curs 12-pile galvanice 2015

7/23/2019 Curs 12-Pile Galvanice 2015

1/33

Curs 12- Pile galvanice

Conf. dr. ing. Nicoleta Badea


2/33

Pilele galvanice sau electricesunt sisteme n care energia chimiceste convertit n energie electric .Pilele galvanice sunt alcatuite din:2 electrozianod,catod;punte de sare;conductori metalicivoltmetru

n pilele galvanice are loc transferul de electroni simultan prin

intermediul suprafeelorconductoare (metal sau grafit ), iar puntea desare sau diafragm poroas asigurara circuitulul ionic n interiorulsistemului.

Pile galvanice


3/33

1 1 2 2( ) / 1, / / 2, / ( )z z

M MM electrolit a electrolit a M

0 ln zM M MRT

a

zF

1

12

1

0 0 ln

ox

z

red

z

M

M M

M

aRTE

zF a

1

12

1

0 00,059

lg

ox

z

red

z

M

M M

M

aE

z a

0E

Lantul electrolitic al unei pilei este:

1 1

2 2

1 2 1 2

( ) ( )( ) ( )

.

z

z

z z

anod M M ze oxidarecatod M ze M reducere

rc globala M M M M

Reactiile care au loc la functionarea unei pile sunt:

Tensiunea electromotoare (E) a unei pile este:


4/33

Clasificarea pilelor galvanice

1.n functie de reversibilitatea proceselor de electrod: pile ireversibile; pile reversibile

2. n func tie de regenerarea reactan ti lo r de la electrozi pile primare-furnizeaz curent electric pe seama unui proces

chimic primar pile secundare sau acumulatoare


5/33

O pilelectrochimiceste ireversibildac:

a) n pilse produc transformrichimice, chiar atunci cndaceasta nu debiteazcurent n circuit deschis;

b) prin aplicarea unei tensiuni electrice exterioare de semn

contrar, mai mare decat t.e.m a pilei, se produc reactiichimice diferite de cele care au loc la functionarea pileinu se mai revine la starea initiala a pilei;

c) t.e.m. scade foarte rapid atunci cnd pila debiteaz

curent.

Exemplu de pil electric ireversibil- pila Volta

1

z

M


6/33

catod (+)

2

22 HZnHZn

22 2 ( )H e H reducere

rc global---------------------------

2 2 ( )Zn Zn e oxidare

Pila Volta: (-)Zn/H2SO4/ Cu(+)

Reactii la functionare Reactii la incarcare

anod(+)anod (-)catod(-)

rc global---------------------------2

22Cu H Cu H

22 2 ( )H e H reducere

2 2 ( )Cu Cu e oxidare


7/33

O pilelectrochimiceste reversibildac:

atunci cnd circuitul este deschis, n pil nu se produce niciotransformare chimic; reaciade celulare loc doar n timpul debitriide curent;

reacia de celul care se produce aplicnd pilei o tensiuneexterioarcu puinmai mare dect t.e.m. este inverscelei care areloc cnd pila debiteazcurent;

n timpul funcionrii,curentul de descrcarenu este prea mare, iart.e.m. este constant.

Exemplu depilreversibil- pila Daniell- Iacobi:


8/33

Lanulelectrochimic: Pila DaniellIacobi

)(/)(//)(/)( CuaCuSOaZnSOZn

2414

Reactii la functionare Reactii la incarcare2 2 ( )Zn Zn e oxidare

2 2 ( )Cu e Cu reducere 2 2 (Zn e Zn reducere

2 2 ( )Cu Cu e oxidare Catod(+)

Anod (-) anod(+)

rc global--------------------------- rc global---------------------------2 2Zn Cu Cu Zn 2 2Zn Cu Cu Zn

catod(-)


9/33

2

2

0 00,059

lg

2

Cu

Cu Zn

Zn

aE

a

2

2

0 0 ln CuCu Zn

Zn

RT aE

zF a

Cu ZnE

2

0 lnCu Cu Cu

RTa

zF

2

0 lnZn Zn Zn

RTa

zF

2

2

2

2

0,0590,34 ( 0,76) lg

20,059

1,1 lg2

Cu

Zn

Cu

Zn

aE

aa

Ea

Tensiunea electromotoare a pilei DaniellIacobi:


10/33

Pile primare: Pila Leclanche, pile alcaline

nu se mai pot regenera dupconsumarea substaneloriniiale se folosesc pentru alimentarea ceasurilor, stimulatoarelor

cardiace, protezelor auditive, sistemelor de alarma, instalatiilor detelecomunicatii, sistemelor de semnalizare, etc.

