zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Tài Liệu Phổ Thông

» Ôn thi ĐH-CĐ

Chuyên đề Điện phân - GV. Trần Trọng Bình

Chia sẻ: Trantrongbinh Binh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:30

Báo xấu

150
lượt xem 34
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chuyên đề Điện phân do GV. Trần Trọng Bình thực hiện giúp các bạn nắm bắt được những kiến thức và hướng giải bài tập về điện phân; nguồn điện hóa học; ăn mòn và bảo vệ ăn mòn kim loại. Với các bạn đang học và ôn thi Đại học - Cao đẳng môn Hóa thì đây là tài liệu hữu ích.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chuyên đề Điện phân - GV. Trần Trọng Bình

GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 PHẦN I CHUYÊN ĐỀ ĐIỆN PHÂN I KHÁI NIỆM VÀ CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN 1. Khái niệm. Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li. Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học 2. Cơ chế của quá trình điện phân. Cation (+) di chuyển về phía catot xảy ra quá trình khử Anion () di chuyển về phía anot xảy ra quá trình oxi hóa Cực âm () Catot Cực dương (+) Anot Fe3+ ; Cu2+ ; Zn2+ S2 ; Cl ; Br ; I Fe3+ + 1e  Fe2+ S2 2e  S Cu2+ + 2e  Cu 2I 2e  I2 Fe2+ + 2e  Fe 2Br 2e  Br2 Zn2+ + 2e  Zn 2Cl 2e  Cl2 Dưới tác dụng của điện trường các cation chuyển dời về phía catot,còn các anion chuyển về phía anot của điện cực. tại catot xảy ra quá trình khử: cation nào có tính oxi hóa mạnh nhất sẽ nhận electron của nguồn điện trước. tại anot xảy ra quá trình oxi hóa: anion nào có tính khử mạnh hơn sẽ nhường electron cho nguồn điện trước. Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot), tại đó xảy ra phản ứng trên các điện cực (sự phóng điện) Tại catot xảy ra quá trình khử cation (Mn+ + ne → M) còn tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion (Xn → X + ne) Người ta phân biệt: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch chất điện li trong nước, điện phân dùng điện cực dương tan. II – SỰ ĐIỆN PHÂN CÁC CHẤT ĐIỆN LI 1. Điện phân chất điện li nóng chảy Nguyên tắc: Trong thực tế, người ta thường tiến hành điện phân những hợp chất (muối, bazơ, oxit),áp dụng đối với MCln, M(OH)n và Al2O3 (M là kim loại nhóm IA và IIA) nóng chảy của các kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Ba, Ca, Mg, Al (các kim loại mạnh tử Al trở về trước trong dãy thế điện cực). Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) NaCl Anot ( + ) 2| Na+ + e → Na 2Cl → Cl2 + 2e Phương trình điện phân là: 2NaCl 2Na + Cl2 Cần có màng ngăn không cho Cl2 tác dụng trở 1
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 lại với Na ở trạng thái nóng chảy làm giảm hiệu suất của quá trình điện phân. Một số chất phụ gia như NaF, KCl giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hệ… Ví dụ 2: Điện phân NaOH nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) NaOH Anot ( + ) 4| Na + 1e → Na 4OH → O2 + 2H2O + 4e + Phương trình điện phân là: 4NaOH 4Na + O2 + 2H2O Ví dụ 3: Điện phân Al2O3 nóng chảy pha thêm criolit (Na3AlF6) có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) Al2O3 Anot ( + ) 4| Al + 3e → Al 3| 2O2 → O2 + 4e 3+ Phương trình điện phân là: 2Al2O3 4Al + 3O2 Criolit (Na3AlF6) có vai trò quan trọng nhất là làm giảm nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 từ 2050oC xuống khoảng 900oC, ngoài ra nó còn làm tăng độ dẫn điện của hệ và tạo lớp ngăn cách giữa các sản phẩm điện phân và môi trường ngoài. Anot làm bằng than chì thì điện cực bị ăn mòn dần do chúng cháy trong oxi mới sinh: C + O2 CO2 và 2C + O2 2CO  phương pháp này dùng để điều chế Al trong công nghiệp từ quặng Al2O3.nH2O 2. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước Trong sự điện phân dung dịch, ngoài các ion do chất điện li phân li ra còn có các ion H+ và OH của nước. Do đó việc xác định sản phẩm của sự điện phân phức tạp hơn. Tùy thuộc vào tính khử và tính oxi hóa của các ion có trong bình điện phân mà ta thu được những sản phẩm khác nhau. Ví dụ khi điện phân dung dịch NaCl, các ion Na+, H+(H2O) chạy về catot còn các ion Cl, OH (H2O) chạy về anod. Ion nào trong số chúng sẽ phóng điện ở các điện cực. Cơ sở để giải quyết vẫn đề này là dựa vào các giá trị thế oxi hóa – khử của các cặp. Trong quá trình điện phân, trên catot diễn ra sự khử. Vì vậy khi có nhiều dạng oxi hóa thì trước hết dạng oxi hóa của cặp có thế lớn hơn sẽ bị khử trước. Ngược lại trên anot sẽ diễn ra sự oxi hóa dạng khử của cặp có thế oxi hóa – khử nhỏ nhất trước. a) Khả năng phóng điện của các cation ở catot: Ở catot có thể xảy ra các quá trình khử sau đây: Mn+ + ne → M 2H+(axit) + 2e → H2 Hoặc ion hiđro của nước bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OH Dạng oxi hóa của những cặp có thế càng lớn càng dễ bị khử. Theo dãy thế oxi hóa – khử thì khả năng bị khử của các ion kim loại như sau: Các cation từ Zn2+ đến cuối dãy Hg2+, Cu2+, Fe3+, Ag+…dễ bị khử nhất và thứ tự tăng dần Từ Al3+ đến các ion đầu dãy Na+, Ca2+, K+…không bị khử trong dung dịch Các ion H+ của axit dễ bị khử hơn các ion H+ của nước b) Khả năng phóng điện của các anion ở anot: Ở anot xảy ra quá trình oxi hóa các anion gốc axit như Cl, S2…hoặc ion OH của bazơ kiềm hoặc nước 2
