Upload
cornel-aragea
View
320
Download
5
Embed Size (px)
Citation preview
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
1/33
Curs 12- Pile galvanice
Conf. dr. ing. Nicoleta Badea
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
2/33
Pilele galvanice sau electricesunt sisteme n care energia chimiceste convertit n energie electric .Pilele galvanice sunt alcatuite din:2 electrozianod,catod;punte de sare;conductori metalicivoltmetru
n pilele galvanice are loc transferul de electroni simultan prin
intermediul suprafeelorconductoare (metal sau grafit ), iar puntea desare sau diafragm poroas asigurara circuitulul ionic n interiorulsistemului.
Pile galvanice
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
3/33
1 1 2 2( ) / 1, / / 2, / ( )z z
M MM electrolit a electrolit a M
0 ln zM M MRT
a
zF
1
12
1
0 0 ln
ox
z
red
z
M
M M
M
aRTE
zF a
1
12
1
0 00,059
lg
ox
z
red
z
M
M M
M
aE
z a
0E
Lantul electrolitic al unei pilei este:
1 1
2 2
1 2 1 2
( ) ( )( ) ( )
.
z
z
z z
anod M M ze oxidarecatod M ze M reducere
rc globala M M M M
Reactiile care au loc la functionarea unei pile sunt:
Tensiunea electromotoare (E) a unei pile este:
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
4/33
Clasificarea pilelor galvanice
1.n functie de reversibilitatea proceselor de electrod: pile ireversibile; pile reversibile
2. n func tie de regenerarea reactan ti lo r de la electrozi pile primare-furnizeaz curent electric pe seama unui proces
chimic primar pile secundare sau acumulatoare
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
5/33
O pilelectrochimiceste ireversibildac:
a) n pilse produc transformrichimice, chiar atunci cndaceasta nu debiteazcurent n circuit deschis;
b) prin aplicarea unei tensiuni electrice exterioare de semn
contrar, mai mare decat t.e.m a pilei, se produc reactiichimice diferite de cele care au loc la functionarea pileinu se mai revine la starea initiala a pilei;
c) t.e.m. scade foarte rapid atunci cnd pila debiteaz
curent.
Exemplu de pil electric ireversibil- pila Volta
1
z
M
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
6/33
catod (+)
2
22 HZnHZn
22 2 ( )H e H reducere
rc global---------------------------
2 2 ( )Zn Zn e oxidare
Pila Volta: (-)Zn/H2SO4/ Cu(+)
Reactii la functionare Reactii la incarcare
anod(+)anod (-)catod(-)
rc global---------------------------2
22Cu H Cu H
22 2 ( )H e H reducere
2 2 ( )Cu Cu e oxidare
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
7/33
O pilelectrochimiceste reversibildac:
atunci cnd circuitul este deschis, n pil nu se produce niciotransformare chimic; reaciade celulare loc doar n timpul debitriide curent;
reacia de celul care se produce aplicnd pilei o tensiuneexterioarcu puinmai mare dect t.e.m. este inverscelei care areloc cnd pila debiteazcurent;
n timpul funcionrii,curentul de descrcarenu este prea mare, iart.e.m. este constant.
Exemplu depilreversibil- pila Daniell- Iacobi:
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
8/33
Lanulelectrochimic: Pila DaniellIacobi
)(/)(//)(/)( CuaCuSOaZnSOZn
2414
Reactii la functionare Reactii la incarcare2 2 ( )Zn Zn e oxidare
2 2 ( )Cu e Cu reducere 2 2 (Zn e Zn reducere
2 2 ( )Cu Cu e oxidare Catod(+)
Anod (-) anod(+)
rc global--------------------------- rc global---------------------------2 2Zn Cu Cu Zn 2 2Zn Cu Cu Zn
catod(-)
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
9/33
2
2
0 00,059
lg
2
Cu
Cu Zn
Zn
aE
a
2
2
0 0 ln CuCu Zn
Zn
RT aE
zF a
Cu ZnE
2
0 lnCu Cu Cu
RTa
zF
2
0 lnZn Zn Zn
RTa
zF
2
2
2
2
0,0590,34 ( 0,76) lg
20,059
1,1 lg2
Cu
Zn
Cu
Zn
aE
aa
Ea
Tensiunea electromotoare a pilei DaniellIacobi:
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
10/33
Pile primare: Pila Leclanche, pile alcaline
nu se mai pot regenera dupconsumarea substaneloriniiale se folosesc pentru alimentarea ceasurilor, stimulatoarelor
cardiace, protezelor auditive, sistemelor de alarma, instalatiilor detelecomunicatii, sistemelor de semnalizare, etc.
