| Imię I nazawisko: | Monika Gąsiorek |
|---|---|
| Kierunek: | Metalurgia |
| Rok: | III |
| Grupa: | 2 |
| Zespół: | 1 |
| Data wykonania ćwiczenia: | 8.12.2009 |
| Temat ćwiczenia: | Nadnapięcie wydzielania wodoru na metalach. |
1. Wstęp teoretyczny.
Każdej elektrodzie, na której przebiega reakcja elektrochemiczna typu: xOx + ze ↔y Red, gdzie Ox to substancja utleniona, a Red zredukowana, odpowiada określona wartość potencjału równowagowego. W przypadku gdy jeden z reagentów (Red lub Ox) jest gazem, wówczas elektrodę nazywa się elektrodą gazową. Najbardziej znaną elektrodą gazową jest elektroda wodorowa. Stanowi ją blaszka platynowa pokryta czernią platynową zanurzona w roztworze zawierającym jony H+ i omywana gazowym wodorem.
Potencjał standardowy elektrody wodorowej jest przyjęty umownie jako równy zero ( jest to tzw. normalna elektroda wodorowa NEW, dla której aH+=1 i pH2=1 atm w temperaturze298K). W przypadku włączenia elektrody w obwód prądowy, jej potencjał można zmieniać w szerokim zakresie. W tych warunkach elektroda ulega polaryzacji, a różnicę między potencjałem elektrody E1 (przez którą płynie prąd o gęstości i) a potencjałem równowagowym E0 nazywa się nadnapięciem η.
Reakcje elektrodowe są reakcjami wieloetapowymi, a sumaryczne reakcje elektrodowe nie oddają rzeczywistego mechanizmu procesu. Jeśli etapem powolnym procesu jest: Reakcja elektrodowa przebiegająca na granicy fazowej przewodnik elektronowy-elektrolit mówi się o nadnapięciu aktywacyjnym. Jęśli etapem powolnym jest transport jonu do granicy fazowej przez warstwę dyfuzyjną mówi się o nadnapięciu dyfuzyjnym.
Wartość potencjału, przy którym zachodzi wydzielanie się wodoru zależy m.in. od rodzaju metalu i stanu powierzchni. Różnica między tym potencjałem a potencjałem równowagowym nosi nazwę nadnapięcia wydzielania wodoru. Jest ono silnie związane z wartościami prądów wymiany elektrody na poszczególnych metalach- nadnapięcie osiąga znaczne wartości przy małych prądach wymiany. Nadnapięcie wydzielania wodoru zależy od wielu czynników, takich jak: gęstość prądu, temperatura, ciśnienie, metal podłoża, jakość powierzchni podłoża czy pH.
2.Wyniki pomiarów i dyskusja wyników.
| Natężenie | Gęstość prądu | Logarytm gęstości prądu | Rożnica potencjalów: elektroda badana-elektroda odniesienia NEK | Potencjał elektrody wzgl. NEW | Polaryzacja elektrody |
|---|---|---|---|---|---|
| I [mA] | iK [A*dm-2] | log iK | EK(NEK) [mV] | EK [mV] | ηK=EK-Ei=0 [mV] |
Metal Cu/roztwór H2SO4/Pb Powierzchnia katody: SK=0,0308[dm2]; Temperatura: 20ºC; Mieszanie: TAK |
|||||
| 0 | 0 | 654 | 899,3 | 0 | |
| 6,16 | 0,2 | -0,69897 | 711 | 956,3 | 57 |
| 9,24 | 0,3 | -0,52288 | 732 | 977,3 | 77 |
| 12,32 | 0,4 | -0,39794 | 748 | 993,3 | 94 |
| 15,4 | 0,5 | -0,30103 | 762 | 1007,3 | 108 |
| 21,56 | 0,7 | -0,1549 | 779 | 1024,3 | 125 |
| 30,8 | 1 | 0 | 797 | 1042,3 | 143 |
| Natężenie | Gęstość prądu | Logarytm gęstości prądu | Rożnica potencjalów: elektroda badana-elektroda odniesienia NEK | Potencjał elektrody wzgl. NEW | Polaryzacja elektrody |
|---|---|---|---|---|---|
| I [A] | iK [A*dm-2] | log iK | EK(NEK) [mV] | EK [mV] | ηK=EK-Ei=0 [mV] |
Metal Zn/roztwór H2SO4/Pb Powierzchnia katody: SK=0,0312[dm2]; Temperatura: 20ºC; Mieszanie: TAK |
|||||
| 0 | 0 | 405 | 650,3 | 0 | |
| 0,3 | 0,01 | -2 | 474 | 719,3 | 69 |
| 6,16 | 0,2 | -0,69897 | 800 | 1045,3 | 395 |
| 9,24 | 0,3 | -0,52288 | 966 | 1211,3 | 561 |
| 12,32 | 0,4 | -0,39794 | 970 | 1215,3 | 565 |
| 15,4 | 0,5 | -0,30103 | 974 | 1219,3 | 569 |
| 21,5 | 0,7 | -0,1549 | 986 | 1231,3 | 581 |
| 30 | 1 | 0 | 1003 | 1248,3 | 598 |
