdT.}$

Muunnos oletetaan olevan isobaarinen (jatkuva paine) ja isoterminen (vakio lämpötila), tulee ${\ displaystyle dG}$

${\ displaystyle dG = \ delta Wu-T \ delta Sc}$

Oletimme myös, että muunnos on palautuva (heikko virta), joten se sitten tulee ${\ displaystyle \ delta Sc = 0}$

${\ displaystyle dG = \ delta W_ {elec}.}$

Kun akku tuottaa matalaa tehoa , se tuottaa arvokasta sähkötyötä $i$

${\ displaystyle \ delta W_ {elec} = - i \ Delta Edt = - \ Delta Edq <0.}$

Siten ( Faradayn laki ) reaktiossa vaihdettujen elektronien lukumäärän kanssa. Ja määritelmän mukaan . ${\ displaystyle dG = \ delta W_ {elec} = - \ Delta Edq = - \ Delta EnFd \ xi}$ $ei$ ${\ displaystyle \ Delta _ {r} G = {\ frac {\ osa G} {\ osittainen \ xi}} _ {(P, T)} = - nF \ Delta E}$

Lopuksi ${\ displaystyle W_ {elec} = - nFE_ {pino}.}$

Sähkökemiallinen kinetiikka

Reaktiomekanismi

Tiukin menetelmä kemiallisten reaktioiden yhteydessä tapahtuvan sähkökemiallisen reaktion kaikkien reaktioreittien analysoimiseksi on edustaa vaakasuoralla akselilla sähkökemiallisia reaktioita ja pystyakselilla kytkettyjä kemiallisia reaktioita. ( Jacq-menetelmä ).

Analysoidaan esimerkiksi nikkelihydroksidin hapettumista emäksisessä vesipitoisessa väliaineessa: näyttää yksinkertaisesti siltä, että monoelektronisen hapettumisen ja protonin häviämisen myötä muodostuu oksihydroksimuoto NiOOH valenssissa III, sitten toinen hapetus toisen protonin häviöllä nikkelioksidi NiO 2 valenssissa IV. Voidaan kuvitella erilaisten reaktioreittien olemassaolo, jotka liittyvät erilaisiin välituotteisiin; niiden tunnistaminen on tässä tapauksessa edelleen hyvin monimutkaista.

Huomautuksia ja viitteitä

(in) John Newman ja Karen E. Thomas Aleya , Electrochemical Systems , Wiley-Interscience,2004, 647 Sivumäärä ( ISBN 0-471-47756-7 , lue verkossa )

Katso myös

Aiheeseen liittyvät artikkelit

Ulkoiset linkit

Auktoriteettitiedot :
Ilmoitukset yleisissä sanakirjoissa tai tietosanakirjoissa : Encyclopædia Britannica • Encyclopædia Universalis • Modernin Ukrainan tietosanakirja • Treccani Encyclopedia
Terveyteen liittyvät resurssit :
- (en) Medical Subject Headings
- (cs + sk) WikiSkripta
Kansainvälinen sähkökemian yhdistys (ISE): http://www.ise-online.org/