Ogniwo Daniella: ogniwo odwracalne jedno półogniwo to blaszka miedziana zanurzona w roztworze CuSO₄ (katoda, dodatni, redukcja), a drugie – elektroda cynkowa w roztworze ZnSO₄ (anoda, ujemny,utleniacz). połączone są kluczem elektrolitycznym, który umożliwia przepływ jonów między roztworami a jednocześnie nie pozwala roztworom mieszać się. Klucz elektrolityczny zapobiega gromadzeniu się ładunków na elektrodach.Kluczem elektrolitycznym może być: Przegroda porowata, pasek bibuły nasączony roztworem KCl, roztwór KCl w agar-agarze lub żelatynie.Reakcje w półogniwach: Zn Zn²⁺ + 2e anoda Cu²⁺ + 2e Cu katoda Reakcja sumaryczna: Zn + Cu²⁺ Zn²⁺ + Cu Wielkość przepływu prądu wyrażamy jako siłę elektromotoryczną ogniwa SEM. SEM = różnica potencjałów elektrochemicznych elektrod Potencjał pojedynczej elektrody E = praca przejścia jonu lub elektronu przez granicę faz metal-roztwór Potencjał ten obliczamy ze wzoru Nernsta. Na granicy faz metal-roztwór mamy następujący stan równowagi: Wzór NernstaE = E^o + (RT/nF) ln c E^o - potencjał normalny elektrody R - stała gazowa F - stała Faraday’a n - liczba elektronów oddanych lub pobranych przez metal c - stężenie molowe jonów metalu w roztworze Ogniwo Volty – najstarsze ogniwo skonstruowane w 1800 r.nieodwracalne Zapis procesów elektrodowych Anoda (-) Zn⁰ – 2e Zn²⁺ Katoda(+) 2H⁺ + 2e H₂↑ Sumarycznie Zn + H₂SO₄ ZnSO₄ + H₂ Suche ogniwo Leclanche’go – stosowane dziś w bateriach cynkowo-węglowych Przebieg procesów elektrodowych:Anoda (-) Zn⁰ – 2e Zn²⁺ Katoda(+) 2 NH₄⁺ + 2e 2 NH₃ + H₂⁰ H₂ + 2 MnO₂ Mn₂O₃ + H₂O 4 NH₃ + Zn²⁺ [Zn(NH₃)₄]²⁺ Depolaryzator MnO₂ – zapobiega gromadzeniu się wodoru i wzrostowi stężenia jonów Zn²⁺ przy anodzie. Ogniwo alkaliczne – jako zmodyfikowane ogniwo Leclanche’go Jest to bateria jednorazowego użytku – wynaleziona w 1959 r Anoda (-) sproszkowany cynk Zn Katoda (+) sproszkowany tlenek manganu(IV) MnO₂ Elektrolit: KOH Anoda(-) Zn + 2 OH^- Zn(OH)₂ + 2e Katoda(+) 2 MnO₂ + H₂O + 2e Mn₂O₃ + 2 OH^- Reakcja całkowita: 2 MnO₂ + H₂O + Zn Mn₂O₃ + Zn(OH)₂ Ogniwo Oxyride (od 2005 r) do MnO₂ na katodzie dodano oksowodorotlenek niklu(III) Ni(O)OH w celu polepszenia pojemności i długości życia. Ogniwo litowe Anoda (-) lit Li Katoda (+) sproszkowany FeS₂ i sproszkowany grafit C Katoda zanurzona w elektrolicie: jodek litu LiI i rozpuszczalnik organiczny Na rynku istnieje szereg baterii, w których anodą (-) jest lit, natomiast katodę (+) stanowią różne związki siarki lub manganu. Elektrolitem jest wodorotlenek sodu lub potasu nasączony rozpuszczalnikiem organicznym ogniwo fotowoltaiczne Urządzenia służące do bezpośredniej przemiany energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Wykorzystuje się specjalne półprzewodnikowe złącze, w którym następuje przemieszczenie ładunków elektrycznych pod wpływem fotonów. Akumulatory – ogniwa odwracalne akumulujące energię elektryczną Akumulator ołowiowy Anoda – płyty ołowiowe Katoda – płyty ołowiowe pokryte tlenkiem ołowiu(IV) PbO₂ Elektrolit – wodny roztwór kwasu siarkowego W czasie pobierania prądu akumulator działa jak ogniwo i powoli ulega rozładowaniu. Anoda(-) Pb – 2e Pb²⁺ Katoda(+) PbO₂ + 4H⁺ + 2e Pb²⁺ + H₂O Ładowanie Anoda(+) Pb²⁺ + 2e Pb Katoda(-) Pb²⁺ + 2 H₂O PbO₂ + 4 H⁺ + 2e Akumulator litowo-jonowy Elektrody: Anoda(-) wykonana z grafitu(C) Katoda(+) mieszanina tlenku litu i tlenków innych metali Elektrolit: złożone sole litowe w mieszaninie organicznych rozpuszczalników (środowisko bezwodne ze względu na dużą reaktywność litu). Zastosowanie: jedna z najbardziej popularnych baterii w sprzęcie elektronicznym. Duże pakiety akumulatorów – w pojazdach elektrycznych. W czasie pracy (rozładowania) ogniwa jony litu Li⁺ wędrują od anody do katody, w czasie ładowania od katody do anody. Akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy Anoda(-): stop wielu