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 2Cl → Cl2 + 2e 4OH → O2 + 2H2O + 4e Hoặc ion OH của nước bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e Dạng khử của những cặp có thế oxi hóa – khử càng nhỏ càng dễ bị oxi hóa. Theo dãy thế oxi hóa – khử thì khả năng bị oxi hóa của các anion như sau: Các anion gốc axit không chứa oxi dễ bị oxi hóa nhất theo thứ tự: ….S2– > I– > Br– > Cl– > RCOO– > OH– > H2O Các anion gốc axit như NO3, SO42, PO43, CO32, ClO4…không bị oxi hóa Riêng các ion OH của kiềm hoặc của nước khó bị oxi hóa hơn các ion S2, I, Br, Cl… Nếu khi điện phân không dùng các anot trơ như graphit, platin (Pt) mà dùng các kim loại như Ni, Cu, Ag…thì các kim loại này dễ bị oxi hóa hơn các anion vì thế oxi hóa – khử của chúng thấp hơn, và do đó chúng tan vào dung dịch (anot tan) c) Một số ví dụ: Ví dụ1: Điện phân dung dịch CuCl2 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) CuCl2 Anot ( + ) Cu + 2e Cu 2Cl Cl2 + 2e 2+ Phương trình điện phân là: CuCl2 Cu + Cl2 Ví dụ 2: Điện phân dung dịch K2SO4 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot (–) K2SO4 Anot (+) + H2O, K (H2O) H2O, SO42 2| 2H2O + 2e H2 + 2OH 2H2O O2 + 4H+ + 4e Phương trình điện phân là: 2H2O 2H2 + O2 Ví dụ 3: Điện phân dung dịch NaCl bão hòa với điện cực trơ có màng ngăn có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) NaCl Anot ( + ) H2O, Na (H2O) Cl, H2O + 2H2O + 2e H2 + 2OH 2Cl Cl2 + 2e Phương trình điện phân là: 2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2 + Cl2 Nếu không có màng ngăn thì: Cl2 + 2NaOH NaCl + NaClO + H2O nên phương trình điện phân là: NaCl + H2O NaClO + H2 Ví dụ 4: Điện phân dung dịch NiSO4 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) NiSO4 Anot ( + ) Ni , H2O (H2O) H2O, SO42 2+ 2| Ni2+ + 2e Ni 2H2O O2 + 4H+ + 4e Phương trình điện phân là: 2NiSO4 + 2H2O 2Ni + 2H2SO4 + O2 Ví dụ 5: Điện phân dung dịch NiSO4 với anot bằng Cu có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) NiSO4 Cu ( + ) Ni , H2O (H2O) H2O, SO42 2+ Ni2+ + 2e Ni Cu Cu2+ + 2e Phương trình điện phân là: NiSO4 + Cu CuSO4 + Ni Điện phân dung dịch CuSO4 với anot bằng Cu (như hình vẽ sau đây): Ở catot ( – ): Cu2+(dd) + 2e Cu làm giảm nồng độ ion Cu2+ ở 3
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 bên nhánh trái của ống chữ U Ở anot ( + ): Cu(r) Cu2+(dd) + 2e làm tăng nồng độ ion Cu2+ ở bên nhánh trái của ống chữ U và anot dần dần bị hòa tan Phương trình điện phân là: Cu(r) + Cu2+(dd) Cu2+(dd) + Cu(r) Vi dụ 6: Điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3, CuCl2 và HCl với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) FeCl3, CuCl2, HCl Anot ( + ) 3+ 2+ + Fe , Cu , H 2| Fe3+ + 1e Fe2+ Cu2+ + 2e Cu 2Cl Cl2 + 2e 2H+ + 2e H2 Fe2+ + 2e Fe Quá trình điện phân lần lượt xảy ra ở các điện cực là: 2FeCl3 2FeCl2 + Cl2 CuCl2 Cu + Cl2 2HCl H2 + Cl2 FeCl2 Fe + Cl2 III – ĐỊNH LUẬT FARADAY Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch và đương lượng của chất m = Trong đó: m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam) A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian điện phân (s) F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.1019.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol1) : đương lượng gam hóa học Biểu thức liên hệ: Q = I.t = 96500.ne ne = (ne là số mol electron trao đổi ở điện cực) Ví dụ: Điện phân 100 ml dung dịch NaCl với điện cực trơ có màng ngăn với cường độ dòng điện I = 1,93A. Dung dịch thu được sau khi điện phân có pH = 12. Biết thể tích dung dịch không đổi, clo không hòa tan trong nước và hiệu suất điện phân 100%. Thời gian tiến hành điện phân là: A. 50 s B. 60 s C. 100 s D. 200 s Giải: 4
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 pH = 12 [OH] = 102 nOH = 103 M Tại catot (–) xảy ra phản ứng: 2H2O + 2e H2 + 2OH ne = 103 mol t = = = 50 s hoặc mH2 = 103 gam t = = 50 s Đáp án A IV ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN PHÂN Sự điện phân có nhiều ứng dụng trong công nghiệp 1. Điều chế các kim loại: phương pháp điện phân nóng chảy: dùng để điều chế các kim loại có tính khử mạnh kể tử Al trở về Li trong dãy thế điện cực. phương pháp điện phân dung dịch: dùng để điều chế các kim loại có tính khử trung bình và yếu tử sau Al đến Au trong dãy thế điện cực. 2. Điều chế một số phi kim quan trọng như: H2, O2, F2, Cl2 3. Điều chế một số hợp chất như: NaOH, H2O2, nước Gia – ven 4. Tinh chế một số kim loại như Cu, Pb, Zn. Fe. Ag, Au… 5. Mạ điện Điện phân với anot tan cũng được dùng trong mạ điện, nhằm bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn và tạo vẻ đẹp cho vật mạ. Anot là kim loại dùng để mạ (như hình vẽ là vàng) còn catot là vật cần mạ (cái thìa). Lớp mạ thường rất mỏng, có độ dày từ 5.105 ÷ 1.103 cm Biên soạn, GV: TRẦN TRỌNG BÌNH PHẦN II NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC I NGU ỒN ĐIỆN HÓA HỌC Trong thực tế có rất nhiều con đường để có được năng lượng điện: nhiệt điện, thủy điện, năng lượg điện hạt nhân, nguồn điện hóa học, năng lượng mặt trời, sức gió…Phần năng lượng do nguồn điện hóa học cung cấp tuy không lớn lắm so với tổng năng lượng điện khai thác, song nó có ý nghĩa quan trọng. Hiệu suất chuyển hóa thành điện năng của nguồn điện hóa học cấp cao về mặt lý thuyết có thể đạt 90%. Sử năng lượng điện từ nguồn điện hóa học hạn 5
