Elektrický proud v kapalinách

Transkript

1 Elektrický proud v kapalinách

2 Elektrické vlastnosti kapalin Čisté kapaliny omezíme se na vodu jsou poměrně dobrými izolanty. Když však ve vodě rozpustíme sůl, kyselinu anebo zásadu, získáme tzv. elektrolyt, který je již poměrně dobrým vodičem elektrického proudu.

3 Vysvětlení Molekuly vody jsou tzv. polární, neboli představují elektrické dipóly,které jsou schopny trhat (disociovat) molekuly rozpouštěných látek na ionty.

4 Disociace Rozklad molekul na ionty. Příklady disociací některých dalších molekul: H H 2 SO Cl 4 2H SO 4 H Cl Na OH Na OH

5 Elektrolýza Ponoříme li do vody dvě vodivá tělesa (tzv. elektrody) a připojená ke zdroji napětí, dají se ionty do uspořádaného pohybu (kladné kationty k záporné katodě a záporné anionty ke kladné anodě) a elektrolytem teče proud. + - elektrody (kov nebo uhlík)

6 Elektrolýza Dospějí li ionty na elektrodu, snaží se s ní chemicky reagovat. Pokud se jim to nepodaří, snaží se zreagovat s elektrolytem A když konečně selže i tato možnost, tak se vyloučí jako kov anebo vodík. Proces, který způsobuje tyto změny, nazýváme elektrolýzou.

7 Odpor elektrolytu Elektrický odpor elektrolytu závisí na: Vzdálenosti elektrod (l) obsahu kolmého průřezu elektrod (S) materiálu (měrný elektrický odpor, ne hustota!) (ρ) R l S

8 Beketova řada Beketovova řada pořadí kovů podle jejich schopnosti tvořit s kyselinami kationty ve vodném prostředí, tj. podle jejich standardních elektrodových potenciálů. Zjednodušeně: z Beketovy řady lze zjistit, jaké bude rozkladné napětí kombinace 2 pólů. Li K Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Pt Au -3,02-2,92-2,38-1,66-1,1-0,76-0,71-0,47-0,4-0,27-0,25-0,14-0, ,23 +0,34 +0,8 +0,9 +1,22 +1,42

9 Rozkladné napětí To, jestli bude elektrolýza probíhat, závisí na napětí zdroje. Napětí musí disociovat látky, až potom může obvodem procházet proud. Ur je rozkladné napětí napětí, které vznikne mezi dvěma různými prvky, z nichž jsou tvořeny elektrody. Pokud jsou obě elektrody ze stejného materiálu je rozkladné napětí nulové. Proud elektrolytem určíme z Ohmova zákona: I U R U r

10 VA charakteristika elektrolytu V elektrolytu platí Ohmův zákon, s výjimkou oblasti mezi 0V a napětím Ur. Červený graf obě elektrody ze stejného materiálu. Modrý graf elektrody jsou z různých materiálů, je mezi nimi rozkladné napětí Ur=1 V I1 I ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6

11 Příklady elektrolýzy: Elektrolýza roztoku modré skalice (pokovování) Anoda se rozpouští, ionty mědi přecházejí do roztoku a jsou transportovány na katodu, kde se vylučují jako čistý kov (pokovování). Volné elektrony převede zdroj z anody na katodu. Elektrolýza vody Na katodě se vylučuje vodík a na anodě zase kyslík vzniklý reakcí vody a síranového aniontu. Objemy obou plynů jsou v poměru 2 : 1.

