Electrochimie

Electrochimie Diagrama sintezei hidrogenului și oxigenului prin electroliza apei.

Subclasa de	Chimie Fizica
O parte din	Chimie Fizica
Practicat de	Electrochimist ( d )
Istorie	Istoria electrochimiei

Electrochimie este disciplina științifică care investighează relațiile dintre chimie și electricitate . Descrie fenomene chimice cuplate cu schimburi reciproce de energie electrică.

Electrochimia include toate tehnologiile și tehnicile rezultate din activitatea sa științifică, cum ar fi lucrările legate de electroliză , coroziune , baterii , celule de combustibil , acumulatori și galvanizare .

Electrochimia se referă la sistemele eterogene care cuprind la ambele capete materiale electronice conductive, cum ar fi metalele sau carbonul; și între acești doi conductori, cel puțin un material conductor ionic calificat drept electrolit , care poate fi sub formă lichidă sau sub formă de gel. Îmbunătățirea performanței anodilor și catodilor și a anumitor forme de cataliză sunt, de asemenea, de interes în acest domeniu.

Descriere

Reacțiile electrochimice sunt fenomenele care au loc la interfața a două sisteme conductive (electronică: electrozi; ionic: soluții) în timpul transferului de sarcină compus din unul sau mai mulți electroni. Aceste transferuri de sarcini sunt însoțite de modificări ale stărilor de oxidare ale materialelor (oxidare sau reducere) și, prin urmare, de natura lor fizico-chimică (depunere metalică, evoluția gazelor, formarea speciilor radicale, reacții chimice cuplate, printre altele). Toate reacțiile elementare pot atinge astfel un nivel ridicat de complexitate.

Electrochimia face posibilă înțelegerea mai bună a fenomenelor redox și coroziune .

Notă: o joncțiune PN între doi semiconductori nu este o chestiune de electrochimie, ci de fizică în stare solidă . Pe de altă parte, o joncțiune PN în contact cu un electrolit este o chestiune de electrochimie și nu de fizică în stare solidă.

Istorie

Domenii mari de aplicare

Aplicațiile industriale ale electrochimiei sunt în general clasificate în 5 categorii principale:

Electrosinteza

Electrosinteză este uneori utilizat în industria chimică grele în detrimentul sintezei termic, procesele de electrosinteză sunt în general mai ușor de controlat și selectiv.

Principalele materii prime produse prin electrosinteză sunt: aluminiu (în jur de 24 Mt / an ), clor și sodă (în jur de 40 Mt / an ). Difluor , litiu , sodiu , magneziu și hidrogen sunt, de asemenea, produse în cantități mai mici .

Purificarea anumitor metale prin electro-rafinare (în special cupru , zinc și aluminiu ) va fi plasată în aceeași categorie .

Tratarea suprafeței și coroziunea

Există multe tratamente de suprafață prin mijloace electrochimice, deoarece electrochimia face posibilă controlul adecvat al naturii și calității depozitului. Acest depozit de metal (nichel, zinc, aur etc. ) cu o grosime de câțiva micrometri (variind de la un fulger (~ 0,1um) la una sau câteva sute de micrometri în funcție de metalul depus) joacă un rol estetic sau de protecție împotriva coroziunii .

Metodele electrochimice pot fi folosite și în restaurarea obiectelor antice.

De baterii și acumulatoare electrice sunt generatoare electrochimice. Acumulatoarele diferă de baterii prin faptul că sunt reîncărcabile electric. Domeniul lor este în plină expansiune.

În aplicațiile de tip „public larg”, cum ar fi bateriile pentru telefoanele mobile .
În aplicațiile profesionale, cele mai frecvente sunt bateriile cu plumb , acestea îndeplinind rolul de sursă auxiliară de energie pentru autovehicule permițând, printre altele, pornirea lor.
Alte tipuri de acumulatoare mai sofisticate joacă un rol important în vehiculele electrice și vehiculele hibride ; ele stochează energia recuperată prin intermediul generatoarelor în timpul frânării și o întorc la motoarele electrice în timpul fazelor de accelerație.
Pe de altă parte, acum se efectuează multe cercetări în domeniul pilelor de combustibil pentru a echipa aceleași vehicule. Acest lucru, deși resursa de hidrogen curat este încă ipotetică .

De super - condensatori sunt condensatoare (capacitate) capabile să acumuleze rapid o cantitate mare de energie electrică și de a servi ca generatoare. Electrozii nu sunt reactivi, vorbim despre un electrod de blocare. Ionii din electrolit se acumulează la electrozi la încărcare și restabilesc electro-neutralitatea la descărcare.

Metode de analiză și măsurare

Datorită costului redus, sunt folosiți din ce în ce mai mulți senzori electrochimici. Cel mai simplu dintre acestea este electrodul de pH . Cel mai utilizat pe scară largă este oxigen senzor, în special pentru analiza de ardere a gazelor .

Senzorii electrochimici au, de asemenea, multe aplicații în domeniul biomedical sau pentru analiza poluării .

Cel mai util dispozitiv de măsurare pentru electrochimie se numește potențiostat sau galvanostat .

Cea mai comună celulă electrochimică este celula cu trei electrozi:

lucru electrod și contra electrodul dintre care curentul trece;
electrodul de referință (sau impolarisable) , ceea ce face posibilă evaluarea diferenței de potențial dintre electrodul de lucru și electrolitului.

