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🌡️ 📆 令和6年6月25日

電解工業と電気化学

山形大学  理工学研究科(工学系)  物質化学工学専攻  🔋 C1 立花和宏


鉱石から大量の電気で単離する アルミニウムは電気の塊と言っていい。 それをさらにエネルギーを消費して成型して自動車部品にしたり飲料缶にしたりする。 最後は、またエネルギーを使って燃やすごみにする。

銅の電析出
1000℃、 4Vが作る新幹線―非鉄金属―

エネルギーの種類

  1 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

電気抵抗

  2  電池の内部抵抗の原因
サイト 抵抗の種類 細分 原因
バルク 溶液抵抗 溶液の導電率 ( 抵抗過電圧
合材層の電子抵抗 導電助剤の炭素粒子同士の抵抗は、接触抵抗であるが、 不均一多孔質の合材層を、ひとつのバルクとみなしたときは、 合材層の電子抵抗ということになる。
拡散抵抗 拡散過電圧(濃度過電圧) イオン移動
集電体 の抵抗 金属の抵抗率 (抵抗過電圧)
界面 接触抵抗 集中抵抗 オーミック界面 点接触による電流の集中
皮膜抵抗 ショットキー界面 トンネル電流
反応抵抗 ショットキー界面 反応過電圧 (活性化過電圧)

電池 の劣化は、形状変化による 接触抵抗の増大です。

電池の発熱は、電流の二乗×内部抵抗。 発熱は、無駄な発電負荷であり、無駄な二酸化炭素の排出。 大型電池ほど、放熱が不利になり、熱暴走のリスクが高まります 電池の内部抵抗を下げることが、脱炭素社会への道。

Vo Q = Ve.m.f. Q - η t Q Q t

過電圧(電圧降下)=活性化過電圧+濃度過電圧+抵抗過電圧(溶液抵抗+接触抵抗

η = η a + η con + η IR

金属の結晶

  1 208
金属の結晶
© K.Tachibana , C1 Lab.

金属結合


イオンの結晶

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イオン結晶
©K.Tachibana

金属と絶縁体

  3  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

抵抗過電圧は電力を消費させ、ジュール熱を発生する。 得たいものは純銅であって、熱ではないのに、熱が発生する。 電極面積を大きくし、電極間距離を短くし、塩濃度を上げて、電解液の導電率を大きくしても、必ず熱が発生する。

✍ 平常演習

Cu の電解精錬にはなぜ電力が必要か?

回答

Cu の電解精錬で節電するにはどうしたらいいか?

Cu の電解精錬の短絡防止技術を考察せよ


エネルギー化学特論
✍ 平常演習
💯 課外報告書 Web Class

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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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管理運用
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