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 chế được sự ô nhiễm môi trường.Ngày nay nguồn điện hóa học đã thâm nhập vào cuộc sống hàng ngày của con người nguồn điện pin ắcquy được sủ dụng rộng rãi trong hoạt động của các thiết bị cũng như nhu cầu sống hằng ngày của con người. Nguồn điện hóa học được xem là thiết bị biến trực tiếp nặng lượng điện hóa học thành năng lượng điện. Trên cơ sở của các quá trình phản ứng oxi hóakhử xảy ra khác nhau trong các hệ điện hóa, người ta có thể tạo ra rất nhiều nguồn điện hóa học. Nhưng thực tế không phải tất cả các hệ điện hóa được tạo ra được xem là điện hóa. Để cho hệ điện hóa trở thành nguồn điện cần thõa mãn các yêu cầu sau: 1 Sức điện động E của nguồn phải lớn. Hệ điện hóa (pin hoặc ắcquy) có khả năng tạo ra sức điện động lớn về mặt nhiệt động học. Nếu E là sức điện động của hệ điện hóa (pin điện hóa), ∆H0 là hiệu ứng nhiệt của phản ứng trong pin. Khi sức điện động E được tính ∆H0 dE E = + T p ZF dT Z số electron tham gia phản ứng oxi hóakhử ∆H0 (biến thiên của sức điện động theo t0) hệ số nhiệt ZF 2 sức điện động phải ổn định trong quá trình làm việc, sự phân cực điện và sự sụt thế do điện trở trong phải nhỏ. Sự phân cực nhỏ tức là tức điện áp của nguồn làm việc phải có giá trị ít khác với sức điện động.sự giảm của sức điện động khi có dòng điện lưu thông là do sự phân cực điện cực và độ giảm ohm gây ra: U= (ᵠc ᵠa) – IRdd = (ᵠc,cb + ηc) ᵠa,cb + ηa – IRdd U= E + ηc ηa – Irdd Trong đó: U: điện áp ; ηa độ phân cực anot E : sức điện động ; ηc độ phân cực cacot ηc
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 Công suất riêng là năng lượng do nguồn điện cung cấp tính cho một đơn vị thời gian của một đơn vị thể tích hoặc khối lượng của nguồn điện hóa học. Công suất riêng phải lớn nhất trong một đơn vị thời gian để đạt được điều này phải dùng những điện cực xốp có diện tích tiếp xúc lớn giữa các điện cực và dung dịch. 5Khả năng tự phóng điện nhỏ nhất. Nguyên nhân của hiện tượng tự phóng điện là sự hình thành các pin ăn mòn có xuất xứ từ sự không đồng nhất của vật liệu làm điện cực hoăc các chất nhiễm có trong chất điện phân. Cho đến nay các nguồn điện năng được chế tạo dựa trên 5 tiêu chuẩn trên. Chúng được chia làm 3 loại: + Nguồn điện sơ cấp (pin ) + Nguồn điện thứ cấp (acquy ) + pin nhiên liệu. 6 Nguồn điện sơ cấp. Pin điện còn gọi là nguồn điện hóa học chuyển hóa năng thành điện năng. Loại nguồn điện này được chế tạo dựa trên cơ sở các phản ứng không thuận nghịch, các sản phẩm hình thành trong quá trình làm việc của pin không thể chuyển hóa trở lại thành các chất đầu và khi hết phát điện pin phải bỏ đi. 6.1 Pin vonta: Cấu tạo: gồm hai cực Zn và Cu được nhúng vào dung dịch H2SO4 loãng. Hoạt động của pin: Sơ đồ: ( ) Zn / H2SO4 / Cu (+ ) Tại cực âm, Zn bị oxi hóa và giải phóng e. Zn  Zn2+ + 2e Tại cực dương, H+ bị khử và giải phóng H2 (nhận e) 2H+ + 2e  H2 Sự tích tụ H2 xung quanh cực (+) đã tạo ra sự phân cực lớn trên điện cực. Khi đó các electron từ cực Zn di chuyển về phía cực Cu (nhận e) tạo ra sự chuyển dời có hướng thành dòngphát sinh dòng điện di chuyển từ cực (+) Cu sang cực () Zn,sự duy trì này cho tới khi cực Zn tan hết pin không còn sử dụng được nữa. 6.2 Pin leclanche. Để khắc phục tình trạng này cực dương là một cặp oxi hóakhử có thế cao hơn thế của cặp 2H+/H2. Điển hình của nguồn điện sơ cấp và được dùng phổ biến là pin leclanche (còn gọi là pin khô). Sơ đồ: () Zn/ NH4Cl / MnO2 + C / C (+) 1 2 3 4 5 6 Sơ đồ pin khô leclanche 1) Mũ đồng 2) C ực than graphit 7
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 3) Bao b ọc MnO 4 4) Dung d ịch NH 4Cl 5) V ỏ pin b ằng k ẽm 6) Gi ấy bao b ọc pin Pin này có suất điện động khoảng 1,51,8v. Để chế tạo pin khô người ta thêm vào dung dịch NH4Cl một ít tinh bột và một số muối khác CaCl2 , ZnCl2 , HgCl2.. Cặp oxi hóakhử của pin leclanche là: Zn2+/Zn, MnO2 / Mn2O3 . các phản ứng chính: () Zn  Zn2+ + 2e (+) 2MnO2 + 2H+ + 2e  Mn2O3.H2O Loại pin này được sử dụng rộng rãi như: pin con ó, con thỏ… Pin khô( pileclanche ) Điện dung: NH4Cl Anot : Zn Zn2+ + 2e Catot : MnO2 và C (khói đèn) 2NH4+ + 2MnO2 + 2e Mn2O3 + 2NH3 + 2H2O Thỏi than ở giữa chỉ có tác dụng dẫn điện. ppin leclanche được cai tiến nhiều lần chủ yếu nhằm bảo vệ chất hóa học của chất điện phân như ZnCl2; NH4Cl ở dạng keo nhão được thay bằng KOH do đó có loại pin kiềm. 6.3 pin kiềm. Sơ đồ: () Zn/ KOH/ HgO / C (+) Phản ứng cực : () Zn + 4OH  Zn(OH)24 + 2e (+) HgO + H2O  Hg + 2OH Phản ứng tổng hợp: Zn + HgO + KOH  K2ZnO2 + H2O + Hg Nó có suất điện động E= 1,34 V nhỏ hơn suất điện động của pin leclanche nhưng có công suất riêng lớn hơn. Pin kiềm có ưu điểm so với pin muối khác là: dung lượng riêng lớn, quá trình tự phóng điện thấp, độ phân cực nhỏ, có thể sản xuất với những dạng pin nhỏ. Vì thủy ngân thoát ra gây ô nhiễm nên pin kiềm náy ít được chế tạo và sủ dụng. Pin kiềm tương tự như pin khô tuy nhiên NH4Cl được thay bằng KOH. Anot : bột Zn Znrắn  Zn2+ + 2e Catot : MnO2 6.4 pin liti. Cấu tạo: Ngày nay loại pin được dùng khá phổ biến là pin liti. Anot của pin là kim loại kiềm rất hoạt động. suất điện động của pin liti rất lớn 3V.điện năng quy về đơn vị khối lượng cũng cao. Kim loại liti có khối lượng nhỏ nên pin liti rất nhẹ, rất thuận lợi cho việc sử dụng, di chuyển. nhưng liti khử nước mạnh do đó dung môi dùng buộc phải khan như teetrahidrofuran (THF), các ete hửu cơ, các hợp chất dùng chế tạo pin này là SO2 lỏng, tionyl clorua SOCl2, sunyuryl clorua SO2Cl2….oxi hóa rắn như CuO hoặc MnO2 Sơ đồ pin: () Li/ LiClO4/ THF / CuO (+) Với oxi hóa lỏng như SO2 đóng vai trò là dung môi ta có: () Li/ LiBr/ SO2/ Al/ thép (+) Đối với pin SO2 các phản ứng sơ đồ cấp như: 8