12 Elektrolýza roztoku modré skalice (pokovování) Katoda: uhlík (C) + Anoda: měď (Cu) e - Cu 2 + SO 4 2- Elektrolyt: CuSO 4 + H 2 O Katoda: Anoda: Cu 2 2e Cu 2 4 SO Cu CuSO 2e 4 přes zdroj

13 Elektrolýza vody Katoda: uhlík (C) + Anoda: uhlík (C) e - H 2 O 2 2H + SO 4 2- Katoda: elektrolyt: H 2 SO 4 + H 2 O 4H 4e 2H Anoda: 2 2 2SO4 2H 2O 2H 2SO4 O2 4 e

14 Elektrolýza vody video

15 Faradayovy zákony elektrolýzy Hmotnost vyloučené látky (m) určíme pomocí 1. Faradayova zákona elektrolýzy. m =AQ, [A]=kg.C-1 (A - elektrochemický ekvivalent; Q prošlý el. náboj) Elektrochemický ekvivalent A pak počítáme z 2. Faradayova zákona elektrolýzy. molární hmotnost A 1 M m Faradayova konstanta, F = 9, C.mol -1 F z počet elektronů potřebných na vyloučení jedné částice z(h 2 )=2, z(o 2 )=4 atd.

16 Elektrochemické ekvivalenty některých látek (mg/c) Stříbro - 1,118 Kyslík - 0,083 Chlor - 0,367 Např. proud 1 A vyrobí za 1 s pouze 1,118 mg stříbra.

17 Využití elektrolýzy: Výroba hliníku, sodíku, chlóru, vodíku atd.

18 Galvanické pokovování (galvanostegie)

19 Galvanoplastika Galvanoplastika je elektrolytický způsob výroby kovových povlaků silných i několik milimetrů, čímž se významně liší od galvanostegie (galvanického pokovování), které umožňuje dosáhnout kovových povlaků silných pouze setiny mm. Části modelu sochy krále Jiřího byly pokryty grafitem a pak se na nich nechala elektrolyticky vyloučit měď.

20 Galvanoplastika Galvanoplastická forma protetické náhrady ruky umožňuje dokonalé překopírován dezénu lidské kůže, tvaru nehtů, kloubů a ostatních detailů lidské ruky.

21 Galvanoplastika Galvanoplastika umožňuje zhotovovat velmi přesné kovové lisovací formy, které se využívají např.k výrobě klasických gramofonových desek.

22 Elektrolytické čištění kovů Před a po.

23 Ochrana před korozí Koroze elektrochemická reakce, nejčastějším typem je oxidace působením vzdušného kyslíku a vlhkosti vzduchu. Kovové součástky se při styku s vodou stávají miniaturními galvanickými mikročlánky, které způsobují elektrolýzu. Kov tvořící anodu se vlivem této elektrolýzy znehodnocuje. Koroze představuje závažný ekonomický problém, odhadovaná roční ztráta kovů korozí tvoří asi polovinu světové produkce Ochrana: Voda v parních kotlích se zbavuje iontů průchodem kovovými pilinami Povrch kovu se chrání přísadami zmenšujícími napětí mikročlánků Poměrně jednoduchou a účinnou ochranou jsou povrchové nátěry Pozinkováním ocelových součástí (např. okapy, drátěné pletivo) se zpomalí koroze, protože zinek koroduje asi 10 krát pomaleji než ocel Obětování elektrody

24 Galvanické leptání Kovová deska se pokryje nevodivou vrstvičkou, do které se vyryje požadovaný obrazec. Deska se pak použije jako elektroda ponořená do vhodného elektrolytu. Průchodem proudu dojde k odstranění (vyleptání) kovu jen na nepokrytých místech.

25 Primární galvanické články

26 Galvanické články Viděli jsme, že proud vyvolává změny na elektrodách či v elektrolytu. Ale i změny na elektrodách či v elektrolytu mohou generovat elektrický proud. Tohoto faktu se využívá ve zdrojích elektrického napětí zvaných galvanické články. Ponoříme li do elektrolytu elektrodu, tak se její materiál začne rozpouštět, ionty přecházejí do roztoku, ale volné elektrony v kovu zůstávají. Elektroda tak získá určitý elektrický potenciál 1.

