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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  仁科辰夫

エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 📆 🕥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

電気化学工業

  1 348 電気化学工業
© K.Tachibana

  1   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 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

  2 0.  29  エネルギーの種類
示強変数示量変数物質量あたり粒子あたり
🧪 化学エネルギーGJ 化学ポテンシャル 物質量〔mol アボガドロ数
🔥 熱エネルギー Q 〔J〕=TS 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 〔J〕=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 〔J 🖱 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 〔J〕 =hν 振動数 ν 〔Hzプランク定数 h 〔J・s
00,01, 14. エネルギー化学 01, 02. .エネルギー化学特論

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

材料の分類

  3 41 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
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
セラミックス
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
01.無機工業化学 08.工業概論 03.エネルギー化学

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?

  4 純物質の  化学結合の種類
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 固体は 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。


  5  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)
03.エネルギー化学 02.エネ特 1217 0216

電気を流すのは金属だけと思ってよい。それ以外に電気を流すのは特例である。

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 Web Class

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-

電気が流れるのは電気を運ぶ何かが移動するからである。この電気を運ぶ何かをキャリア(担体)と言う。 キャリアには電子とイオンがある。金属は電子伝導、電解液はイオン伝導である。 欠陥がキャリアになることもある。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)と呼ばれる。


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金属の結晶
©K.Tachibana

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イオン結晶
©K.Tachibana

  6  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

  7  イオンの移動
形態
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

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


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©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。

  8  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動く 食塩水, KOH aq, LiPF6/EC+DEC
溶融塩、イオン液体 イオンが動く 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動く PVDF
固体電解質 固定された格子中をカチオンが動く 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。


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-

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。


セル定数

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©K.Tachibana
導電率の測定原理
  • 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―
    ©2022 Kazuhiro Tachibana

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