Pin Volta

1. Pin Volta sơ cấp Pin Volta, gọi đơn giản là pin, là một tế bào điện hóa trong đó phản ứng hóa học được dùng để tạo ra dòng điện . Các pin đơn giản đầu tiên, ví dụ pin dùng trong các đèn flash, không thể nạp điện trở lại do anot, catot và các chất điện ly không thể trở lại trạng thái ban đầu dưới tác dụng của dòng điện ngoài. Pin Daniel và pin khô là các ví dụ điển hình về loại này. a) Pin Daniel Hiện nay còn ít được sử dụng nhưng cấu tạo đơn giản của nó có thể dùng để minh họa cho dễ hiểu . Cấu tạo của pin bao gồm một catot nhúng trong dung dịch CuSO4 bảo hòa nằm cân bằng với CuSO4 tinh thể và anot gồm thanh kẽm nhúng trong dung dịch ZnSO4 chảy phía bên trên dung dịch CuSO4 bảo hòa. Khi hai kim loại được nối nhau bằng dây dẫn, electron chạy từ kim loại dễ bị oxi hóa là kẽm sang kim loại khó bị oxi hóa hơn là đồng.

Khi nồng độ

càng gia tăng thì sức điện động của pin càng giảm. Hình 6.7. Cấu tạo pin Daniel

b) Pin khô Pin dùng để thắp sáng quen thuộc, còn gọi là pin Leclanché, là một trong các loại pin khô. Cấu tạo bao gồm một bình chứa bằng kẽm đóng vai trò anot và một hỗn hợp ướt của và chất độn trơ ví dụ như mạt cưa. Hỗn hợp được phân cách giữa anot và catot bởi một giấy thấm. Khi pin hoạt động anot kẽm bị oxi hóa thành ,

electron được dùng cho quá trình khử MnO2 tại catot. Quá trình khử chưa được xác định chính xác, nhưng có thể phản ứng hợp lý là . NH4+ + MnO2 + e

-> NH3 + MnO(OH)

NH3 tạo thành từ phản ứng sẽ taọ phức với Zn2+ Zn2+ + 4NH3

-> Zn(NH3)42+

Quá trình tạo phức này làm giảm nồng độ và do đó giúp cho thế điện cực kẽm hầu như không thay đổi. Ngoài ra quá trình này cũng ngăn cản quá trình tích tụ lớp cách điện NH3 tại catot, mà ta gọi là quá trình phân cực, nó làm cho hoạt động của pin bị ngừng . Một loại pin khô khác, còn gọi là pin kiềm cũng sử dụng kẽm và MnO2 nhưng chất điện ly là KOH thay vì NH4Cl. Nhiều loại pin này có kích thước nhỏ được sử dụng trong máy ảnh, máy tính, đồng hồ. Pin Rubin-Mallory cũng là một loại pin khô dùng cho các máy trợ nghe. Cấu tạo gồm một bình chứa bằng kẽm làm anot, điện cực Hg/HgO với bột cacbon làm catot, chất điện ly KOH. Pin tạo một thế hiệu là 1,35V.

2. Pin Volta thứ cấp Pin Volta thứ cấp là các loại pin có thể dùng dòng điện bên ngoài để đưa pin trở về trạng thái ban đầu lúc pin chưa phóng điện. Các Acqui chì và pin Ni-Cd là các ví dụ về pin Volta thứ cấp.

a) Acqui chì Bình điện của các ôtô là các aqui chì. Ðiện cực là các tấm hợp kim của chì, ở dưới dạng lưới. Phần bên này chứa PbO2, phần bên kia chứa bột Pb ở dạng xốp. Dung dịch H2SO4 loãng đóng vai trò chất điện ly. Khi acqui phóng điện: - Chì bị oxi hóa thành ion, kết hợp mặt chì, điện cực đóng vai trò anot. Pb + SO42- -> PbSO4

và

- Electron được chuyển đến nước. Một

không tan bao phủ bề

+ 2e

lần

nửa

ion

. Ðiện cực này đóng vai trò catot. PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e -> PbSO4 + 2H2O Sau khi phóng điện hết có thể thực hiện quá trình tích điện trở lại bằng cách áp đặt vào hai điện cực một dòng điện có thế hiệu xác định. Lúc này acqui chì sẽ đóng vai trò bình điện phân. Các bán phản ứng xảy ra tại các điện cực hoàn toàn tương tự nhưng ngược chiều so với ban đầu. Phản ứng xảy ra khi acqui nạp điện và phóng điện như sau:

