ĆWICZENIE NR 1

NADNAPIĘCIE WYDZIELANIA WODORU I TLENU

Zakres potencjałów w których mogą być prowadzone procesy elektrochemiczne w roztworach wodnych ograniczone od strony katodowej wydzielaniem wodoru a od strony anodowej wydzielaniem tlenu.

Odwracalny potencjał red-ox układu H₂/H₂O opisany jest równaniem:

a układu H₂O/O₂ równaniem:

gdzie:

E^#_H2 i E^#_O2 - potencjały standardowe wydzielania wodoru i tlenu [V]

R = 8.31
- stała gazowa,

T - temperatura absolutna [K],

F - 96500
- stała Faradaya,

[H⁺] - stężenie jonów wodorowych.

Dla warunków normalnych, po uwzględnieniu definicji pH, równania te sprowadzają się do łatwiejszych do zastosowania w obliczeniach form:

i

W praktyce aby wydzielić elektrochemicznie wodór należy spolaryzować elektrodę potencjałami bardziej ujemnymi niż E^#_H2 zaś aby zaobserwować wydzielanie tlenu potencjał badanej elektrody musi być większy od E^#_O2. Powodem tych zjawisk jest istnienie nadnapięć reakcji elektrodowych. Są one silnie uzależnione od rodzaju materiału elektrody, pH roztworu obecności środków powierzchniowo-czynnych, obecności jonów zdolnych do adsorpcji na powierzchni elektrody itd.

W niektórych procesach elektrochemicznych, gdzie wydzielanie wodoru i/lub tlenu jest procesem niekorzystnym korzystne jest stosowanie materiałów o dużych nadnapięciach tych reakcji. Z drugiej strony w elektrolizie wody, której celem otrzymanie wodoru i tlenu użycie materiałów o niskich nadnapięciach reakcji elektrodowych jest decydujące dla sprawności energetycznej procesu.

Ogólnie wartości nadnapięć wydzielania wodoru i tlenu definiuje się jako:

(5)

i

(6)

Według teorii Tafela nadnapięcie wydzielania zależne jest liniowo od logarytmu gęstości prądu i dla wydzielania wodoru i tlenu przyjmuje postacie:

(7)

i

(8)

gdzie:

a - stała zależna od materiału elektrody definiowana jako:

(dla wydzielania wodoru) (9)

lub

(dla wydzielania tlenu) (10)

b - stała związana z mechanizmami powstawania nadnapięć definiowana jako:

( dla wydzielania wodoru)

lub

(dla wydzielania tlenu)

j_k- gęstość prądu katodowego [ mA cm^-2]

j_a- gęstość prądu anodowego [ mA cm^-2]

Sposób graficznego wyznaczenia wartości
i
i nachylenia prostych Tafela pokazano na poniższym rysunku

Wykonanie ćwiczenia

• Zarejestrować woltamperogramy wydzielania wodoru i tlenu w funkcji liniowo zmieniającego się potencjału w zakresie zależnym od materiału elektrody i elektrolitu. Woltamperogramy rejestrować od 0 w kierunku ujemnym dla wydzielania wodoru a w kierunku dodatnim dla wydzielania tlenu. Orientacyjne wartości graniczne potencjałów do których należy rejestrować woltamperogramy zestawione sa w poniższej tabeli.

elektroda	elektrolit	Egraniczne / mV
				wydzielanie H2	wydzielanie O2
	Pt	H2SO4	-400	2000
		Na2SO4	-800	1800
		NaOH	-1200	800
	C	H2SO4	-1300	1900
		Na2SO4	-1800	1800
		NaOH	-2000	1300
	Al	H2SO4	-1200	----
		Na2SO4	-3000	----
		NaOH	----	----
	Ti	H2SO4	-1000	3200
		Na2SO4	-1900	1800
		NaOH	-2500	3000

Obsługę programu komputerowego sterującego elektronicznym analizatorem elektrochemicznym BAS 100 wyjaśni prowadzący.

• Zmierzyć za pomocą suwmiarki wymiary elektrod.

Opracowanie wyników

• Obliczyć powierzchnie badanych elektrod.

• Dla każdej elektrody i elektrolitu na jednym wykresie przedstawić woltamperogramy wydzielania wodoru i tlenu, przedstawiając na osi X potencjał względem elektrody wodorowej (NEW) a na osi Y gęstość prądu. Należy pamiętać, że w czasie trwania ćwiczenia woltamperogramy rejestrowane są względem elektrody kalomelowej, której potencjał wynosi +244 mV wzgl. NEW.

• Z wykresów graficznie wyznaczyć wartości potencjałów
  i
  oraz wartość parametrów „b” równań Tafela jako tangensy kątów α i β.

• Obliczyć pH stosowanych elektrolitów.

• Obliczyć wartość parametrów „a” równań Tafela, korzystając z równań 3 i 4 oraz 9 i 10.

• Uzyskane wyniki zsumować w Tabeli według wzoru:

elektroda	elektrolit	Parametry równania Tafela
				wydzielanie H2		wydzielanie O2
				a [mV]	b	a [mV]	b
	Pt	H2SO4
		Na2SO4
		NaOH
	C	H2SO4
		Na2SO4
		NaOH
	Al	H2SO4
		Na2SO4
		NaOH
	Ti	H2SO4
		Na2SO4
		NaOH