HOME 教育状況公表 令和3年10月18日

09.サイクリックボルタンメトリーと交流インピーダンス法-

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 English korea 簡体 繁体

分極曲線とポテンショガルバノスタット

ポテンショスタットは、 参照電極に対する作用電極の電位を一定に保つ装置です。そのときの電流を測定することで分極曲線を測定します。 3極式セルでは、 作用極、対極、参照電極の電極があります。


ポテンショスタットシミュレータ2020(工事中)

ポテンショスタット

ポテンショスタットの実態配線図

ポテンショスタットの参照電極につなぐ端子を対極につなぎ、 二極式セルとして、分極曲線を測定すると、分解電圧を求めることができます。

分極曲線

平衡電位から電位をずらす(分極)すると、活性化過電圧のみの場合は、ある電位から指数関数的に電流が増加します。電流は反応速度を表します。 実際には溶液抵抗が存在するので、電流はあるところから直線的に増加するようになります。 分解電圧は、その直線を外挿して求めます。

溶液抵抗と分解電圧曲線

ポテンショスタットについて調べ、どのような場面で活用されるのかを書きなさい。


サイクリックボルタンメトリーと電位掃引速度

拡散支配のサイクリックボルタンメトリー

ボルタンメトリーは電位を変化させてそのときの電流を観察する測定法です。 電流は反応速度を表します。 したがってボルタンメトリーを測定するときには、 どの電位でどんな反応が起きるかをイメージすることが大切です。

サイクリックボルタンメトリーは反応の可逆性を調べる測定法です。



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RC直列回路のサイクリックボルタモグラム(CV)
©K.Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/54299/Common/Chart/CV-RCs.asp
キャパシタCVシミュレーション
Potential E / V vs.Ag/AgClCurrent I / mA-1.000.001.001.00.50.0-0.5-1.0 L 467.77539341917 72.5000602858321 L 82.2248034310222 217.4999999999 L 467.775196568978 72.5000000001003 L 467.77539341917 72.5000602858321 L 82.2248034310222 217.4999999999 L 467.775196568978 72.5000000001003
  1 キャパシタCVシミュレーション
粘土分散液の電気化学 10.情報処理概論 9.エネルギー化学
サイクリックボルタンメトリー
コールコールプロットの例

なんとかメトリーは、測定法、なんとかグラムは、結果を表します。 「サイクリックボルタンメトリーで酸化電流を評価した。」は、用例的に正しいですが、「サイクリックボルタモグラムで酸化電流を評価した。」は用例的に誤りです。おなじように「サイクリックボルタモグラムを図に示す。」は、用例的に正しいですが、「サイクリックボルタモグラムを図に示す。」は用例的に誤りです。ちなみに、文法的にはぜんぶ正しいです。文法的に正しくて、用例的に誤りだと、言語明瞭意味不明となってしまいます。

サイクリックボルタモグラム https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/54299/Common/Chart/borutamo.asp
化学実験Ⅰ 鉄のボルタンメトリー 電気化学特論 ボルタンメトリー 抵抗のサイクリックボルタモグラム
主な電気化学測定法
名称
クロノポテンショメトリー 充放電曲線など
クロノアンペロメトリー 電流絞り込み曲線など
リニアスイープボルタンメトリー 分解電圧の測定など
サイクリックボルタンメトリー 反応種の特定など
コンダクトメトリー 導電率の測定など
エネルギー化学 電池の電位プロファイル

サイクリックボルタンメトリーについて調べ、何に応用されるのかを書きなさい。

体組成計と塩分計

水は極性があるため脂肪より電気をよく溜めます。だから電気の溜まり具合から脂肪と水分の比率が推定できます。たまっている電気を測るのに、たまっている電気を全部絞り出すより、入れ物を揺さぶって調べる方が簡単です。これが交流を印加する交流インピーダンス測定です。

インピーダンスの測定がもっとも効を奏するのは電解液の導電率測定であろう。導電率を測定する方法をコンダクトメトリーと言う。導電率計として身近な市販品として塩分計などがある。インピーダンスを測定しているという感覚は薄れているかもしれない。また体脂肪計のように誘電率を測定する方法もある。導電率や誘電率のように界面ではなくバルクをターゲットにして測定する方法をバルクメトリーと言う。

導電率計の原理について調べ、どのような場面で活用されるのかを書きなさい。

◇交流インピーダンス法

交流を印加してインピーダンスを測定する方法です。

交流インピーダンス法
電気化学特論 交流インピーダンス法 RC並列 インピーダンス
  インピーダンスに出てくる諸元
物理量 数式 備考
周期 Ts 山のてっぺんからてっぺんまでの時間です。
周波数 fHz f = 1/T 周波数と振幅で交流を表現します。
角周波数 ω ω=2πf
電圧振幅Ep0 交流の大きさの表現には、振幅のほかにピークトゥピークや実効値があります ()。
電流振幅Ip0
インピーダンス Z〔Ω〕 Z = R + j X *
絶対値 |Z| Z = R 2 + X 2
位相角 φ tan(φ)=X/R
アドミタンス Y〔S〕 Y = G + j B *
インダクタンス L L= V I t
静電容量C C= Q V
電気抵抗 R R= V I インピーダンス Z の実部
リアクタンス X インピーダンス Z の虚部、 X=ωL-1/ωC
コンダクタンスG
サセプタンス B
コールコールプロット&ボードプロット

インピーダンスは複素数なので、実部と虚部があります。 実部をリアクタンスと言い、虚部をレジスタンスと言います。 各周波数でのインピーダンスを複素平面上にプロットしたものを コールコールプロットあるいはナイキストプロットと言います。

ランドルス型等価回路

電気化学での交流インピーダンス法ついて調べ、何に応用されるのかを書きなさい。

交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価 RC並列回路のボードプロット ©2021 Kazuhiro Tachibana

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エネルギー化学
  1. 量と単位-自然界を測るものさし-
  2. エネルギーと生活-動力と電力-
  3. 材料と電気-化学結合の種類-
  4. 電気と化学―電池と豆電球のつなぎ方と電流・電圧の測り方―
  5. セルの組立―電池式の書き方と電極の呼び方―
  6. 電気分解とファラデーの法則―銅クーロメーターと電気めっき―
  7. 電池の起電力―銀塩化銀電極とネルンストの式―
  8. 分解電圧―電力効率とターフェルの式―
  9. 測定法-ボルタンメトリーと交流インピーダンス法-
  10. センサーと情報変換-pH電極、参照電極-
  11. 表面処理とアノード酸化―アルマイトと不動態-
  12. 印刷とフォトリソグラフィー―エッチングと腐食―
  13. エネルギー変換と化学―一次電池と二次電池ー-
  14. 自然との共生―バイオと光-
  15. エネルギーと情報-ディスプレイとエレクトロニクス―


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