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 () Li  Li+ + e (+) SO2 +e  SO2 2SO2  S2O42 Động học điện hóa đóng vai trò rất lớn trong nghiên cứu chế tạo loại pin liti vì sử khử của dung môi không được phép xảy ra trên bề mặt liti mà xảy ra khi tiếp xúc với điện cực kia của pin. 7 Nguồn điện thứ cấp. Là nhiều hệ điện hóa có thể sử dụng được nhiêu lần do khả năng tái tích điện của hệ sau quá trình phóng điện. điều này đòi hỏi 2 hệ điện cực phải thuận nghịch, tức là phản ứng thuận. trong quá trình phóng điện có thể đảo ngược quá trình tích điện. Nguồn điện thứ cấp là những acquy mà điển hình và cổ điển nhất là acquy chì ()còn gọi là acquy axit) 1/ Acquy. Còn gọi là nguồn thứ cấp vì khi khép kín mạch điện ngoài thì acquy sẽ sinh ra điện năng, sự hoạt động của nó như là một pin điện, sau một thời gian làm việc, các chất hoạt động của các điện cực của acquy se giam đi, để phục hồi lại các chất hoạt động và acquy được sử dụng lại thì phải dùng dòng điện một chiều bên ngoài để tái sinh. Quá trình đó gọi là sự nạp điện acquy. Vậy quá trình nạp điện cho acquy là quá trình sơ cấp và quá trình phóng điện của acquy sản sinh ra dòng điện là quá trình thứ cấp. nguồn acquy được phân chia làm hai loại chính: acquy axit và acquy kiềm a./ Acquy axit ( acquy chì) Đây là loại nguồn điện hóa học phổ biến cổ điện nhất được sử dụng rộng rãi. Việt nam có nhiều nhà máy sản xuất loại acquy này: acquy Vĩnh Phúc, acquy Hải Phòng, acquy Đồng Nai… Sơ đồ của acquy chì: () Pb / PbSO4/ H2SO4 (30% )/PbSO4/ PbO/ Pb (+) Các điện cực được chế tạo từ chì và bột PbO2, dung dịch chất điện li là dung dịch H2SO4 (30%), phản ứng xảy ra khi acquy phóng điện hoặc nạp điện. Pb + PbO2 + 2H2SO4  2PbSO4 + 2H2O Chất hoạt động trong acquy là bột PbO2, các bột này được đưa lên một sườn điện cực làm bằng hợp kim chì để tạo ra các lá cực dương và âm. Anot của acquy là cực âm tại đó xảy ra quá trình oxi hóa khi phóng điện và là cực dương khi tích điện. Nhược điểm của acquy chì là dung lượng điện quuy về khối lượng điện nhỏ, thời gian sử dụng không dài do sự sunfat hóa dần các điện cực. Ngoài phản ứng của quá trình phóng và tích điện ở trên còn có những phản ứng phụ do sự tự phóng điện của acquy gây ra. Đó là sự khử proton ở cực âm. Pb + 2H+ + SO42  PbSO4 + H2 Và sự thoát oxi ở cực dương. PbO2 + SO42 + 2H+  PbSO4 + H2O + 1/2 O2 Sức điện động của pin: RT a2H2SO4 E= E0 + ln 2F a2H2O Trong acquy chì người ta sử dụng axit sunfuric khá đặc nên hoạt độ của nước không phải là hằng số và được xác định với aH2O = p/p0 9
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 Phản ứng trong acquy chì có tính thuận nghịch. Khi nối cực dương của acquy với cực dương của nguồn điện bên ngoài, và cực âm với cực âm của nguồn điện bên ngoài, phản ứng sẽ xảy ra theo chiều nghịch, tái tạo lại năng lượng tiềm ẩn trong hợp chất hóa học  pin được sạc b./ Acquy kiềm. Trong thực tế người còn sử dụng acquy có dung dịch điện li là kiềm. Loại acquy phổ biến là: sắt niken và cadimi niken. Ở trạng làm việc sơ đồ acquy như sau: () Cd/ Cd(OH)2,KOH (20%)// KOH (20%), Ni(OH)2,Ni(OH)3/ Ni (+) Tại cực dương Ni ở 2 mức oxi hóa ( Ni (II) và Ni (III)), kim loại Niken chỉ làm nhiệm vụ thu nạp dòng điện: Tại cực dương: NiOOH + H2O + e D Ni(OH)2 + OH Tại cực âm: Cd + 2OH D Cd(OH)2 + 2e Phương trình phản ứng tổng quát: 2NiOOH + Cd + 2H2O D 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 Sức điện động của acquy này là 1,36V. Người ta còn dùng acquy kiềm sắt Niken : Sơ đồ acquy : () Fe / KOH / NiOOH / Ni (+) Phản ứng tổng quát: Fe + 2NiOOH + 2H2O D 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2 c./ Acquy bạc kẽm. Đây là một loại acquy mới và rất tốt, là nguồn điện hóa học có công suất riêng và dung lượng riêng lớn. Cấu tạo: () Zn/ Zn(OK)2,KOH (40%)/ Ag ( hoặc Ag2O), Ag (+) Quá trình phóng điện và nạp điện xảy ra theo phương trình phản ứng: Zn + Ag2O + 2KOH D K2ZnO2 + 2Ag + H2O Loại này có sức điện động là 1,85V. Acquy bạc kẽm có thể ổn định khi phóng điện với chế độ liên tục vì sự phân cực các điện cực rất nhỏ, mặt khác trong quá trình phóng điện trên, điện cực dương tạo ra bạc kim loại làm cho độ dẫn điện của điện cực tăng lên. Sự chuyển năng lượng cao đạt tới 85% và tự phóng điện nhỏ. Sau 6 tháng bảo quản có thể mất chưa tới 30% lượng điện ban đầu, ở nhiệt độ thấp, thời gian sử dụng ngắn, làm việc không ổn định. Acquy này không được sử dụng rộng rãi vì giá thành rất cao, bạc thuộc kim loại quý, giá thành cao. Ngày nay có su thế chế tạo acquy kẽm Niken: () Zn / KOH + K2ZnO2/ NiOOH, Ni (+) Giá trị sức điện động E= 1,7V , khi làm việc xảy ra phản ứng: Zn + 2NiOOH +2 KOH D 2Ni(OH)2 K2ZnO2 PH Ầ N III ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ ĂN MÒN KIM LOẠI CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI 10
