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🌡️ 📆 令和6年5月29日
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03.材料の電気伝導-化学結合の種類-

山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  🔋 C1 📛 立花和宏

🔚 🏫 エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 📆 時間割 🕥10:30- 🕛12:00 仮想教室中示範B C1 zero zoom

エネルギーと物質

エネルギーの種類と物性

物性には、 熱物性機械物性電気物性光物性がある。 それぞれ、熱エネルギーに対して物質が

スペクトルでは、波長の短い青の方がエネルギーが大きく、波長の長い赤の方がエネルギーが小さいです。ストーブをがんがん燃やしても、日焼けせず、ちょっと日を浴びるとすぐ日焼けするのはそのためです。

数式- 27

エネルギーとバルクの材料物性

  1 エネルギーとバルクの物性 *
エネルギー 物性値 対象となる 材料 用例
💪力学 ポアソン値
弾性率 弾性体
粘性率 流体
⚡電気 導電率S/m 電解液、溶融塩 導体
抵抗率 [Ω/m]

🏞 アルミニウムの 抵抗率 ρ は、 2.655×10-6 Ω·mです。

*
誘電率 絶縁体
透磁率
🌟光 屈折率、反射率、吸収率、透過率
🔥熱 融点、沸点

🏞 水の 三重点 Ttp は、 273.16 Kです。

比熱容量
熱膨張(線膨張係数、体膨張係数)、
熱伝導率
🧪化学 濃度
密度

バルクには、少なくとも物性が定まる程度の寸法が必要です。 たとえば、原子内部などに、物性を議論するのは無意味です。

の三重点は、物理定数です。


電気化学工業

  1 348 電気化学工業
© K.Tachibana

  2   電気化学工業
物質
電解製造 電解採取 水溶液🏞 🧪 塩素 、 🏞 苛性ソーダ、 (食塩電解🏞水素 、 亜鉛
溶融塩🏞 アルミニウム
電解合成 水溶液 :二酸化マンガン
有機物 :アジポニトル
電解精製
電気透析 🏞 食塩

洗剤や漂白剤は液体の化学薬品がそのまま身近な生活に使われます。 温度と圧力で作ることができる液体や気体は灰汁やアンモニアです。 今やぼくらは電気の力を化学に使うことができる。 それが電解です。 加熱や加圧の 単位操作だけでは作れなかった化学薬品を手に入れましょう。

1 ) 2 )

  3 0.  29  エネルギーの種類
kWhJ 関係式 示強性変数 示量性変数 物質量あたり
マクロ
粒子あたり
ミクロ
🧪 化学エネルギーG G=⊿H-TS 化学ポテンシャル 物質量〔mol アボガドロ数
NA
🔥 熱エネルギー 🖱
Q= TS
RT
温度 T 〔Kエントロピー S 〔J/K気体定数 R 〔J/K・mol ボルツマン定数  kB 〔J/K
💪 力学的エネルギー E 🖱 W=pV 圧力 p 〔Pa 体積 V 〔m3理想気体のモル体積 x 〔L/mol
電気エネルギー E 🖱
E=VQ
E=nFE
電圧 V 〔V電気量 Q 〔Cファラデー定数 F 〔C/mol電気素量 e 〔C
🌟 光エネルギー E E=hν 振動数 ν 〔Hzプランク定数 h 〔J・s

エネルギーは、相互に エネルギー変換できます。 エネルギーは保存則でなくなりませんが、有効な仕事として利用できるエネルギー(エクセルギー)の割合は減っていき、廃熱(アネルギー)の割合が増えていきます。 その意味で、熱エネルギーはエネルギーの廃棄物と言えます。

状態量

物質の分類

物質 純物質 単体 化合物 混合物 均一混合物 不均一混合物
  2 *  物質の分類
03 エネルギー化学 01 無機工業化学 08 化学・バイオ工学英語 05 卒業研究

物質は、 温度や圧力 によって、様々な状態をとります。 物質が固体、液体、気体、 超臨界流体のいずれの 状態を示した図を 状態図と言います。 分子結晶は、昇華しやすく、 イオン結晶は、融点や沸点が高いです。


材料の分類

  4 41 固体 材料
金属材料 非金属材料 複合材料
鉄鋼材料 非鉄金属材料 セラミックス
ガラス
高分子
ゴム
炭素鋼
合金鋼
鋳鉄
鋳鋼
金・銀 ・
🏞 🧪 アルミニウム
マグネシウム
ニッケル
チタン
亜鉛
🏞 石材
🏞 木材 ・皮・ 繊維
繊維強化プラスチック
繊維強化金属
鉄筋コンクリート
金属強化セラミックス

