17: Electrochemistry (Điện hóa học)
- Page ID
- 217874
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)Điện hóa học đề cập đến các phản ứng hóa học tạo ra điện và những thay đổi liên quan đến sự truyền dòng điện qua vật chất. Các phản ứng liên quan đến sự chuyển điện tử, và do đó chúng là phản ứng oxy hóa-khử (hoặc oxy hóa khử). Nhiều kim loại có thể được tinh chế hoặc mạ điện bằng phương pháp điện hóa. Các thiết bị như ô tô, điện thoại thông minh, máy tính bảng điện tử, đồng hồ, máy tạo nhịp tim và nhiều thiết bị khác sử dụng pin để cung cấp năng lượng. Pin sử dụng các phản ứng hóa học tạo ra điện một cách tự nhiên và có thể được chuyển đổi thành công việc hữu ích. Tất cả các hệ thống điện hóa liên quan đến việc chuyển các electron trong một hệ thống phản ứng. Trong nhiều hệ thống, các phản ứng xảy ra trong một vùng được gọi là tế bào, nơi sự chuyển điện tử xảy ra ở các điện cực.
- 17.1: Đánh giá về Hóa học oxy hóa khử
- Một dòng điện bao gồm điện tích chuyển động. Điện tích có thể ở dạng electron hoặc ion. Dòng điện chạy qua một đường tròn không bị gián đoạn hoặc khép kín được gọi là mạch. Dòng điện chạy qua môi trường dẫn điện là kết quả của sự khác biệt về điện thế giữa hai điểm trong mạch. Tiềm năng điện có đơn vị năng lượng trên mỗi lần sạc. Trong đơn vị SI, điện tích được đo bằng coulombs (C), dòng điện tính bằng ampe và điện thế tính bằng vôn.
- 17.2: Tế bào Galvanic
- Tế bào điện hóa thường bao gồm hai nửa tế bào. Các nửa tế bào tách nửa phản ứng oxy hóa khỏi phản ứng nửa khử và làm cho dòng điện có thể chạy qua một dây bên ngoài. Một nửa tế bào chứa cực dương. Quá trình oxy hóa xảy ra ở cực dương. Cực dương được kết nối với cực âm trong nửa tế bào khác. Sự khử xảy ra ở cực âm. Thêm một cầu muối hoàn thành mạch cho phép dòng điện chạy qua.
- 17.3: Điện cực và tiềm năng tế bào
- Việc gán điện thế của điện cực hydro tiêu chuẩn (SHE) là không vôn cho phép xác định thế khử tiêu chuẩn, E°, cho các nửa phản ứng trong tế bào điện hóa. Như tên của nó, thế khử tiêu chuẩn sử dụng trạng thái chuẩn (1 bar hoặc 1 atm đối với chất khí; 1 M đối với chất tan, thường ở 298,15 K) và được viết dưới dạng khử (trong đó các electron xuất hiện ở phía bên trái của phương trình).
- 17.4: Tiềm năng, năng lượng tự do và trạng thái cân bằng
- Công điện là âm của tích của tổng điện tích (Q) và điện thế tế bào (Ecell). Tổng điện tích có thể được tính bằng số mol electron (n) nhân với hằng số Faraday (F = 96.485 C/mol e−). Công việc điện là công việc tối đa mà hệ thống có thể tạo ra và do đó bằng với sự thay đổi năng lượng tự do. Do đó, bất cứ điều gì có thể được thực hiện với hoặc thay đổi năng lượng tự do cũng có thể được thực hiện đối với hoặc với tiềm năng tế bào.
- 17.5: Pin và pin nhiên liệu
- Pin là các tế bào điện, hoặc một loạt các tế bào, tạo ra một dòng điện. Khi các tế bào được kết hợp thành pin, tiềm năng của pin là bội số nguyên của điện thế của một ô. Có hai loại pin cơ bản: chính và phụ. Pin chính là “sử dụng một lần” và không thể sạc lại. Tế bào khô và (hầu hết) pin kiềm là những ví dụ về pin chính. Loại thứ hai có thể sạc lại và được gọi là pin thứ cấp.
- 17.6: Ăn mòn
- Ăn mòn là sự xuống cấp của kim loại gây ra bởi một quá trình điện hóa. Một khoản tiền lớn được chi tiêu mỗi năm để sửa chữa các tác động của hoặc ngăn chặn sự ăn mòn. Một số kim loại, chẳng hạn như nhôm và đồng, tạo ra một lớp bảo vệ khi chúng ăn mòn trong không khí. Lớp mỏng hình thành trên bề mặt kim loại ngăn oxy tiếp xúc với nhiều nguyên tử kim loại hơn và do đó “bảo vệ” kim loại còn lại khỏi bị ăn mòn thêm. Sắt ăn mòn (hình thành rỉ sét) khi tiếp xúc với wate
- 17.7: Điện phân
- Sử dụng điện để buộc một quá trình không tự phát xảy ra là điện phân. Tế bào điện phân là tế bào điện hóa có điện thế tế bào âm (có nghĩa là năng lượng tự do Gibbs dương), và do đó không tự phát. Quá trình điện phân có thể xảy ra trong các tế bào điện phân bằng cách đưa vào một nguồn cung cấp năng lượng, cung cấp năng lượng để buộc các electron chảy theo hướng không tự phát. Quá trình điện phân được thực hiện trong các dung dịch, chứa đủ ion để dòng điện có thể chạy qua.
- Bài tập
- Đây là những bài tập về nhà để đi kèm với Textmap được tạo cho “Hóa học” bởi OpenStax. Các ngân hàng câu hỏi Hóa học đại cương bổ sung có thể được tìm thấy cho các Textmaps khác và có thể được truy cập tại đây. Ngoài những câu hỏi có sẵn công khai này, quyền truy cập vào ngân hàng vấn đề riêng tư để sử dụng trong các kỳ thi và bài tập về nhà chỉ dành cho giảng viên trên cơ sở cá nhân; vui lòng liên hệ với Delmar Larsen để có tài khoản có quyền truy cập.