metali przejściowych (tytan, wanad, cyrkon, chrom, kobalt) i niklu, w których zmagazynowany jest wodór w postaci wodorków metali. Katoda(+): wodoronadtlenek niklu Ni(O)OH Elektrolit: KOH (wodny roztwór)(H₂O, OH^-) Zastosowanie: aparaty fotograficzne, telefony komórkowe, samochody o napędzie elektrycznym i hybrydowym. Reakcje w czasie pracy (rozładowania) ogniwa: Anoda(-) MH + OH^- M + H₂O + e (MH – stop metali magazynujący wodór) Katoda(+) Ni(O)OH + H₂O + e Ni(OH)₂ + OH^- Po rozładowaniu ogniwo ładuje się podłączając do prądu. Zachodzą reakcje odwrotne do tych w czasie pracy ogniwa: Anoda(+) M + H₂O + e MH + OH^- Katoda(-) Ni(OH)₂ + OH^- Ni(O)OH + H₂O + e Napięcie rozkładowe – najmniejsze napięcie konieczne do wywołania elektrolizy. Degradacja środowiskowa materiałów – degradacja mikrostruktury i właściwości materiałów w wyniku działania naprężeń, agresywnych chemicznie środowisk, temperatury i czasu. Korozja metali – niszczenie metali pod wpływem chemicznego lub elektrochemicznego działania środowiska. Korozja chemiczna – korozja w suchych gazach i nieelektrolitach. Bezpośredni atak czynnika korozyjnego na metal/ stop Korozja elektrochemiczna - korozja w wilgotnych gazach i elektrolitach – polega na tworzeniu lokalnych mikroogniw na powierzchni metalu. Elektrolit w mikroogniwach powstaje przez rozpuszczenie w wodzie tlenu, dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, tlenków azotu. Rdza – głównym składnikiem jest uwodniony tlenek żelaza 2Fe₂O₃•3H₂O. Ochrona przed korozją: Malowanie, galwaniczne pokrywanie metalu cienką warstwą cynku. Cynk jest bardziej elektroujemny niż żelazo, dlatego będzie anodą. Zn Zn_aq²⁺ + 2e Żelazo nie będzie ulegało rozpuszczeniu. Ochrona katodowa – podłączenie zewnętrznej anody, inaczej płyty zwanej protektorem. Napięcie powierzchniowe – zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą, dzięki któremu powierzchnia zachowuje się jak sprężysta błona. Przyczyną istnienia napięcia powierzchniowego są siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami cieczy. Zjawisko kapilarne - menisk wody w rurce szklanej jest wklęsły (woda dobrze zwilża szkło) i słup cieczy jest podnoszony na wysokość zależną od jej średnicy, menisk rtęci w rurce szklanej jest wypukły (rtęć nie zwilża szkła) i jest obniżany w porównaniu z powierzchnią cieczy swobodnej, Grunt może działać jak ogromna ilość naczyń kapilarnych. Dzięki istnieniu takich kapilar woda podnosi się ponad poziom wody podziemnej. Przepływ krwi przez naczynia włosowate Przepływ wody w naczyniach roślin - zjawiska kapilarne umożliwiają rośnięcie drzew na wysokość większą niż 10m (bez zjawiska kapilarnego słup wody w naczyniach ulegałby przerwaniu). Surfaktantami są najczęściej cząsteczki posiadające polarną głowę (np. spolaryzowane Grupy funkcyjne ulegające w roztworze jonizacji) oraz niepolarny ogon (np. łańcuch alifatyczny). Adsorpcja -to proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych, powodujący lokalne zmiany stężenia.np. pochłanianie zapachow przez filtrewglowy. Zastosowanie: suszenie rozpuszczalnikow, chromatografia Absorpcja – proces wnikania do wnętrza fazy cząsteczek, atomów lub jonów.np. rozpuszczanie gazow. Adsorpcja i absorpcja razem nazywają się sorpcja. Proces odwrotny do sorpcji to desorpcja Punkt potrójny – takie ciśnienie i temperatura, w których istnieją obok siebie 3 fazy. Punkt krytyczny – taka wartość ciśnienia i temperatury, powyżej których substancja staje się płynem nadkrytycznym W punkcie krytycznym zanika różnica gęstości między fazą ciekłą a gazową danej substancji, więc w stanie nadkrytycznym nie istnieje granica między cieczą a gazem Reakcja egzotermiczna – przepływ energii z układu do otoczenia Reakcja endotermiczna – przepływ energii z otoczenia do układu Entalpia H – suma energii wewnętrznej i pracy objętościowej