Pila Leclanche este alcatuita din:
- electrozi: anod-cilindru de zinc, iar catod de barade grafit introdus in MnO2pulbere umectata cugrafit pentru cresterea conductivitatii
- Electrolit-soluie de NH4Cl si ZnCl2 fixata intr-opasta absorbanta (gelifierea NH4Cl cu amidon)
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
11/33
Reaciile care au loc la electrozi suntAnod (-)Zn Zn2++ 2e-Catod(+) 2H++ 2e - H2
(-) Zn/NH4Cl, H2O, ZnCl2// MnO2/ C(+)
Zn + 2H+ Zn2++H2
Tensiunea acestei pile este de 1,5 V-1,6 V, si scade pe masura ce pila
se descarca. In mod frecvent, se leaga in serie mai multe astfel debaterii.
H2+2 MnO2H2O + Mn2O3
NH4Cl +H2O 2NH3+ H3O+ + Cl-
ZnCl2+4NH3[Zn(NH3)4]Cl2
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
12/33
(-) Zn / KOH / MnO2-C (+)
Este o pila uscata asemntoare cu pila Leclanche; Diferenaconstn utilizarea unui alt electrolit (sol. concentratde
KOH ~ 30%) iar electrodul de zinc se gsetesub formde pulberede zinc fin divizatn jurul unui colector de curent (barde alam).O alt diferen o constituie catodul mixt MnO2-pulbere de grafit
care se gseten exteriorul electrodului de Zn. ntreg sistemul estenchis ntr-un container de oel,pentru evitarea coroziunii zincului; Dura de functionare a acestor baterii este de pnla 4 ani la temp.
de 20C fiind de 410 ori mai mare fade cea a pilei-Leclanche.
Reaciilepilei la descrcaresunt:(-) Zn + 2HO-Zn(OH) 2+2e-(+) 2 MnO2 + H2O +2e-Mn2O3+ 2 OH-
Zn + 2MnO2+ 2OH-+ H2O Zn(OH)2+ Mn2O3
Pile primare alcaline
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
13/33
Pile reversibile (acumulatori)
Acumulatorul acid: acumulatorul cu Pb
Electrolitul acumulatorului cu Pb este H2SO4 de conc. 38%, avand densitated=1, 29g/cm3.Cand densitatea scade sub d=1, 15g/cm3 acumulatorul trebuie incarcat prinelectroliza
2
2
2
24 4
22 2
24 4
2
2 4
( ) 2 ( )
( ) 4 2 + 2H O ( )
. + 4 2 descarca
anod Pb Pb e oxidare
Pb SO PbSO
catod PbO H e Pb reducere
Pb SO PbSO
rc globala Pb PbO H SO
4 2
2 + 2H Ore
incarcarePbSO
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
14/33
Acumulatori alcalini- Acumulatorul Ni-Cd
Lantul electochimic este (-)Cd / KOH / NiOOH(+)
Reactiile care au loc la functionarea acumulatorului sunt:
Tensiunea n circuit deschis este de aproximativ 1,3V/element, n
starea complet ncarcata si ,practic, nu depinde de densitateaelectrolitului pentru temperaturi normale de lucru.
22
2
2 2 2
2 2 2
anod Cd Cd +2e
Cd 2HO Cd(OH)
( ) NiO.OH + 2H O+ 2e 2 ( )
2HO NiO.OH + 2H O Cd(OH) 2 ( )
catod Ni OH H
rc globala Cd Ni OH
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
15/33
Acumulatorul Liion
acumulator utilizat de dispozitive electronice de tipultelefoanelor mobile, laptopurilor etc.
este cel mai utilizat acumulator portabil datorit densitii de
energie ridicatia flexibilitiin design;Anodul la bateriile initiale anodul era Li metalic nsprezinta anumite
dezavantaje legate de stabilitatea sa structural (formeazstructuri dendritice care conduc la scurcircuitarea celulei).
in prezent se foloseste drept anod materiale grafitice in care seinsereaza atomi de C (1 ion Li+/ 6 atomi de C (LiC6). Aceastacorespunde unei capacititeoretice specifice de 372 mA.h/
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
16/33
Catodul -este confectionat din oxizi ai metalelor tranziionale: LiCoO2prezinta stabilitate, durata de viata lunga;
LiNiO2nu este comercializat datoritdificultilorde sintezistabilitate structuralitermicsczut. combinaii LiNi1-xCoxO2 - materiale ce combin proprietile
avantajoase ale LiNiO2 i LiCoO2 stabilitate mai bun dectNiO2, combinatcu costul mai redus dect cel al LiCoO2.