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 I.ĐỊNH NGHĨA ĂN MÒN KIM LOẠI VÀ Ý NGHĨA CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU ĂN MÒN KIM LOẠI. Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại do tương tác hóa học hoặc điện hóa của kim loại với môi trường xung quanh. Sự gẫy, đứt, sự sâm thực,mài mòn, trương nở cao phân tử không gọi là ăn mòn. Sự biến dạng của cấu trúc khi thay đổi nhiệt độ không gọi là ăn mòn. Nghiên cứu về ăn mòn là nghiên cứu xác định những quy luật chung về sự phá hủy kim loại do tác dụng hóa lý của môi trường bên ngoài. Đa số các kim loại không ổn định về mặt nhiệt động. Chúng có xu hướng bị oxi hóa. Xu hướng này được thể hiện qua năng lượng tự do khi tiến hành phản ứng. Nghiên cứu về quá ttrinhf nhiệt động choa phép ts kết luận có hoặc không có khả năng quá trình ăn mòn kim loại. Tuy nhiên muốn biết được tốc độ ăn mòn ta phải nghiên cứu ăn mòn kim loại, người ta rút ra được các phương pháp tạo ra trên bề mặt kim loại một điều kiện nào đó để giảm hay không xảy ra phản ứng ăn mòn kim loại, người ta gọi đó là chống ăn mòn kim loại. khi đánh giá những mất mát do ăn mòn, người ta phải khảo sát tất cả những hậu quả do ăn mòn gây ra. Những mất mát do ăn mòn có thể chia thành mất mát trực tiếp và mất mát gián tiếp. Ăn mòn kim loại gây ra những thiệt hại vô cùng nghiêm trọng vì thế nghiên cứu ăn mòn và chống ăn mòn kim loại là công việc hết sức quan trọng trong tất cả các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau. II. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH ĂN MÒN KIM LOẠI. Có nhiều cách phân loại các quá trình ăn mòn kim loại. Thông thường có 3 cách: 1 Phân loại theo cơ chế của quá trình ăn mòn. Theo cơ chế của quá trình ăn mòn người ta chia ra làm hai loại ăn mòn hóa học và ăn điện hóa. a.Ăn mòn hóa học: Ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn do tác dụng hóa học giữa kim loại với môi trường. Ví dụ: tương tác giữa kim loại với môi trường lỏng không dẫn điện, hay các khí khô… b. Ăn mòn điện hóa Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn do tác dụng điện hóa học giữa kim loại với môi trường phản ứng điện hóa, nó tuân theo quy luật động điện hóa. Ăn mòn điện hóa xảy ra hai quá trình đồng thời. Quá trình anot là quá trình biến đổi trực tiếp kim loại thành ion hydrat hóa trong dung dịch. Me + xH2O  Me (H2O)xn+ +nx + ne Trong kim loại còn một lượng đương các electron dư thừa. Quá trình catot là quá trình làm cho electron dư, quá trình anot bị đồng hóa do một vài chất nhận electron, được gọi là chất khử phân cực. Nghiên cứu chi tiết cơ chế quá trình ăn mòn hóa học và điện hóa học cho thấy không có ranh giới phân biệt rõ nét giữa chúng. Trong nhiều trường hợp, sự biến đổi chậm từ cơ chế hóa học sang cơ chế điện hóa có thể xảy và ngược lại. sự ăn mòn trong dung dịch điện lil có thể xảy ra theo cả cơ chế điện hóa lẫn hóa học. 2.Phân loại theo điều kiện quá trình ăn mòn: 11
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 Ăn mòn khí quyển là ăn mòn kim loại trong khí quyển hay các khí ẩm ướt khác. Ăn mòn trong chất điện li (axit, bazo, muối) Ăn mòn dưới đất nghĩa là ăn mòn các công trình ngầm dưới đất. Ăn mòn điện gây ra dưới tác dụng của dòng điện ngoài hay các dòng điện lanng thang. Ăn mòn dưới tác dụng của điện thế gây ra do tác dụng đồng thời của môi trường xâm thực và của điện thế trên kim loại. Ăn mòn sinh vật học và ăn mòn gây ra do các vi sinh vật hay các sản phẩm chuyển hóa của chúng. 3. Phân loại theo dạng đặc trưng của ăn mòn. Ăn mòn toàn bộ xảy trên toàn bộ bề mặt kim loại, nó có thể đều đặn hoặc không đều. Ăn mòn cực bộ tập trung ở các khu riêng biệt của bề mặt. ví dụ: ăn mòn hang hốc, ăn mòn điểm. Ăn mòn giữa các tinh thể là sự phá hủy kim loại dọc theo dọc theo danh giới giữa các tinh thể. Ăn mòn xuyên tinh hình thành các vết nứt rạn xuyên tinh dẫn đến sự phá hủy toàn bộ kim loại. III. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ ĂN MÒN: 1.Đánh giá độ ăn mòn theo thiệt hại về khối lượng: Người ta đánh giá độ ăn mòn bằng mắt thường để xác định sự đồng đều của bề mặt, đặc điểm các sản phẩm ăn mòn độ bám dính các sản phẩm ăn mòn với bề mặt kim loại kiểu ăn mòn. Đối với sự ăn mòn toàn bộ, điều hòa. Tốc độ ăn mòn có thể biểu diễn bằng sự thiệt hại khối lượng của một đơn vị bề mặt trong một dơn vị thời gian được biểu thị bằng công thức: Q= ∆m/S.t (g/m2. giờ ) Trong đó: Q : là tốc độ ăn mòn ( g/m2.giờ) ∆m : thiệt hại khối lượng (g ) ∆m= G1 G2 G1: khối lượng trước khi thí nghiệm (g) G2 : khối lượng sau khi thí nghiệm (g) S: diện tích bề mặt (m2) t : thời gian thí nghiệm (giờ) 2.Đánh tốc độ ăn mòn theo chỉ số độ sâu ăn mò: Chỉ số thiệt hại về khối lượng không cho phép so sánh sự ăn mòn của các kim loại có khối lượng riêng khác nhau. Do đó người ta đưa ra việc đánh giá tốc độ ăn mòn theo chỉ số độ sâu được xác định bằng công thức: P = 8,76 d/Q ; ( mm / năm ) Trong đó: p: chỉ số độ sâu ăn mòn (mm/năm) Q: tốc độ ăn mòn theo khối lương (g/m2.giờ) d: khối lượng riêng của kim loại (g/m2) 8,76 : hệ số Thứ nguyên của chỉ số độ sâu : g/m2.giờ 1000.mm3 12
