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 (+)

Козадеров О.А. 2015 г.

Козадеров О.А. 2015 г.

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

Козадеров О.А. 2015 г.

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

Козадеров О.А. 2015 г.

Уравнение Нернста

i

i

ν

реагентов0

ν

продуктов

∏aRTE=E + ln

nF ∏a

Козадеров О.А. 2015 г.

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

Козадеров О.А. 2015 г.

Электродная поляризация

η = E(i) – E(0)

Козадеров О.А. 2015 г.

Реальное напряжение элемента

η = E(i) – E(0)

E(i) = E(0) – η

Если Е(0) – равновесное напряжение,

то поляризация = перенапряжение

Козадеров О.А. 2015 г.

Электрохимический процесс –гетерогенный и многостадийный

подвод ne отвод

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

Ox Ox Red Red

Козадеров О.А. 2015 г.

Причины электродной поляризации

омическая поляризация

причина – электрическое сопротивление элемента

Козадеров О.А. 2015 г.

Причины электродной поляризации

кинетическая (активационная) поляризация

причина – заторможенность переноса заряда на межфазной границе электрод/раствор

Козадеров О.А. 2015 г.

Причины электродной поляризации

транспортная (концентрационная) поляризация

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

Козадеров О.А. 2015 г.

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

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ - ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ -КОМПЕНСИРУЕТ ЗАТОРМОЖЕННОСТЬ ПРОЦЕССА

Козадеров О.А. 2015 г.

Рабочее напряжение элемента U = E(i)

U = E – ηом – |ηакт| – |ηконц|

Козадеров О.А. 2015 г.

Омическая поляризация ηом

Закон Ома

ηом = I∙Rэлемента = i/æэлемента

Козадеров О.А. 2015 г.

Удельная электропроводность электролитов

Козадеров О.А. 2015 г.

Активационная поляризация ηакт

Уравнение Батлера-Фольмера

Козадеров О.А. 2015 г.

Активационная поляризация ηакт

Уравнение Батлера-Фольмера

Козадеров О.А. 2015 г.

Активационная поляризация ηакт

Уравнение Батлера-Фольмера

Козадеров О.А. 2015 г.

Концентрационная поляризация

ln 1n

конц

пред

RT iη =

F i

Козадеров О.А. 2015 г.

Поляризационная кривая элемента

Козадеров О.А. 2015 г.

Мощность элемента P = i∙U

Козадеров О.А. 2015 г.

Кривая разрядапервичного и вторичного элемента

Козадеров О.А. 2015 г.

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

Козадеров О.А. 2015 г.

Задание 2

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

Козадеров О.А. 2015 г.