Electrolii electroliilichizi, solizi imateriale polimerice; electrolitii lichizi prezinta conductivitii ionice superioare la
temperatura ambientala; Electroliti polimerici - bateriile rencrcabileLi-ion (HPE) numite
plastic Li ion (PliON). Aceste sunt mult mai versatile, maiflexibile i au numeroase avantaje n dezvoltarea dispozitivelorelectronice miniaturizate
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
17/33
apolimer pur (uscat) ce const lanuri polimerice ncolcite ncare ionii de Li se pot deplasa;b
reea hibrid (gel) ce const dintr
-un polimer semicristalin alecrei regiuni amorfe sunt umflate n electrolit lichid, n timp ceregiunile cristaline i pstreaz stabilitatea mecanic;
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
18/33
Pile de combustie
Combustibilul(hidrogen) este transportat la anodul poros unde esteabsorbit pe suprafaaacestuia, ntr-un proces de oxidare, urmata demigrarea electronilor de la anod si eliberarea gazulul ionic lasuprafaa anodului. n electrolit se asigur transportul ionilorcombustibilului de la anod la catod.
La catod, are loc reacia de reducere, rezultnd produsul de reaciecare trebuie eliminat . n timpul funcionrii, electrozii nu sufer nici omodificare structural, ei servind doar ca suport pentru reactie.
La anod are loc oxidarea catalitica a hidrogenului atomic, iar lacatod reducerea catalitica a oxigenului atomic. Fenomenul deoxidare i reducere catalitic are loc n regim trifazic (gazlichid
solid) la suprafaa catalizatorului conform reaciei globale:
H2+ 1/2 O2 H2O
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
19/33
Pil de combustie pe
baz de hidrogen
teoretic o astfel de pilar trebui sa furnizeze o forelectromotoarede 1,22 V.Practic dnumai 0,8 voli (la 25oC) datoritsupratensiunilor la electrozi.
transportul hidrogenului este neeconomic de aceea s-au construitpile in care combustibilul este hidrazina sau metanolul si carburantuleste oxigenul din aer. Aceste pile ofero for electromotoare de0,5-0,7 volti, cu un randament energetic ce poate atinge 90%.
pot fi utilizate pentru a actiona motoarele pentru automobile cu razde aciune redus, minisubmarine, si pentru nave spaiale.
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_5//upload.wikimedia.org/wikipedia/ro/c/cd/Fuel_cell.svg7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
20/33
Pila Weston
O incinta de sticla n forma de H este umplut cu o solutie de CdSO4si
apa. Pe fundul fiecarei ramuri a incintei este sudat un conductor extern care
realizeaza contactul cu electrozii din interior. Electrozii pilei sunt: unelectrod din mercur (catod),iar n dreapta un electrod din amalgam decadmiu (anod).
Pe ramura din stnga, deasupra mercurului, se gasesc cteva cristalede sulfat de mercur (Hg2SO4), care este slab solubil n apa.
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
21/33
Pila Weston, care are o tensiune electromotoare de 1,0186 V la 78F, sefoloseste ca etalon de tensiune n masurari de precizie.
4 2 4( ) lg / / / / ( )ama am de Cd CdSO Hg SO Hg
Reactiile care au loc la functionarea pilei Weston sunt:
2 2
4
2 2
4 4
4
4
2
22 4 4
2 22 4 4
0
2
0
0
anod Cd Cd +2e
( ) Hg SO + 2e 2 SO
Hg SO Cd 2 SO
1ln
2
ln
0,059ln
Cd SO
CdSO Cd SO
CdSO
CdSO
catod Hg
rc globala Cd Hg
RTE E
F a a
a a a
a a a
RTE E a
F
E E a
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
22/33
Pile de concentratie
Sunt pile ale carei t.e.m. se datoreaza diferentei de concentratie a
unei specii metalice date, la cei doi electrozi scufundati intr-o
solutie comuna de electrolit sau diferentei de concentratie a
solutiei preparate din acelasi electrolit si aflate in contact cu
electrozi metalici identici.
Clasificare
- pile de concentratie fara transport;
- pile de concentratie cu transport;- pile de concentratie cu transport minimizat;
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
23/33
Pile de concentratie cu transport
Doi electrozi ai aceluiasi metal, M, cufundati in solutia aceluiasielectrolit MA, de concentratie diferita. Cei doi electrozi sunt separatiprintr-o diafragma poroasa.
1 21 2 2 3 3 1
1 2 0
3 1 1 3 0
/ ( ) / / ( ) /
ln ,1
ln ,2
z
z
z z z z
M
M
M M A a M A a ME
RT azF
RTa
zF
Saltul de potential care apare la contactul celor doi electroliti poartadenumirea de potential de difuzie
2 3 2 3
1
2
,ln
,
z
z
d dif
M
d dif
M
RT aE
zF a
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
24/33
3 1 3 2 1 2/ ( ) / / ( ) / ( ) a aAg AgNO a AgNO a Ag
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
25/33
Pile de concentratie fara transport
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
26/33
Pila de hidrogen
(-) (Pt), H2(p1)/HCl (a1)// HCl (a2)// H2 (p2)(Pt) (+),
cu p1> p2Drept anod va functiona hidrogenul cu presiunea mai mare.