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 P= = = 7,76 mm/năm g/cm2 106.mm2.1 năm/8760 3.Thang ổn định ăn mòn: Nhóm ổn định Chỉ số độ sâu ăn mòn Bậc p.mm/năm Bền hoà toàn 0,001 1 Độ bền cao 0,0010,005 2 0,0050,01 3 Độ bền trung bình 0,010,05 4 0,050,1 5 Độ bền yếu 0,10,5 6 0,51 7 Độ bền rất yếu 15 8 510 9 Không bền >10 10 Đối với ăn mòn cục bộ, tốc độ ăn mòn không thể tính bằng chỉ số ăn mòn khối lượng hay chỉ số độ sâu, mà được xác định bằng chỉ số cơ khí, được tính theo công thức: Ϭ0 – Ϭ1 K= .100% Ϭ0 Trong đó : K : chỉ số khí (%) Ϭ0: độ bền kéo ban đầu (kg/cm2) Ϭ1: độ bền kéo sau khi ăn mòn (kg/cm2) IV.KIM LOẠI VÀ HỢP KIM: 1.Kim loại: Quá trình ăn mòn kim loại là quá trình tương tác giữa kim loại với môi trường.có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn, một trong những yếu tố đó là cấu tạo kim loại. Trong kim loại tồn tại cả hai nguyên tử và ion. Gọi là ion nguyên tử cùng các điện tử tự do. Cac ion nguyên tử trong kim loại được sắp xếp theo qui luật nhất định và dao động quanh vị trí cân bằng. Nếu nối tâm của các vị trí ion nguyên tử lại ta sẽ được ô mạng không gian gọi là mạng tinh thể. Tùy theo thứ tự sắp xếp trong không gian của các ion trong nguyên tử mà tạo nên các mạng lưới tinh thể hình học khác nhhỏ nhau. Phần nhỏ nhất của cấu tạo hình học trong mạng lưới tinh thể gọi là ô mạng cơ sở. có 3 loại cơ sở thường gặp: lập phương thể tâm , lập phương diện tâm, lục giác xếp chặt. a)Lập phương thể tâm: trong mạng lưới lập phương thể tâm các ion nguyên tử nằm ở đỉnh và giữa khối của hình lập phương. Trong một ô cơ bản có 8 ion nguyên tử ở đỉnh và một ion nguyên tử nằm ở giữa. 13
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 Ô mạng lập phương thể tâm Trong thực tế các ion nguyên tử được xem như quả cầu xếp chặt. số ion nguyên tử ở một ô cơ bản là: n= (1x8/ 8) + 1 = 2 nguyên tử (8 ion nguyên tử thuộc 8 ô cơ bản bao quanh nó là một ô thuộc bản thân nó ) 3 khối trụ, 2 ion nguyên tử nằm ở trung tâm 2 đáy của khối trụ. Ô mạng lục giác xếp chặt Số lượng ion nguyên tử ở ô cơ bản là: n =(1x12/6 ) + (1x2/2) + 3 = 6 Độ bền của kim loại liên quan d đến cấu trúc mạng tinh thể của kim loại. kim loại nào có cấu trúc chặt chẽ độ bền sẽ cao hơn. ở một khoảng nhiệt độ nào đó, kim loại có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau. Tính chất này được gọi là tính thù hình của kim loại. ví dụ: sắt là kim loại có tính thù hình. Từ 13920C – 15390C sắt có mạng lập phương thể tâm. ở 3310C13920 C có mạng lập phương tâm diện. khi thay đổi tính thù hình của kim loại, tính chất điện hóa của kim loại cũng thay đổi do đó độ bền ăn mòn cũng thay đỏi. Mật độ ion nguyên tử M của mạng tinh thể là phần thể tích của mạng do các ion nguyên tử chiếm chỗ tính bằng phần trăm: M= (n.v.100)/V n: số nguyên tử trong một ô cơ bản v : thể tích nguyên tử V: thể tích ô cơ bản Nếu xem nguyên tử như hình cầu bán kính r: V=(4/3) n.r3 Đối với mạng lập phương thể tâm các nguyên tử sít nhau nên: 14
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 a: khoảng cách hai ion nguyên tử trên cùng một mặt tinh thể. Vậy : b) Lập phương diện tâm : Trong mạng lưới tinh thể lập phương diện tâm ngoài các ion nguyên năm ở đỉnh còn có các ion nguyên tử nằm ở mặt bên của hình lập phương. Số ion nguyên tử nằm trong một ô là: N= (1x8/8) + (1x6/2) = 4 Mật độ nguyên tử được tính: c)Lục giác xếp chặt: Trong mạng lưới tinh thể lục giác xếp chặt các ion nguyên tử nằm ở đỉnh lục giác, 3 ion nguyên tử nằm ở trong tâm. 2.Hợp kim: Hợp kim là vật thể chứa nhiều nuyên tố mang tính chất kim loại, nguyên tử chủ yếu trong hợp kim là kim loại. Hợp kim có các đặc tính ưu việt hơn kim loại có độ bền nhiệt, độ bền ăn mòn cao. Hợp kim có các dạng cấu tạo: hợp kim có cấu tạo một pha là dung dịch rắn hợp kim có cấu tạo một pha là hợp chất hóa học hợp kim có cấu tạo bởi hai hay nhiều pha CHƯƠNG II: ĂN MÒN HÓA HỌC I.KHÁI NIỆM VỀ ĂN MÒN HÓA HỌC Ăn mòn hóa học là quá trình phá hủy kim loại do tác dụng hóa học của nó với môi trường xung quanh. Ăn mòn hóa học tiến hành khi kim loại tác dụng với chất lỏng không phân li hoăc khí khô. Đặc điểm của ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn không sinh ra dòng điện. sản phẩm ăn mòn ngay chỗ kim loại tiếp xúc với môi trường. II. ĂN MÒN TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG PHẢI LÀ CHẤT ĐIỆN LI DẠNG LỎNG: Các chất không phải là chất diện li là chất là các chất không phân li thành các ion tự do trong dung dịch hoăc trong trạng thái nóng chảy . Ví dụ: Brom lỏng, lưu huỳnh nóng chảy và các nhiên liệu lỏng ( dầu hỏa, xăng, dầu khoáng…) là các chất không điện li. 15