Pila Leclanche este alcatuita din:

- electrozi: anod-cilindru de zinc, iar catod de barade grafit introdus in MnO2pulbere umectata cugrafit pentru cresterea conductivitatii

- Electrolit-soluie de NH4Cl si ZnCl2 fixata intr-opasta absorbanta (gelifierea NH4Cl cu amidon)


11/33

Reaciile care au loc la electrozi suntAnod (-)Zn Zn2++ 2e-Catod(+) 2H++ 2e - H2

(-) Zn/NH4Cl, H2O, ZnCl2// MnO2/ C(+)

Zn + 2H+ Zn2++H2

Tensiunea acestei pile este de 1,5 V-1,6 V, si scade pe masura ce pila

se descarca. In mod frecvent, se leaga in serie mai multe astfel debaterii.

H2+2 MnO2H2O + Mn2O3

NH4Cl +H2O 2NH3+ H3O+ + Cl-

ZnCl2+4NH3[Zn(NH3)4]Cl2


12/33

(-) Zn / KOH / MnO2-C (+)

Este o pila uscata asemntoare cu pila Leclanche; Diferenaconstn utilizarea unui alt electrolit (sol. concentratde

KOH ~ 30%) iar electrodul de zinc se gsetesub formde pulberede zinc fin divizatn jurul unui colector de curent (barde alam).O alt diferen o constituie catodul mixt MnO2-pulbere de grafit

care se gseten exteriorul electrodului de Zn. ntreg sistemul estenchis ntr-un container de oel,pentru evitarea coroziunii zincului; Dura de functionare a acestor baterii este de pnla 4 ani la temp.

de 20C fiind de 410 ori mai mare fade cea a pilei-Leclanche.

Reaciilepilei la descrcaresunt:(-) Zn + 2HO-Zn(OH) 2+2e-(+) 2 MnO2 + H2O +2e-Mn2O3+ 2 OH-

Zn + 2MnO2+ 2OH-+ H2O Zn(OH)2+ Mn2O3

Pile primare alcaline


13/33

Pile reversibile (acumulatori)

Acumulatorul acid: acumulatorul cu Pb

Electrolitul acumulatorului cu Pb este H2SO4 de conc. 38%, avand densitated=1, 29g/cm3.Cand densitatea scade sub d=1, 15g/cm3 acumulatorul trebuie incarcat prinelectroliza

2

2

2

24 4

22 2

24 4

2

2 4

( ) 2 ( )

( ) 4 2 + 2H O ( )

. + 4 2 descarca

anod Pb Pb e oxidare

Pb SO PbSO

catod PbO H e Pb reducere

Pb SO PbSO

rc globala Pb PbO H SO

4 2

2 + 2H Ore

incarcarePbSO


14/33

Acumulatori alcalini- Acumulatorul Ni-Cd

Lantul electochimic este (-)Cd / KOH / NiOOH(+)

Reactiile care au loc la functionarea acumulatorului sunt:

Tensiunea n circuit deschis este de aproximativ 1,3V/element, n

starea complet ncarcata si ,practic, nu depinde de densitateaelectrolitului pentru temperaturi normale de lucru.

22

2

2 2 2

2 2 2

anod Cd Cd +2e

Cd 2HO Cd(OH)

( ) NiO.OH + 2H O+ 2e 2 ( )

2HO NiO.OH + 2H O Cd(OH) 2 ( )

catod Ni OH H

rc globala Cd Ni OH


15/33

Acumulatorul Liion

acumulator utilizat de dispozitive electronice de tipultelefoanelor mobile, laptopurilor etc.

este cel mai utilizat acumulator portabil datorit densitii de

energie ridicatia flexibilitiin design;Anodul la bateriile initiale anodul era Li metalic nsprezinta anumite

dezavantaje legate de stabilitatea sa structural (formeazstructuri dendritice care conduc la scurcircuitarea celulei).

in prezent se foloseste drept anod materiale grafitice in care seinsereaza atomi de C (1 ion Li+/ 6 atomi de C (LiC6). Aceastacorespunde unei capacititeoretice specifice de 372 mA.h/


16/33

Catodul -este confectionat din oxizi ai metalelor tranziionale: LiCoO2prezinta stabilitate, durata de viata lunga;

LiNiO2nu este comercializat datoritdificultilorde sintezistabilitate structuralitermicsczut. combinaii LiNi1-xCoxO2 - materiale ce combin proprietile

avantajoase ale LiNiO2 i LiCoO2 stabilitate mai bun dectNiO2, combinatcu costul mai redus dect cel al LiCoO2.