材料は、その材質の違いにより金属材料と非金属材料に分類されます 3 )

狭い意味で、材料といったとき、常温常圧で固体の 状態物質を指すことがあります。

純物質としての 金属は、柔らかすぎるので、混合物の合金が使われます。広い意味での混合物の固体材料を複合材料と呼ぶことがあります。


電気を流す固体と流さない固体-金属、半導体、固体電解質-

水は、10-7程度は、H+とOH-に乖離している。これをオートプロトリシスと言う。 水の中の酸素原子と水素原子の結合は、共有結合だろうか?イオン結合だろうか?

ケイ酸塩は、ケイ素原子を酸素原子を取り囲んだ構造になっている。 ケイ酸塩とはいうものの、ケイ酸イオンの状態はほとんど存在しないと言っていい。 ケイ酸塩中の、ケイ素原子を酸素原子の結合は、共有結合だろうか?イオン結合だろうか?

  5 純物質  化学結合結晶
結合の種類 結晶 性質や特色 物質の例
イオン結合 イオン結晶 固体 導電率が小さい(絶縁体)。水溶液や溶融塩 導電率が大きい。 ( キャリア :イオン)。 塩化ナトリウム、塩化銀、水酸化ナトリウム
共有結合 分子結晶 分子式 で表す。融点沸点は低い。 酸素、アンモニア、水※1、ドライアイス
共有結合の結晶 黒鉛や導電性高分子は、例外的に電気を通す。 ダイヤモンド、 黒鉛、 ケイ素水晶 、石英※2
金属結合 金属の結晶 導電率 が大きい( キャリア自由電子)。 銅、亜鉛🜀 アルミニウム リチウム

※1.水分子は共有結合に分類されるが、液体の水はわずかに電離して電気を流す。 このイオン結合的な性質を、極性分子と表現する。

※2.ケイ酸塩のケイ酸はイオン結合に分類されるが、共有結合としての性質が強く、焼成などで成型することができる。


  6  金属と絶縁体
固体の分類 結晶 性質や特色 物質の例
金属 金属( 導体 金属光沢がある。 金属伝導 鉄、 🜠 銅、亜鉛、 🜀 アルミニウム
半金属 ギャップ幅が狭く、価電子帯の頂上と伝導帯の底がフェルミ準位を横切って いる 黒鉛 *、ビスマス、アンチモン
絶縁体 半導体 ギャップが比較的狭い ケイ素( 共有結合)、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、炭化ケイ素
絶縁体( 不導体 ギャップが比較的広い 酸化アルミニウム(イオン結合) ダイヤモンド(共有結合)

電気を流すのは金属だけです。黒鉛が電気を流すのは例外です。

導体としては金属や合金が一般的であり、CuやAlなどの金属は送電用ケーブルに使用される。

最新工業化学―持続的社会に向けて―より引用
https://www.hakko.co.jp/qa/qakit/html/h01100.htm

現在の山形大学の使用電力は下記の図に示したとおりです。

山形大学工学部の現在の使用電力
山形大学工学部の現在の使用電力
✍ 平常演習

送電線の抵抗によるエネルギーが損失を計算してみましょう。

純粋な水は、ほとんど電気を流さない。 でも、高電圧をかければ純水でも電気分解ができるのだろうか?


電子伝導とイオン伝導-キャリアの種類-

電荷担体

  3 電荷担体

電気が流れるのは電気を運ぶ何かが移動するからです。この電気を運ぶ何かをキャリア(担体)と言います。 キャリアには電子とイオンがあります。金属は電子伝導、電解液はイオン伝導です。 欠陥がキャリアになることもあります。電子の欠陥はホール(正孔)であり、イオンの抜け穴はベーカンシー(空孔)です。

固体の導電性は、バンドで説明できます。 4 ) 5 )

金属結合

電解質


金属の結晶


209
イオン結晶
©K.Tachibana

  7  混合伝導、イオン電導、電子伝導
電気伝導の分類 物質の分類 物質の例
電子伝導 金属 、 半導体 、アルミニウム、亜鉛
混合伝導 半金属 黒鉛 、 酸化マンガン(Ⅳ)、 マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム
イオン電導 電解液電解質 水酸化カリウム水溶液、硫酸水溶液、海水、 酸化アルミニウム(イオン結合:アノード酸化時)