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 Các chất lỏng hửu cơ phần lớn không ăn mòn sắt, hợp kim của sắt. nhưng có một số ăn mòn kim loại màu. Ví dụ: hợp chất hydrocacbua dẫn xuất halogen, hợp chất mecaptan và các hợp chất chứa lưu huỳnh. Các sản phẩm dầu mỏ (xăng, dầu hỏa, dầu khoáng…) là sẩn phẩm hửu cơ không điện li,ây ăn nó gây ăn mòn do lẫn tạp chất, hoặc trong thành phần có chứa hợp chất hydrocacbua không no, có khả năng oxi hóa, các sản phẩm đó sẽ ăn mòn kim loại. III.ĂN MÒN KIM LOẠI TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ: 1.Khái niệm: Quá trình ăn mòn kim loại do tác dụng hóa học của các chất khí với kim loại gọi là sự ăn mòn trong môi trường khí. Quá trình ăn mòn khí phổ biến nhất là sự oxi hóa kim loại trong môi trường không khí ở nhiệt độ cao. Tốc độ ăn mòn khí phụ thuộc vào bản chất của kim loại và hợp kim, tính chất của môi trường, khí, nhiệt độ, tính chất của sản phẩm ăn mòn. 2.khả năng oxi hóa kim loại và độ bền của oxit: a)khả năng oxi hóa kim loại: muốn biết quá trình phản ứng có xảy ra hay không, ta phải nghiên cứu biến thiên thế nhiệt động của nó. Xét một phương trình theo phản ứng oxi hóa kim loại: Muốn xét quá trình ăn mòn kim loại có xảy ra hay không ta phải xét biến thiên thế đăng nhiệt đẳng áp ∆G khi tiến hành phản ứng trên. Khi áp suất P và nhiệt độ T không đổi phương trinh đẳng nhiệt được viết dưới dạng: Trong đó: R. là hằng số khí lý tưởng (8,314 j/mol.k) T: nhiệt độ tuyệt đối PO2 : áp suất riêng phần của oxi ở trạng thái ban đầu ( PO2 )cb:áp suất riêng phần của oxi ở trạng thái cân bằng m: số nguyên tử kim loại trong phân tử oxit n: hóa trị kim loại Từ phương trình rut ra: Từ trên cho thấy quá trình oxi hóa xảy ra nếu: ∆GT PO2 Trong thực tế để đơn giản phải so sánh áp suất phân hủy của oxit và áp suất riêng phần của oxi trong không khí. Như vậy nếu chiết áp suất phân hủy màng oxit có thể biết quá trình oxi hóa có thể xảy ra hay không. Áp suất riêng phần của oxi không khí : PO2= 0,21 at b)Màng của bán thấm ăn mòn và độ bền của nó: 16
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 các sản phẩm ăn mòn kim do kim loại bị oxi hóa đều ở dạng màng bàm trên bề mặt kim loại. độ dày của màng phụ thuộc mà điều chỉnh của kim và môi trường. màng sản phẩm ăn mòn đôi khi có khả năng bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn, lớp mằng có tính chất bảo vệ cần phải có tính chất. màng xit chặt không có lỗ xốp, bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại. màng không bị phá trong môi trường ăn mòn. màng bám trắc lên bề mặt kikm loại. hệ số giãn nở nhiệt của màng xốp chỉ hệ số giãn nở nhiệt của kim loại. Điều kiện để lớp màng bao phủ kin bề mặt kim loại là thể tích oxit kim loại tạo thành do một nguyên tử gam kim loại bị oxi hóa phải lớn hơn thể tích nguyên tử gam của kim loại đó. Thể tích nguyên tử gam của kim loại la: Trong đó: A.là nguyên tử gam của kim loại (g) d:khối lượng riêng của kim loại (g/cm3) thể tích oxit kim loại do một nguyên tử gam kikm loại bị oxi hóa: trong đó: M:phân tử gam của kim loại (g) n: số nguyen tử kim loại trong phan tử oxit kim loại D:khối lượng riêng của oxit kim loại (g/dm3) Điều kiện để lớp oxit kim loại bao phủ kin bề mặt kim loại là: Ngược lại: màng oxit không bao phủ kin bề mặt kim loại nếu tỉ số quá lớn nó sẽ gây ứng suất phá hủy màng. Ví dụ: WO3 có VOX/ VKL = 5,35 nên tính bảo vệ màng WO3 kém. c)quy luật phát triển của màng quy luật phát triển màng phù hợp với quy luật khuếch tán động học của phản ứng hóa học. + quy luật phát triển màng xốp: Quy luật phát triển màng xốp bao gồm mấy giai đoạn: * chuyển chất oxi hóa ( oxi) đến bề mặt phân chia kim loại khí. * chất phụ chất oxi hóa lên bề mặt kim loại. * phản ứng tạo thnhf oxit: Vì màn xốp không có bảo vệ nên oxi đi qua bề dày. Nên giai đoạn phản ứng là giai đoạn chậm của quá trình. Tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào chiều dày của lớp màng. Vì màng xốp oxi dễ dàng lọt qua lớp màng vào bề mặt kim loại và được biểu thị bằng phương trình: Trong đó: Y.là chiều dài màng t:thời gian oxi hóa 17
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 KC: hằng số tốc độ phản ứng C: nồng độ chất oxi hóa trên bề mặt Tuy nhiên trong thực tế sự phát triển của màng không phải đơn thuần là đường thẳng: T ốc độ phát triển màng xốp Theo đồ thị phát triển của màng xốp giai đoạn đầu sự phát triển màng phụ thuộc vào hằng số tốc độ phản ứng. sau đó trên bề mặt tạo thành lớp oxit mỏng tiếp tục mạng lưới tinh thể của kim loại. nhung đạt tới giá trị tới hạn nào đó màng gây ra ứng suất nội và gây ra màng xốp. như vậy màng ôket chia làm hai lớp: lớp sát bề mặt mỏng và làm chậm sự khuếch tán. Lớp tiếp theo day hơn chưa nước lỗ xốp. không gây trở ngại cho sự khuêch tán. *)Quy luật phát triển màng xit: Đối vơi kim loại khi bị oxi hóa tạo thành lớp màng sit có tính chất bảo kim loại tốc độ phát triển màng chậm dần theo thời gian, màng càng dày tốc độ khuếch tán chất oxi hóa qua màng đến bề mặt kim loại sẽ càng khó khăn. Sự phát triển của màng oxit có cấu tạo xit chặt gồm các giai đoạn sau: akim loại phân li thành ion kim loại và điện tử: bion kim loại chuyển vào lớp oxit : c oxi trong môi trường chuyển đến bề mặt tiếp xúc giác màng oxit kim loại và môi trường khí: doxi hấp thụ trên bề mặt màng oxit. ecác điện tử ở màng ion hóa oxi hấp phụ: fchuyển ion O2 vào lớp oxit : gphản ứng cacsbon kim loại với ion oxi. Trong giai đoạn trên giai đoạn b và f là giai đoạn di chuyển của các ion Men+ ,O2 và điện tử qua màng. Khi tốc độ của hai quá trình này quyết định tốc độ chung của quá trình oxi hóa kim loại thì màng càng dày, tốc độ phát triển của màng càng chậm. sự phát triển màng không tuân theo quy luật đường thăng mà thường tuân theo quy luật phức tạp như quy luật parapol hay quy luật logarit. d)cơ cấu lớn lên của màng và khuêch tán qua màng bảo vệ: khi đã hình thành màng oxit, màng oxit sẽ tiếp tục lớn lên tán. Khuếch tán ion kim loại và điện tử qua màng oxit ra ngoài môi trường và oxi cùng khuêch tán vào bề mặt kim loại. 18
