Anvendt elektrokjemi: Korrosjon og korrosjonsbeskyttelse, passivitet og Pourbaix-diagram. Batterier, elektrolyse. Flashcards
Hva er vitsen med batterier?
Batterier lagrer kjemisk energi for senere bruk som elektrisk energi.
Batteri kan kobles i serie for å øke spenningen (antall Volt).
Hva er primær-celler og hvilken bruk har det?
Primærceller blir brukt i sånn batterier man kjøper på bunnbris, som bare brukes en gang og deretter kastes.
Disse batteriene kan brukes kun en gang fordi celle-reaksjonen i primær-celler ikke er reversible.
Når mesteparten av reaktansene har blitt til produkter vil ikke elektronene drives rundt i kretsen og det vil ikke være noe spenning. Batteriet er herved dødt.
Hva er sekundær-celler og gi eksempler?
Celle-reaksjonen i sekundære celler kan reverseres. Som vil si at man kan koble til en spenningskilde(plugge i lader) slik at produktene går over til å danne flere reaktanter. Når produktene er oppbrukt er batteriet fulloppladet igjen.
Når man lader opp batterier(snur reaksjonen) blir anoden og katoden byttet om.
Slike batterier kan gjennomgå flere hundre sykluser før kvaliteten synker drastisk.
Blir brukt i alle slags bærbare enheter:
mobiler, laptopper, iPad, kameraer, osv.
Hva er “Reserve” Batteries?
Elektrolytten i et “reserve battery” er isolert fra resten av batteriet for å redusere selvutlading eller kjemisk degradering(som ofte er i andre batteri).
Denne typen batteri lagres på lang sikt og leverer høy spenning over en relativt kort periode.
Forklar hva en brenselcelle er og hvodan den fungerer?
Materialer (reaktanter, produkter og elektrolyter) passerer gjennom batteriet, som enkelt konverterer kjemisk energi til elektrisk energi.
Disse batteriene kan kjøres uendelig lenge(gitt at de blir supliert med elektrolytter.)
Hvordan fungerer alkali-batteri? Eller kanskje bedre kjent som tørr-celle?
Alkali-batteri kalles tørr-celler fordi ingen væske er tilstede. De er primærceller, så de kan ikke opplades.
Oksideringen skjer på zink(s) anoden:
Zn(s) => Zn2+ + 2e-
Og reduksjonenn skjer på Grafitt katoden: 2MnO2(s) + H2O(l) => Mn2O3(s) + 2OH-(aq)
Denne brukes fortsatt fordi den er enkel å lage. Viktig å resirkulere riktig.
Hva er fordelen med knappebatteri?
På grunn av at ingen løsninger er involvert i reaksjonen, er kvantiteten av elektrolytt veldig liten slik at elektrodene kan være veldig nærme hverandre.
Dette fører til at batteriet er veldig flatt.
Cellepotensialet er 1.8V, og lagringskapasiteten er 6-ganger større enn for alkaibatterier av lik størrelse.
Hva er den teoretiske maksimale energien tilgjengelig som elektrisk energi i hvilken som helst elektrokjemisk celle?
Den teoretiske maksimale energien tilgjengelig som elektrisk energi i hvilken som helst elektrokjemisk celle er ∆rxG° for reaksjonen.
Hva er den maksimale energien som kan frigjøres når en brensel blir brenner?
Den maksimale energien som kan frigjøres når en brensel blir brenner er ∆rxH° .
Man kan heretter finne effektivitetsgraden . e = ∆rxG° / ∆rxH°
Hva er korrosjon?
Korrosjon refererer til nedbrytningen av materialer, spesielt metaller, som oppstår som følge av reaksjoner med miljøet. Dette fenomenet er vanligvis assosiert med metallisk korrosjon, hvor metaller reagerer med oksygen, fuktighet eller andre kjemiske stoffer i miljøet.
De mest kjente eksemplene på korrosjon inkluderer dannelsen av rust på jern eller stål.
Du har e blanding av Fe(s), vann og luft. Hva skjer?
Reduksjon(katode):
O2(g) + 2H20(l) + 4e- => 4OH-(aq)
Oksidasjon(anode):
2Fe(s) => 2Fe2+ +4e-
E°_celle = E°(O2/OH) - E°(Fe2+/Fe) = 0.401V -(-0.440V) = 0.841 V
Som vil si at dette er en spontan reaksjon når reaktanser og produkter er i sine standardtilstander.
Hva kan du si om korrosjon i syrlige løsninger?