27 Galvanické články Elektroda získala elektrický potenciál. ale volné elektrony zůstávají. Ionty zinku přecházejí do roztoku,

28 Galvanické články Ponoříme li do elektrolytu druhou elektrodu, bude se rozpouštět více anebo, takže její potenciál bude jiný. Tyto různé potenciály se projeví jako napětí mezi elektrodami. Vznikl tzv. primární galvanický článek. Spojíme li nyní obě elektrody, bude procházet elektrický proud, dokud se příslušné chemikálie nespotřebují.

29 1 U 2 + Měď se rozpouští méně, a proto je kladná. Zinek se rozpouští více, a proto je záporný.

30 Galvanické články Dříve běžným galvanickým článkem byl tzv. suchý (zinko uhlíkový či Leclanchéův) s napětím 1,5 V. elektrolyt salmiak (NH 4 Cl ) zahuštěný škrobem uhlíková tyčka (+) depolarizátor MnO 2 + práškový uhlík zinková nádoba (-) Nevýhoda: zinková nádobka se rozpouští a elektrolyt má tendenci vytékat.

31 Galvanické články Jestliže začneme odebírat z galvanického článku proud, dojde k elektrolýze a elektrody se pokryjí jejími produkty (tzv. polarizace elektrod), které tvoří rovněž galvanický článek, jenž snižuje napětí článku původního. Depolarizátor je látka, která tyto produkty odstraňuje (např. vodík oxiduje na vodu).

32 Alkalické články Nyní je nejpoužívanějším článkem je článek alkalický: záporná elektroda: kladná elektroda: elektrolyt: lisovaný práškový zinek burel (MnO 2 ) + grafit KOH v gelu

33 Palivový článek Speciálním případem galvanického článku je tzv. článek palivový, jehož anodou je např. vodík, methan, methanol anebo roztok glukózy, katodou pak kyslík či jiné oxidačním činidlo a elektrolytem různé kyseliny (H 3 PO 4 ) nebo zásady (KOH). V tomto článku se palivo slučuje s kyslíkem, přičemž energii nezískáváme ve formě tepelné ale elektrické. Využití: v budoucnosti snad zdroj energie pro automobily, notebooky, mobilní telefony, kogenerace (společná výroba elektrické a tepelné energie) pro rodinné domky atd.

34 Palivový článek

35 Palivový článek methanolový palivový článek kyslíko vodíkový článek

36 Galvanické články První prakticky použitelný zdroj napětí sestrojil italský fyzik Alessandro Volta a byl jím tzv. Voltův sloup, tj. baterie galvanických článků.

37 Galvanické články Galvanické články jsou pojmenovány po Luigim Galvanim který při pitvání žab pozoroval záškuby jejich stehýnek, což si nesprávně vyložil jako živočišnou elektřinu.

38 Sekundární galvanické články (akumulátory)

39 Olověný akumulátor Na rozdíl od primárních galvanických článků lze akumulátory znovu dobít. Nejběžnějším je akumulátor olověný, jehož elektrolytem je kyselina sírová. Ponoříme li olověné elektrody do kyseliny, pokryjí se vrstvou PbSO 4. Napětí je nulové. Připojíme li akumulátor ke zdroji napětí, dojde k elektrolýze, při níž se katoda pokrývá čistým olovem, kdežto anoda vrstvičkou PbO 2. Mezi těmito zpolarizovanými elektrodami je již napětí asi 2 V. Při vybíjení se olovo a oxid mění opět na síran. Cyklus nabíjení a vybíjení lze mnohokrát opakovat.

40 Akumulátory Kromě olověného akumulátoru se používají i akumulátory alkalické, jejichž elektrolytem je KOH oceloniklové (NiFe) či niklkadmiové (NiCd) aj. Náboj, který může akumulátor dodat, se uvádí v ampérhodinách (1 Ah = 3600 C). Tuto veličinu nazýváme kapacita akumulátoru C, C=I.t

41 Spojování článků Protože napětí akumulátoru i galvanického článku je relativně nízké, spojujeme je sériově, takže se jejich napětí sčítá. Vznikne tak akumulátorová baterie či baterie galvanických článků.