Electrolii electroliilichizi, solizi imateriale polimerice; electrolitii lichizi prezinta conductivitii ionice superioare la

temperatura ambientala; Electroliti polimerici - bateriile rencrcabileLi-ion (HPE) numite

plastic Li ion (PliON). Aceste sunt mult mai versatile, maiflexibile i au numeroase avantaje n dezvoltarea dispozitivelorelectronice miniaturizate


17/33

apolimer pur (uscat) ce const lanuri polimerice ncolcite ncare ionii de Li se pot deplasa;b

reea hibrid (gel) ce const dintr

-un polimer semicristalin alecrei regiuni amorfe sunt umflate n electrolit lichid, n timp ceregiunile cristaline i pstreaz stabilitatea mecanic;


18/33

Pile de combustie

Combustibilul(hidrogen) este transportat la anodul poros unde esteabsorbit pe suprafaaacestuia, ntr-un proces de oxidare, urmata demigrarea electronilor de la anod si eliberarea gazulul ionic lasuprafaa anodului. n electrolit se asigur transportul ionilorcombustibilului de la anod la catod.

La catod, are loc reacia de reducere, rezultnd produsul de reaciecare trebuie eliminat . n timpul funcionrii, electrozii nu sufer nici omodificare structural, ei servind doar ca suport pentru reactie.

La anod are loc oxidarea catalitica a hidrogenului atomic, iar lacatod reducerea catalitica a oxigenului atomic. Fenomenul deoxidare i reducere catalitic are loc n regim trifazic (gazlichid

solid) la suprafaa catalizatorului conform reaciei globale:

H2+ 1/2 O2 H2O


19/33

Pil de combustie pe

baz de hidrogen

teoretic o astfel de pilar trebui sa furnizeze o forelectromotoarede 1,22 V.Practic dnumai 0,8 voli (la 25oC) datoritsupratensiunilor la electrozi.

transportul hidrogenului este neeconomic de aceea s-au construitpile in care combustibilul este hidrazina sau metanolul si carburantuleste oxigenul din aer. Aceste pile ofero for electromotoare de0,5-0,7 volti, cu un randament energetic ce poate atinge 90%.

pot fi utilizate pentru a actiona motoarele pentru automobile cu razde aciune redus, minisubmarine, si pentru nave spaiale.
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_5//upload.wikimedia.org/wikipedia/ro/c/cd/Fuel_cell.svg


20/33

Pila Weston

O incinta de sticla n forma de H este umplut cu o solutie de CdSO4si

apa. Pe fundul fiecarei ramuri a incintei este sudat un conductor extern care

realizeaza contactul cu electrozii din interior. Electrozii pilei sunt: unelectrod din mercur (catod),iar n dreapta un electrod din amalgam decadmiu (anod).

Pe ramura din stnga, deasupra mercurului, se gasesc cteva cristalede sulfat de mercur (Hg2SO4), care este slab solubil n apa.


21/33

Pila Weston, care are o tensiune electromotoare de 1,0186 V la 78F, sefoloseste ca etalon de tensiune n masurari de precizie.

4 2 4( ) lg / / / / ( )ama am de Cd CdSO Hg SO Hg

Reactiile care au loc la functionarea pilei Weston sunt:

2 2

4

2 2

4 4

4

4

2

22 4 4

2 22 4 4

0

2

0

0

anod Cd Cd +2e

( ) Hg SO + 2e 2 SO

Hg SO Cd 2 SO

1ln

2

ln

0,059ln

Cd SO

CdSO Cd SO

CdSO

CdSO

catod Hg

rc globala Cd Hg

RTE E

F a a

a a a

a a a

RTE E a

F

E E a


22/33

Pile de concentratie

Sunt pile ale carei t.e.m. se datoreaza diferentei de concentratie a

unei specii metalice date, la cei doi electrozi scufundati intr-o

solutie comuna de electrolit sau diferentei de concentratie a

solutiei preparate din acelasi electrolit si aflate in contact cu

electrozi metalici identici.

Clasificare

- pile de concentratie fara transport;

- pile de concentratie cu transport;- pile de concentratie cu transport minimizat;


23/33

Pile de concentratie cu transport

Doi electrozi ai aceluiasi metal, M, cufundati in solutia aceluiasielectrolit MA, de concentratie diferita. Cei doi electrozi sunt separatiprintr-o diafragma poroasa.

1 21 2 2 3 3 1

1 2 0

3 1 1 3 0

/ ( ) / / ( ) /

ln ,1

ln ,2

z

z

z z z z

M

M

M M A a M A a ME

RT azF

RTa

zF

Saltul de potential care apare la contactul celor doi electroliti poartadenumirea de potential de difuzie

2 3 2 3

1

2

,ln

,

z

z

d dif

M

d dif

M

RT aE

zF a


24/33

3 1 3 2 1 2/ ( ) / / ( ) / ( ) a aAg AgNO a AgNO a Ag


25/33

Pile de concentratie fara transport


26/33

Pila de hidrogen

(-) (Pt), H2(p1)/HCl (a1)// HCl (a2)// H2 (p2)(Pt) (+),

cu p1> p2Drept anod va functiona hidrogenul cu presiunea mai mare.