Do H2SO4 nặng hơn nước nên acqui chì có thể được thử bằng cách đo tỉ trọng chất điện ly. Sức điện động tiêu chuẩn của acqui được xác định từ thế điện cực tiêu chuẩn của các điện cực: 0,36 + 1,69 = 2,05V Khi sử dụng hiệu thế giảm chậm. Aqui 12V sử dụng trong các xe gồm 6 aqui chì.

Hình 6.10. Cấu tạo Acqui chì b) Pin Ni- Cd Pin sử dụng trong máy tính dùng các điện cực Ni và Cd. Kim loại Cd đóng vai trò anot, oxit Ni(VI) bị khử thành hidroxit Ni(II) tại catot. Chất điện ly là dung dịch hidroxit. Khi phóng điện:

Phản ứng xảy ra khi pin phóng điện;

Khi nạp điện xảy ra phản ứng ngược lại. Cuối cùng cần lưu ý rằng: - Ðối với pin: anot mang dấu (-), catot mang dấu (+ ) - Ðối với bình điện phân ; anot mang dấu (+), catot mang dấu (-) Tuy nhiên đối với tất cả các loại tế bào điện hóa thì: - Anot: xảy ra quá trình oxi hóa. - Catot: xảy ra quá trình khử. Khi ghép một pin với một bình điện phân: Ðiện cực âm của tế bào này nối với điện cực âm của tế bào kia, Ðiện cực dương của tế bào này nối với điện cực dương của tế bào kia. Hình 6.11. Sơ đồ liên hệ giữa một pin với một bình điện phân

3.Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là các loại pin mà các vật liệu dùng làm điện cực thường được sử dụng dưới dạng khí, được cung cấp liên tục vào tế bào điện hóa và bị tiêu thụ để tạo dòng điện. Một loại pin nhiên liệu thường được sử dụng trong các tàu con thoi trong không gian dựa trên phản ứng giữa H2 và O2 tạo thành nước. Khí H2 được khuếch tán qua anot là một điện cực xốp được phủ một một lớp xúc tác rất mịn là Pt hoặc Pd trên bề mặt. Khí O2 được khuyếch tán qua catot cũng là một điện cực xốp bao phủ bởi oxit cobalt, Pt hay Ag đóng vai trò chất xúc tác. Hai điện cực được ngăn cách bởi một dung dịch NaOH hay KOH đậm đặc đóng vai tró chất điện ly. Khí H2 khuếch tán qua anot, bị hấp thụ trên bề mặt dưới dạng H nguyên tử, phản ứng với của chất điện ly tạo thành nước:

2H + 2OH - -> thành

2H2O + 2e

Electron được chuyển đến catot, O2 bị hấp thụ trên bề mặt điện cực và bị khử bù đắp lượng bị phản ứng mất ở anot. O2 + 2H2O + 4e ->

4OH-

Phản ứng tổng là: Rất nhiều nổ lực để tạo ra các loại pin với các loại nhiên liệu và điện cực khác, ví dụ CH4 và các hidrocacbon. Hiệu quả của pin nhiên liệu cao hơn các loại pin khác vì dòng điện được tạo ra trực tiếp từ nhiên liệu mà không có sự hao phí năng lượng do nhiệt, quá trình này có thể tiêu hao 60% đến 80% năng lượng hóa học. Pin nhiên liệu, hiện nay, tăng hiệu suất chuyển hóa từ 30% đến 40%. Mặt khác pin nhiên liệu không gây ô nhiểm, sản phẩm chỉ là CO2và H2O.