I løsninger med lav pH er korrosjonsgraden stor. Her er reduksjonsreaksjonen:
O2(g) +4H+(aq) +4e- => 2H2O(l)
E°(O2/H2O) = 1,229V
Hvorfor korroderer ikke jern i kontakt med sink?
Når jern er i kontakt med Zink vil ikke jern korrodere fordi zink har ett lavere reduksjonspotensial enn jern. Som bare betyr at i denne sammenhengen vil jern reduseres og Zink oksideres.
Man bruker ofte zink som en såkalt offer anode for å beskytte konstruksjoner(som er i kontakt med vann og luft) mot korrodering av jern.
Man kan også bruke andre offeranoder, så lenge jern har høyest reduksjonspotensial.
Hva er forskjellen på korrosjon av aluminium og korrosjon av jern?
Når aluminium korroderer, formes det korrosjonsrodukter som sitter kompakt og dekker det underliggende metallet og forbygger videre korrosjon.
Når jern korroderer, dannes det sprøe og flakete rust biter, som over tid flakes av og eksponerer det underliggende metallet slik at rustprosessen fortsetter.
Nevn ulike måter å beskytte jern mot korrosjon?
Overflatebelegg:
Påføring av et beskyttende belegg på overflaten av metallet kan bidra til å hindre kontakt med korrosive stoffer. Eksempler på overflatebelegg inkluderer maling, lakk, epoksy og andre polymerbaserte belegg.
Elektrogalvanisering:
Dette involverer påføring av et tynt lag av et mer korrosjonsbestandig metall på overflaten av et mindre bestandig metall. Vanligvis brukes sink eller krom som belegg på jern eller stål.
Galvanisering:
Dette er en prosess der metallet dyppes i smeltet sink. Dette danner et sinklag på overflaten, og sinket fungerer som en beskyttende barriere som hindrer korrosjon.
Bruk av korrosjonsbestandige materialer:
Ved å velge materialer som er naturlig motstandsdyktige mot korrosjon, for eksempel rustfritt stål eller aluminium, kan man redusere risikoen for korrosjon.
Kathodisk beskyttelse:
Dette er en teknikk der et aktivt metallelektrode (som sink) plasseres i direkte kontakt med det korroderende metallet. Dette får det aktive metallet til å korrodere i stedet for det viktige metallet.
Korrosjonshemmende midler: Noen kjemikalier kan legges til miljøet for å redusere korrosjon. Dette kan omfatte bruk av korrosjonshemmende oljer, væsker eller gasser.
Designendringer:
Endringer i designet av komponenter eller strukturer kan bidra til å minimere korrosjon. Dette kan inkludere tiltak som drenering for å unngå stillestående vann, ventilasjon for å redusere fuktighet, og bruk av avstandsstykker for å hindre direkte kontakt mellom ulike metaller.
Regelmessig vedlikehold:
Inspeksjon og regelmessig vedlikehold er viktig for å oppdage eventuelle tegn på korrosjon tidlig og iverksette tiltak før skade blir alvorlig.
Hva kan magnesium(Mg) gjøre for å hindre korrosjon av jernkonstruksjoner ved kysten?
Man kan feste en bit med Mg(s) til det du skal beskytte(enten direkte eller via en ledning). Dette vil gjøre at magnesium oksideres bort sakte.
Jernet mottar elektroner fra oksidasjonen av magnesium(det aktive metallet). Jernet er katode og magnesium er anode.
Dette kalles katodisk beskyttelse. Og magnesium er her offer-anoden.
Hva er forskjellen på en aktiv og inert elektrode?
En inert elektrode slik som platinum (Pt), kommer med en overflate hvorav en elektrolysehalvcelle-reaksjon kan skje, men reaktantene selv må komme fra elektrolytt-løsning
En aktiv elektrode er en som selv tar deltakelse i en oksidasjon/reduskjon-halvreaksjon.
Forklar bruken av Pourbaix diagram.
Elektrodepotensial for reduksjonsreaksjoner plottet som funksjon av pH
Hensikt:
Forutsi korrosjon ved å sammenligne katode- og anode
reaksjoner ved likevekt. Dersom E > 0 er reaksjonen spontan og vi har korrosjon.
Indikerer hvilke komponenter/faser i vandig løsning som erstabile i ulike pH områder ved elektrodepotensial
* Bruker Nerns ligning
Linjer tegnes for 1M eller 10-6 M (valgt “cut-off”)
Grunnlaget for bruk av Pourbaixdiagrammer er altså å vurdere om reaksjonen av interesse kan skje. Korrosjon er det samme som at noe oksiderer.