Reactiile de la electrozi sunt:

2

2

2 1 2 2

1

2

( ) 2 2( ) 2 2

( ) ( )

ln2

H H eH e H

H p H p

RT pE

F p


27/33

Pile de concentratie cu amalgam

(-) Cd-Hg (c1)/CdSO4/ Cd-Hg (c2)(+), cu c1> c2

Reactiile de la electrozi sunt:

21

2

2

1 2

1

2

( ) (c ) 2( ) 2 (c )

( ) ( )

ln2

Cd Cd eCd e Cd

Cd c Cd c

RT cEF c


28/33

Caracteristicile funcionale ale pilelor electrice

1) Tensiunea electromotoare (t.e.m)a unui baterii Eb se obine prinsuma tensiunilor electromotoare ale celulelor galvanice individualelegate n serie:

Eb= nE sau (1)

unde: nreprezint numrul elementelor galvanice identice cealctuiesc bateria, iar

n cursul generrii de curent are loc o deviere de la valoare calculat

pe cale termodinamic astfel c la borne tensiunea este mai mic:

(2) unde Epreprezint tensiunea de polarizare

E

pb EEE

1

n

b

i

E E


29/33

2. Rezistena interntotalrireprezintrezistenaelectricopusde pilla trecerea curentului:

pi rrr 0

(3)

unde:r0suma rezistenelor electrice a electrozilor i electrolitului n circuit

inchis (i=0)rprezistena de polarizare ce este condiionat de trecerea curentului

care modific potenialul electrozilor

d

ppI

Er

unde Eptensiunea de polarizare, Id- curentul de descrcare. Se obine:

d

pi

I

Err 0

(4)


30/33

3. Capacitatea pilelor electricereprezint cantitatea de materie activce se poate transforma prin reacii chimice redox de la electrozi n energie

chimic, fiind exprimat n Ah.

Capacitatea teoretic maximQTeste dat de cantitatea total desarcin eliberat n circuitul exterior de numrul total de moli oxidani la

trecerea unui curent Id ntr-un interval de timp:(5)

unde: - numrul de moli de reactant oxidaniz- numrul de electroni transferai.

Capacitatea nominalQnreprezint capacitatea practic ce se obine

prin descrcarea acumulatorului.

ox

t

dT zFNdtIQ 0

zF

tiNox

Cunoscnd valoarea curentului i timpul de descrcare se poate

calcula capacitatea acumulatorului:

( ) ( ) ( )f ft t

f

t t

Q I t dt I I t dt I t t (6)


31/33

4. Gradul de utilizare

dQ

M

m

unde: m - masa de substanaactiviniial; M - masa de substanaactivconsumat; Qdcapacitatea de descrcare

5. Puterea pilelor electrice

P= EbId

6. Autodescrcare (A) sau gradul de reducere al capacitiiacumulatorului reprezint pierderea iniial a capacitii pilei cndcircuitul este deschis. Acest proces este provocat de reaciile chimicenedorite ntre electrozi i soluiile de electrolit. Autodescrcarea se

evalueazcantitativ n procesele pierderii capacitiin 24 ore.

1001

21

tQ

QQA

(10)

(7)

(8)

(9)

unde:Q1i Q2 reprezint capacitile sursei nainte i dup descrcare;

tdurata de pstrare


32/33

7. Randamentul energeticse calculeaz cu relaia:

ti

id

td

dd

en

tEI

tEI

0

0

unde Edi Eireprezint tensiunea la borne n timpul descrcrii respectiv ncrcrii

8. Entalpia liber a unei pilese calculeaz cu relaia:

oG zFE

Et.e.m;z- numrulde electroni n reaciade la anod ila catod;F-cifra lui Faraday F = 96500As.

(10)

(11)

9.Lucru mecanic al unei pilese calculeaz cu relaia:

L zFE (12)


33/33

Bibliografie

B. Popescu, M.D. Ionita, Chimie, Ed. Matrix Rom, 2005 C.Pirvu, Chimie general- noiuni fundamentale, Ed. Printech,

2009 E. Jurconi, B. Popescu, C. Nicolescu, D. Ionescu, Probleme de

chimie general, Ed. Printech 2000; P. W. Atkins, Julio de Paula, Tratat de Chimie Fizic, Ed. Agir

2005; E. Jurconi, C. Nicolescu, Chimie Generala. Profil tehnic, Ed.Printech 2000;

curs 12-pile galvanice 2015

Documents