イオンの移動

  8  イオンの移動
形態 説明 流動
対流 重力・動力(撹拌)
🖱 泳動 電位勾配/ クーロン力/導電率 位置エネルギーを最小に 慣性支配
🖱 拡散 濃度勾配/拡散係数 エントロピーを最大に 拡散方程式 拡散過電圧 粘性支配

拡散と対流は、イオン移動だけでなく物質移動でも起こります。拡散はイオン移動だけでなく 熱移動でも起こります。


電位プロファイルと導電率

  5 101
©K.Tachibana

導電率は、 物性値です。 ベクトル量なので、導電異方性があれば、方向依存性があります。

導電率は、電流密度を電界の強さの比です。 電界の強さは電位勾配であり、電位勾配を見るには位置に対して電位を示した電位プロファイルが便利です。

また 導電率は、 移動度 と電荷密度の積です。 移動度は粘度に反比例し、 電荷密度は、イオンの濃度に比例します。

書きかけです

κ = μ ρ
導電率
数式- 1
移動度 μ 〔m2/V・s〕=ドリフト速さ v 〔m/s〕÷電界の強さ E 〔V/m〕
移動度 μ 〔m2/V・s〕=電気量 Q 〔C〕÷(6×円周率×流体力学的半径 a 〔m〕×粘度 η 〔Pa・s〕)

書きかけです


187
©K.Tachibana

電気を流す液体と気体-溶融金属、溶融塩、電解液、固体電解質、プラズマ-

空気は電気を流しません。流そうとすると1センチあたり3万ボルトの電圧が必要です。

真空は電気を流します。

  9  電解質 (電子絶縁体)
分類 状態 性質や特色 物質の例
気体 プラズマ 電離したイオンと電子が動く
液体 電解質溶液 イオン結晶が、溶媒中で、電離し、 溶媒中を溶媒和したイオンが 泳動 食塩水, KOH aq, LiPF6/EC+DEC
溶融塩、イオン液体 イオンが泳動 LiCO3+KCO3
固体 ゲル電解質 溶媒で膨潤したマトリクス中をイオンが 泳動 PVdF?
固体電解質 固定された格子中をカチオンが半融状態で 泳動 AgI LiF(SEI) ポリマー電解質

電気分解は、電解質(電子絶縁体)の絶縁破壊です。

電気を運ぶものを キャリア (担体)と言います。 キャリア には、電子、ホール(正孔)、イオン、空孔(ベーカンシー)があります。


ピカッとさいえんす

電気の流しやすさ-導電率、濃度、移動度-

  10 導電率 の大きな 電解液
材料 導電率 / S/m 抵抗率 / Ω・m
1M KCl aq 11.00 0.09
0.1M NaOH aq 6 ) 2.20 0.45
1M LiPF6/PC+DME(1:1mol) 7 ) 1.59 0.63
35wt%食塩水( 🏞 海水) 8 ) 4.00 0.25
水道水 9 ) 0.01 100.00

電解液( 電解質) はイオン電導です。自由電子による 金属の電子伝導に較べて導電率は8桁ほど小さくなります。 電池の内部抵抗を減らすには、 電極面積を増やし、電極間距離を縮め、導電率の高い電解液を使います。

導電率は 物性値なので、材料の形状によりません。 かたや形状のない材料などありません。


正極の構造


セル定数

セルとセル定数

  7 102 セルとセル定数
©K.Tachibana

平行平板電極であれば、
セル定数a=電極間距離d÷セル断面積S
です。 一般的には、導電率既知のKCl溶液などを使って、セル定数を較正します。

コンダクタンス=導電率
電気抵抗=抵抗率×長さ÷電極面積

導電率の測定では、 セル定数が必要です。


導電率の測定原理

電気抵抗と抵抗率


コンダクタンスと導電率


表計算ソフト

  11 表計算ソフト
A B C D E
1 test test test test test
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計算ソフトは、 データ の計算や グラフ化 に使います 10 ) 。 Microsoft®Excel®に代表される表計算ソフトはもっともよくつかわれる アプリ でしょう。 ほかにも kingsoftのSpreadsheetsや、 GoogleのGoogle スプレッドシートなどがあります。 中にはVBAまで動作する互換性の高いものも。でも インピーダンス の計算に使う複素数アドオンなどはやはりExcel®かも。 最近は クラウド で動作するオンラインが増えていますが、測定器などはまだまだオフライン。


  • 分子軌道計算 化学結合 発展: エネルギー変換化学特論 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
    次回:セルの組立―電池式の書き方と電極の呼び方―
    ©2024 Kazuhiro Tachibana

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    q71

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    2024年1月21日 松木健三名誉教授がご逝去されました。

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