Det vil si at reaksjonen vi er interessert i er anodereaksjonen (for eksempel oksidasjon av jern,
Fe(s) → Fe2+(aq) + 2e-). For at en oksidasjon skal kunne skje må samtidig noe reduseres.
Det som reduseres må være noe som er tilgjengelig i og rundt jernet i vårt tilfelle. I naturen har vi vann og god tilgang til oksygen i luft. De vanligste reduksjonsreaksjonene er derfor:
- Reduksjon av vann eller H+ til hydrogengass
- Reduksjon av oksygen løst i vann
Reduksjon av vann eller H+(aq) til hydrogengass
Husk at når vi bruker Nernst ligning så må vi gjøre det for en fullstendig redoksreaksjon.
Men ettersom vi har definert standard hydrogenelektroden (SHE) som referanse med potensial lik 0 V og alle komponenter i standard tilstand (aktiviteter lik 1. Dvs. 1 bar trykk og 1 mol L- konsentrasjon) så kan vi simpelthen bruke Nernst ligning også på halvreaksjoner ved å anta at den er mot SHE.
Det er da bare halvreaksjonen av interesse som bidrar til standard cellepotensial, samt bare disse konsentrasjonene/trykkene som vil kunne være forskjellig fra 1.
Husk at vi enkelt kan bruke andre partialtrykk.
Vi har fått resultatet på bildet nedenfor. Hva gjør vi videre? Hvordan ser linjen ut på Poubaix?
Vi har nå et uttrykk for potensialet til reduksjon av H+(aq) til hydrogengass som avhenger av pH. Vi ser at det blir ei rett linje i et E-pH diagram med helning -0,0591 V
Hvordan regner vi hvis vi har en reaksjon i basisk miljø? Hvordan ser Pourbaix diagrammet ut?
Vi leser diagrammet i Figur 5 som at dersom vi er på et punkt under linja for reduksjon av H+(aq) eller H2O(l) til H2(g) så vil vi få en reduksjon.
Det vil si at H2(g) er den stabile fasen under linja og H+(aq) og H2O(l) den stabile fasen over linja. Så om vi befinner oss ved en pH og potensial som er over linja vil vi ikke ha reduksjon av H+(aq) eller vann til H2(g).
Reduksjon av oksygen løst i vann
Hvilke konklusjoner kan man ta ut ifra pourbaix diagrammet nedenfor?
—Gull ligger over både oksygenreduksjon og hydrogenutvikling for alle pH-verdier. Det betyr at
gull ikke korroderer i hele pH-området.
—Kobber ligger over linja for hydrogengassutvikling for alle pH og vil ikke kunne korrodere med hydrogenutvikling. Derimot vil kobber ligge under linja for oksygenreduksjon for alle pH og kobber vil derfor kunne bli oksidert for alle pH mens oksygen reduserer.
=» Korrosjon fordi 𝐸(O2|H2O) > 𝐸(Cu2+|Cu)
—Jern vil også kunne oksidere (korrodere) for alle pH med oksygen som reduserer.
=» Korrosjon fordi 𝐸(O2|H2O) > 𝐸(Fe2+|Fe)
—Jern vil oksidere med hydrogengassutvikling for pH under ca. 10,50.
=» Korrosjon når 𝐸(H+|H2) > 𝐸(Fe2+|Fe), det vil si at jern korroderer med hydrogenutvikling for pH under pH ca. 10,50 og ingen korrosjon for høyere pH-verdier.
Kan man sette inn kjemiske likevekter i Pourbaix?
Ja vi kan legge til kjemiske likevekter i Pourbaixdiagrammer dersom de involverer OH- eller H+, dvs. at likevektene er avhengig av pH.
Disse reaksjonene overfører ikke elektroner og vil dermed ikke avhenge av potensialet. Vi fortsetter med jern og ser på løselighetslikevekten av Fe(OH)2(s).
Videre pourbaix
Fristelsen er nok stor for mange å bare ta en reaksjon som ligner på den vi ønsker. Men da blir det ikke rett. Husk at alle komponentene må være de samme, inklusive aggregattilstand (s, l, aq, g).
Flere er nok usikre på hvordan vi skal finne verdier for ΔGo for reaksjonen når vi ikke vet hva ΔGof er for elektronene som overføres. Men ikke bekymre deg.
Det vi egentlig gjør er å balansere reaksjonen mot standard hydrogen-elektroden slik at elektronene kanselleres.
Standard hydrogenelektroden vil ikke bidra til potensialet ettersom potensialet er 0 per definisjon Eo(SHE) ≡ 0 (eksakt lik null), samt at [H+] og PH2(g) = 1.
