Wioleta Korniak

Zadanie 2

Wyznaczanie stałych równania Tafela

Wstęp teoretyczny:

Równanie Tafela wynika z faktu, iż najważniejszym etapem procesu elektrodowego jest etap przeniesienia ładunku pomiędzy substratem a elektrodą metaliczną. Ważne jest więc określenie szybkości tego procesu. Szybkość procesu elektrodowego v mierzymy za pomocą gęstości prądowej i:

gdzie n oznacza liczbę elektronów biorącą udział w reakcji elektrodowej, a F stałą Far. Po wprowadzeniu pojęcia nadnapięcia η, które oznacza różnicę potencjałów elektrody spolaryzowanej i elektrody odwracalnej, które ma postać:

mamy:

gdzie α oznacza współczynnik przejścia, a
. Nadnapięcie η zależy od procesu przenoszenia ładunku i nazywane jest nadnapięciem aktywacyjnym. Dla procesu katodowego η_k<0 oraz i_k>0, natomiast dla procesu anodowego η_a>0 oraz i_a<0. Jeżeli η_k<0. Stąd gęstość prądowa opisywana będzie wzorem:

Po zlogarytmowaniu powyższego równania otrzymujemy postać:

Podstawiając do równania wartości:
oraz
otrzymujemy równanie:

Równanie to nazywa się równaniem Tafela dla procesu katodowego. Dla procesu anodowego gdzie, gdzie η_a>0, równanie przyjmuje postać:

Stałe a_k/a i b_k/a wyznacza się już bardzo łatwo sporządzając wykres zależności
. Otrzymujemy linię prostą, dzięki której można wyznaczyć poszukiwane stałe.

Obliczenia i zestawienie wyników:

Badanymi roztworami były CuSO₄ i kwas siarkowy.

Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli.

Dla badanych roztworów sporządzono wykresy zależności I = f(U) przy założeniu, że potencjał i prąd związane z procesem katodowym mają znaki „-„.

Wyznaczono potencjały rozkładowe badanych depolaryzatorów na elektrodzie platynowej.

Obliczono gęstość prądu J - wyniki obliczeń zestawiono w tabeli.

Z otrzymanych wyników sporządzono wykresy zależności η = f(lnJ).

Na podstawie sporządzonych wykresów wyznaczono stałe równania Tafela.

Dla roztworu CuSO₄

Równanie prostej ma postać η_k=-1,5723-0,1309lnJ, stąd

a = -1,5723V

b = -0,1309V

Ze znajomości wzoru opisującego nadpotencjał dla znacznej polaryzacji

Wyznaczono współczynnik przeniesienia ładunku dla procesu katodowego:

stąd

gdzie:

Uzyskana wartość współczynnika przeniesienia ładunku wynosi ά=0,0899

Gęstość prądu wymiany obliczono ze wzoru:

stąd

Uzyskana wartość gęstości prądu wymiany wynosi j₀=6,074*10^-6 A/m².

Otrzymane wyniki zestawiono w poniższej tabeli:

Roztwór	Potencjał rozkładowy [V]	Ładunek kationu z	Gęstość prądu wymiany J0 [A/m^2]	Współczynnik przeniesienia ładunku α
CuSO4	-1,2276	2	6,074·10^-6	0,0899

Dla roztworu H₂SO₄ przeprowadzono analogiczne obliczenia.

Równanie prostej ma postać η_k = - 1,7629 - 0,2191lnJ, stąd

a = -1,7629V

b = -0,2191V

ά = 0,1074

j₀ = 3,2033*10^-4A/m².

Otrzymane wyniki zestawiono w poniższej tabeli:

Roztwór	Potencjał rozkładowy [V]	Ładunek kationu z	Gęstość prądu wymiany J0 [A/m^2]	Współczynnik przeniesienia ładunku α
H2SO4	-1,2226	2	3,2033*10^-4	0,1074

Wnioski:

Celem powyższego ćwiczenia było wyznaczenie stałych równania Tafela. Na podstawie

uzyskanych wyników doświadczalnych uzyskane wartości stałych a i b wynoszą odpowiednio a = -1,5723 oraz b = -0,1309 dla roztworu CuSO₄ i a = -1,7629 oraz b = -0,2191 dla roztworu H₂SO₄. Na podstawie teorii dotyczącej kinetyki procesów elektrodowych wyznaczono gęstości progu wymiany oraz współczynniki przeniesienia ładunku. Uzyskane wyniki są zgodne z założeniami teoretycznymi.

6

Wybrane zagadnienia z elektrochemii

Pracownia

---