Reactiile de la electrozi sunt:
2
2
2 1 2 2
1
2
( ) 2 2( ) 2 2
( ) ( )
ln2
H H eH e H
H p H p
RT pE
F p
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
27/33
Pile de concentratie cu amalgam
(-) Cd-Hg (c1)/CdSO4/ Cd-Hg (c2)(+), cu c1> c2
Reactiile de la electrozi sunt:
21
2
2
1 2
1
2
( ) (c ) 2( ) 2 (c )
( ) ( )
ln2
Cd Cd eCd e Cd
Cd c Cd c
RT cEF c
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
28/33
Caracteristicile funcionale ale pilelor electrice
1) Tensiunea electromotoare (t.e.m)a unui baterii Eb se obine prinsuma tensiunilor electromotoare ale celulelor galvanice individualelegate n serie:
Eb= nE sau (1)
unde: nreprezint numrul elementelor galvanice identice cealctuiesc bateria, iar
n cursul generrii de curent are loc o deviere de la valoare calculat
pe cale termodinamic astfel c la borne tensiunea este mai mic:
(2) unde Epreprezint tensiunea de polarizare
E
pb EEE
1
n
b
i
E E
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
29/33
2. Rezistena interntotalrireprezintrezistenaelectricopusde pilla trecerea curentului:
pi rrr 0
(3)
unde:r0suma rezistenelor electrice a electrozilor i electrolitului n circuit
inchis (i=0)rprezistena de polarizare ce este condiionat de trecerea curentului
care modific potenialul electrozilor
d
ppI
Er
unde Eptensiunea de polarizare, Id- curentul de descrcare. Se obine:
d
pi
I
Err 0
(4)
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
30/33
3. Capacitatea pilelor electricereprezint cantitatea de materie activce se poate transforma prin reacii chimice redox de la electrozi n energie
chimic, fiind exprimat n Ah.
Capacitatea teoretic maximQTeste dat de cantitatea total desarcin eliberat n circuitul exterior de numrul total de moli oxidani la
trecerea unui curent Id ntr-un interval de timp:(5)
unde: - numrul de moli de reactant oxidaniz- numrul de electroni transferai.
Capacitatea nominalQnreprezint capacitatea practic ce se obine
prin descrcarea acumulatorului.
ox
t
dT zFNdtIQ 0
zF
tiNox
Cunoscnd valoarea curentului i timpul de descrcare se poate
calcula capacitatea acumulatorului:
( ) ( ) ( )f ft t
f
t t
Q I t dt I I t dt I t t (6)
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
31/33
4. Gradul de utilizare
dQ
M
m
unde: m - masa de substanaactiviniial; M - masa de substanaactivconsumat; Qdcapacitatea de descrcare
5. Puterea pilelor electrice
P= EbId
6. Autodescrcare (A) sau gradul de reducere al capacitiiacumulatorului reprezint pierderea iniial a capacitii pilei cndcircuitul este deschis. Acest proces este provocat de reaciile chimicenedorite ntre electrozi i soluiile de electrolit. Autodescrcarea se
evalueazcantitativ n procesele pierderii capacitiin 24 ore.
1001
21
tQ
QQA
(10)
(7)
(8)
(9)
unde:Q1i Q2 reprezint capacitile sursei nainte i dup descrcare;
tdurata de pstrare
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
32/33
7. Randamentul energeticse calculeaz cu relaia:
ti
id
td
dd
en
tEI
tEI
0
0
unde Edi Eireprezint tensiunea la borne n timpul descrcrii respectiv ncrcrii
8. Entalpia liber a unei pilese calculeaz cu relaia:
oG zFE
Et.e.m;z- numrulde electroni n reaciade la anod ila catod;F-cifra lui Faraday F = 96500As.
(10)
(11)
9.Lucru mecanic al unei pilese calculeaz cu relaia:
L zFE (12)
7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015
33/33
Bibliografie
B. Popescu, M.D. Ionita, Chimie, Ed. Matrix Rom, 2005 C.Pirvu, Chimie general- noiuni fundamentale, Ed. Printech,
2009 E. Jurconi, B. Popescu, C. Nicolescu, D. Ionescu, Probleme de
chimie general, Ed. Printech 2000; P. W. Atkins, Julio de Paula, Tratat de Chimie Fizic, Ed. Agir
2005; E. Jurconi, C. Nicolescu, Chimie Generala. Profil tehnic, Ed.Printech 2000;