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 có thể chia làm 3 trường hợp: S ơ đồ vùng lớn lên của màng vùng lớn lên của màng là vùng gồm mặt ngoài của màng, như vậy sự khuếch tán qua màng chủ yếu do ion kim loại và điện tử. vùng lớn lên của màng là vùng bên trong tiếp giáp với bề mặt kim loại khuếh tán Qua màng do amin oxi. vùng lớn lên của màng là vùng giũa màng. Sự khuếch tán qua manngf chủ yếu là do hai luồng khuếch tán. Đa số các trường hợp xảy ra phù hợp với trường hợp một. vì đường kính ion kim loại và điện tử nhỏ hơn đường kính ion oxi, nên khuếch tán qua màng chủ yếu là do ion kim loại và điện tử. 3.các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn khí: Tốc độ ăn mòn khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhưng có hai nhân tố chính: nhân tố bên trong và nhân tố bên ngoài. a)nhân tố bên trong: Ảnh hưởng của thành phần hợp kim. Trong hợp kim co những thành phần chống ăn mòn tạo thành màng oxit có tính chất bảo vệ cao cho nên những cấu tử này có thể cho thêm vào thành phần hợp kim để tạo ra hợp kim bền nhiệt. ảnh hưởng của cấu trúc kim loại. kim loại nào cấu trúc càng xit chặt thì càng bền. ảnh hưởng biến dạng kim loại chỉ ảnh hưởng đều giai đoạn đầu của ăn mòn, sau đó ăn mòn phát triển qua màng oxit nên thể hiện không rõ. ảnh hưởng của giai công bề mặt càng nhỏ, ảnh huonr ở giai đoạn đàu, giai đoạn sau thể hiện không rõ rệt b)nhân tố bên ngoài. ảnh hưởng của nhiệt độ: nhiệt cao tốc độ ăn mòn lớn. ảnh hưởng thành phần của môi trường khi tăng hàm lượng oxi trong không khí. Tốc độ oxi hóa tăng theo nhưng không phải theo quy luật tuyến tính. ảnh hưởng của tốc độ không khí.trong giai đoạn đầu tăng rõ rệt, nhưng sau thì không rõ rệt. 4.sự khử cacbon của thép, gang và sự dàn hydro: a) sự khử cacbon của thép: khi đốt cháy bề mặt của thép, một thời gian sẽ gây ra sự khử cacbon của hteps. Nguyên nhân trên giới hạn phân chia giưa oxi và kim loại sẽ gây ra phản ứng oxi hóa, cacbon tạo thành dạng khí.cacbon sẽ khuếch tán ra vùng phản ứng và làm nghèo cacbon trong thép, 19
GV: TRẦN TRỌNG BÌNH binhhoahoc1989@gmail.com ĐT: 0979.973.853 gang làm thay đổi cơ tính của thép gang. Phản ứng khử cacbon của thép xảy ra theo 4 phản ứn sau: b)sự giòn hydro ủa thép: hydro trong khí quyển ở nhiệt 2503000C và áp suất cao làm giảm độ bền của thép không thấy xảy ra hiện ăn mòn bên ngoài ta gọi đó là ăn mòn hydro hay sự giòn hydro của thep.nguyên là do: hydro hòa tan trong thép tạo thành dung dịch rắn giòn hơn và kém bền hơn: sự thoát hydro phân tử tạo thành từ hydro nguyên tử theo giới hạn hạt của thép tạo thành khuyết tật bên trong. làm nghèo cacbon trong thép theo phản ứng: quá trình khử oxi theo giới hạn hạt và tạo thành hơi nước phá hủy mạng tinh thể của kim loại: II.CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ ĂN MÒN KHÍ 1.phương pháp bảo vệ ăn mòn khí bằng cách tạo hợp kim bền nhiệt: người ta đưa vào thành phần hợp kim các nguyên tố có khả năng tạo nên hợp kim có tính chịu nhiệt cao.hợp kim đó phải có tính chất: Tính chịu nóng đó là khả năng chịu ăn mòn hóa hoc của môi trường khí ở nhiệt độ cao. Độ bức nhiệt: khả năng bảo toàn các tính chất cơ lí ở nhiệt cao. Ngoài ra phải có tính chất công nghệ thõa mãn các yêu câu sủ dụng như tính linh động khi nóng chảy (khi đúc),độ cứng (khi gia công cơ). Có 3 thuyết để giải thích cơ cấu tạo nên hợp kim bền nhiệt a)thuyết thứ nhất: khi cho một lượng nhỏ nguyên tố hợp kim vào kim loại. trước hết nguyên tử của nguyên tố hợp kim bị oxi hóa trở thành cacbon kim loại có hóa trị nhất định. Các cacbon này hòa tan vào mạng lưới tinh thể của oxi kim loại gốc  làm giảm chỉ số khuyết trong mạng lưới tinh thể của oxit kim loại gốc. hạn chế sự khuếch tán ion kim loại qua màng tốc độ oxi hóa giảm. Tùy theo các kim loại khác nhau mà ta đưa các lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim vào kim loại có thể làm giảm tốc độ ăn mòn cũng như có thể làm tăng tốc độ ăn mòn. Để tạo hợp kim chịu nhiệt, nguyên tố hợp phải có tính chất: *Ái lực của nguyên tố hợp kim đối với oxi phải lớn hơn ái lực của kim loại gốc với oxi và được biểu diễn bằng bất đẳng thức: *oxit của nguyên tố hợp kim phải hòa tan với oxit kim loại gốc. *khi tạo hợp kim cho kim loại gốc mà oxit của nó dư kim loại thì hóa trị của nguyên tố hợp kim phải lớn hơn hóa trị của nguyên tố kim loại gốc. 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

EXAM.05: Bộ 300+ Đề Thi Thử THPT Quốc Gia 2022

304 tài liệu

925 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.