Mediu și biologie

În acest domeniu în expansiune rapidă, tehnicile electrochimice permit separarea ( electrodializa ), recuperarea , concentrarea sau distrugerea anumitor elemente. Un exemplu tipic de aplicare este desalinizarea apei salmastre prin electrodializă.

Concepte majore în electrochimie

Complexitatea fenomenelor electrochimice combinate cu etapele transferului elementar de sarcină (plecarea unui electron dacă este o oxidare sau sosirea unui electron , dacă este o reducere ) reacții chimice de transfer de materie, poate fi studiată într-o analiză și detaliat sau într-un mod global.

Abordarea termodinamică constituie primul unghi de atac al acestei probleme. Într-adevăr, este o chestiune de a studia echilibrele majore ale unei reacții globale, realizând echilibrele energetice și termice. A doua abordare constă în studierea fiecărei etape elementare, cinetica electrochimică.

Termodinamica electrochimică

Electrochimia este strâns legată de termodinamică. Lucrarea oferită de reacție este oferită aici în două forme:

sub formă de lucru mecanic dacă există o degajare de gaz în timpul reacției, ${\ displaystyle W_ {p}}$
sub formă de lucru electric, în special în cazul unui acumulator sau a unei pile de combustibil ; ${\ displaystyle W_ {elec}}$
Și, de asemenea, sub formă de căldură , conform celui de-al doilea principiu al termodinamicii . $Î$

Lucrarea utilă, adică energia pe care o căutăm să o recuperăm și să o refolosim este lucrarea electrică . ${\ displaystyle W_ {elec}}$

Propunem demonstrarea cu numărul de electroni schimbate în timpul reacției, constanta Faraday și forța electromotoare a acestei celule. Căldura schimbate în timpul acestei reacții și notat este exprimat prin cu cantitatea de căldură schimbate la presiune constantă, adică atunci când . ${\ displaystyle W_ {elec} = - nF \ Delta E}$ $nu$ $F$ $\ Delta E$ $Î$ ${\ displaystyle Q = Q_ {p} -W_ {elec}}$ $Q_ {p}$ ${\ displaystyle W_ {elec} = 0}$

Sau o baterie de forță electromotivă care furnizează un curent de intensitate foarte mică. Vom încerca să legăm aceste mărimi electrice de mărimi termodinamice. $\ Delta E$ $eu$

Entalpia gratuită: $G = H-TS$

Apoi facem presupunerea că este slabă, adică reacția este relativ lentă. $eu$

Prin diferențierea entalpiei libere, se obține:

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

Entalpia este exprimată prin ecuația Prin diferențiere, ${\ textstyle H = U + PV.}$

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

Prin injectarea acestei expresii în diferențialul de entalpie liberă , ea vine ${\ displaystyle dG}$

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

Primul principiu al termodinamicii dă

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

mai mult, dacă transformarea este cvasistatică, o are . ${\ displaystyle \ delta W_ {p} = - PdV}$

Al doilea principiu pentru transformarea cvasistatică . ${\ displaystyle dS = \ delta Sc + {\ frac {\ delta Q} {T}}}$

Să reinjectăm primul principiu și al doilea principiu în expresia lui ${\ displaystyle dG}$

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

Se presupune că transformarea este izobarică (presiune constantă) și izotermă (temperatură constantă), devine ${\ displaystyle dG}$

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

De asemenea, am făcut presupunerea că transformarea este reversibilă (curent slab), prin urmare , atunci vine ${\ displaystyle \ delta Sc = 0}$

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

Atunci când bateria oferă o intensitate redusă , aceasta oferă o muncă electrică care merită $eu$

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

Astfel , ( legea lui Faraday ) cu numărul de electroni schimbați în reacție. Și prin definiție . ${\ displaystyle dG = \ delta W_ {elec} = - \ Delta Edq = - \ Delta EnFd \ xi}$ $nu$ ${\ displaystyle \ Delta _ {r} G = {\ frac {\ partial G} {\ partial \ xi}} _ {(P, T)} = - nF \ Delta E}$

In cele din urma ${\ displaystyle W_ {elec} = - nFE_ {stack}.}$

Cinetica electrochimică

Mecanismul de reacție

Cea mai riguroasă metodă de a analiza toate căile de reacție ale unei reacții electrochimice cuplate cu reacții chimice este reprezentarea pe o axă orizontală a reacțiilor electrochimice elementare și pe o axă verticală reacțiile chimice cuplate. ( Metoda Jacq ).

Să analizăm de exemplu oxidarea hidroxidului de nichel într-un mediu apos alcalin: se pare pur și simplu că prin oxidarea monoelectronică și pierderea unui proton se formează forma oxi-hidroxi NiOOH la valența III, apoi o altă oxidare cu pierderea celui de-al doilea proton oxid de nichel NiO 2 la valența IV. Se poate prevedea existența diferitelor căi de reacție asociate cu diferite specii ionice intermediare; identificarea lor rămâne foarte complexă în acest caz.

Note și referințe

(în) John Newman și Karen E. Thomas Aleya , Sisteme electrochimice , Wiley-Interscience,2004, 647 p. ( ISBN 0-471-47756-7 , citit online )

Vezi și tu

Articole similare

linkuri externe

Înregistrări de autoritate :
Observații în dicționare generale sau enciclopedii : Encyclopædia Britannica • Encyclopædia Universalis • Enciclopedia Ucrainei Moderne • Enciclopedia Treccani
Resurse legate de sănătate :
- (ro) Rubricile subiectului medical
- (cs + sk) WikiSkripta
Societatea Internațională de Electrochimie (ISE): http://www.ise-online.org/