| 77 | 2,5 | 0,39794 | 1092 | 1337,3 | 687 |
| 154 | 4,9 | 0,690196 | 1145 | 1390,3 | 740 |
| 231 | 7,4 | 0,869232 | 1175 | 1420,3 | 770 |
| 308 | 9,9 | 0,995635 | 1189 | 1434,3 | 784 |
| Natężenie | Gęstość prądu | Logarytm gęstości prądu | Rożnica potencjalów: elektroda badana-elektroda odniesienia NEK | Potencjał elektrody wzgl. NEW | Polaryzacja elektrody |
|---|---|---|---|---|---|
| I [A] | iK [A*dm-2] | log iK | EK(NEK) [mV] | EK [mV] | ηK=EK-Ei=0 [mV] |
Metal Fe/roztwór H2SO4/Pb Powierzchnia katody: SK=0,0308[dm2]; Temperatura: 20ºC; Mieszanie: TAK |
|||||
| 0 | 0 | 354 | 599,3 | 0 | |
| 6,16 | 0,2 | -0,69897 | 400 | 645,3 | 46 |
| 9,24 | 0,3 | -0,52288 | 403 | 648,3 | 49 |
| 12,32 | 0,4 | -0,39794 | 408 | 653,3 | 54 |
| 15,4 | 0,5 | -0,30103 | 414 | 659,3 | 60 |
| 21,56 | 0,7 | -0,1549 | 423 | 668,3 | 69 |
| 30,08 | 1 | 0 | 432 | 677,3 | 78 |
| 77 | 2,5 | 0,39794 | 448 | 693,3 | 94 |
| 154 | 5 | 0,69897 | 456 | 701,3 | 102 |
| 231 | 7,5 | 0,875061 | 470 | 715,3 | 116 |
| 308 | 10 | 1 | 489 | 734,3 | 135 |
| Natężenie | Gęstość prądu | Logarytm gęstości prądu | Rożnica potencjalów: elektroda badana-elektroda odniesienia NEK | Potencjał elektrody wzgl. NEW | Polaryzacja elektrody |
|---|---|---|---|---|---|
| I [A] | iK [A*dm-2] | log iK | EK(NEK) [mV] | EK [mV] | ηK=EK-Ei=0 [mV] |
Metal Pb/roztwór H2SO4/Pb Powierzchnia katody: SK=0,0308[dm2]; Temperatura: 20ºC; Mieszanie: TAK |
|||||
| 0,00 | 0 | 204 | 449,3 | 0 | |
| 0,30 | 0,01 | -2 | 285 | 530,3 | 81 |
| 6,16 | 0,2 | -0,69897 | 406 | 651,3 | 202 |
| 9,24 | 0,3 | -0,52288 | 480 | 725,3 | 276 |
| 12,32 | 0,4 | -0,39794 | 509 | 754,3 | 305 |
| 15,40 | 0,5 | -0,30103 | 513 | 758,3 | 309 |
| 21,56 | 0,7 | -0,1549 | 531 | 776,3 | 327 |
| 30,08 | 1,0 | 0 | 546 | 791,3 | 342 |
| 77,00 | 2,5 | 0,39794 | 1230 | 1475,3 | 1026 |
| 154,00 | 5,0 | 0,69897 | 1344 | 1589,3 | 1140 |
| 231,00 | 7,5 | 0,875061 | 1398 | 1643,3 | 1194 |
| 308,00 | 10,0 | 1 | 1419 | 1664,3 | 1215 |
Przykłady obliczeniowe:
1. Gęstość prądu:
$$i_{K} = \frac{I}{S_{K}} = \frac{0,00616}{0,0308} = 0,2\lbrack\frac{A}{\text{dm}^{2}}\rbrack$$
log iK= log (0,2)= -0,69897
3. Potencjał elektrody względem NEW:
EK = EK (NEK) + E0 (NEK) = 285+ [241,5-0,76(t0- 25)= 285+245,3= 530,3 [mV]
4. Polaryzacja elektrody:
ηK=EK-Ei=0 [mV] = 530,3-449,3= 81 [mV]
Wykres pierwszy przedstawia zależność gęstości prądu od potencjału elektrody względem NEW. Widać, że zraz ze wzrostem gęstości prądu wzrasta potencjał elektrody, przy czym najmniejszy wzrost jest z przypadku miedzi, co jest spowodowane przeprowadzeniem najmniejszej ilości pomiarów. Potencjał wzrasta na początku pomiarów bardzo powoli, po czym następuje coraz szybszy jego wzrost. Największy potencjał przy tych samych gęstościach prądu otrzymaliśmy dla ołowiu i wynosi on 1664 [mV], nieco mniejszy dla cynku 1434,3 [mV] a najmniejszy dla żelaza 734,3 [mV].
Drugi wykres przedstawia polaryzację elektrody w funkcji logarytmu z gęstości prądu. Wraz ze wzrostem tego logarytmu rośnie polaryzacja. Największe wartości polaryzacji zostały uzyskane dla ołowiu i współczynnik b w równaniu Tafela wynosi 462,9. Nieco mniejszą wartość polaryzacji elektrody uzyskano dla cynku i współczynnik b wynosi w tym przypadku 230,8. Trzecim z kolei pierwiastkiem jest miedź i b=30,34, natomiast ostatni pierwiastek którego polaryzacja elektrody jest najmniejsza to żelazo którego współczynnik b jest równy 49,06.
4. Wnioski.
Wraz ze wzrostem gęstości prądu wzrasta potencjał elektrody względem NEW,
Dla różnych metali nadnapięcie wydzielania wodoru jest inne, w zależności od metalu następuję silna zmiana nadnapięcia.