Notiuni introductive - electrochimie

Notiuni introductive - electrochimie

Electrochimia este stiinta care se ocupa de transformarea reciproca a energiei chimice si electrice stocate in legaturile chimice, studiul interfetelor incarcate electric.

Foloseste notiuni si concepte imprumutate atat din chimie dar si din domeniul fizicii campului electric, dezvoltandu-si puternic notiuni, concepte si legitati proprii.

Se afla in plina dezvotare :- bioelectrochimia- studiul proceselor bioelectrice din sistemele vii si interactiunea lor cu mediul.

fotoelectrochimia

nanoelectrochimia

fizico-electrochimia polimerilor semiconductori

Contribuie la elaborarea unor tehnologii moderne, economice si ecologice cum ar fi metodele electrochimice de analiza si control, metodele de depoluare electrochimica, ingineria electronica,etc .

Electrochimia prezinta o ramura a chimiei fizice, care studiaza sistemele ce contin ioni (solutiile si topiturile electrolitilor), precum si procesele ce decurg la suprafetele de separare a fazelor cu participarea particulelor incarcate - ioni si electroni. Electrochimia poate fi determinata, de asemenea, ca stiinta ce examineaza interactiunea sarcinilor metalului sau semiconductorului cu ionii si moleculele solutiei sau cu ionii topiturii. In unele cazuri astfel de interactiune este insotita cu aparitia in circuitul curentului electric. In aceste conditii, electrochimia poate fi detrminata, ca stiinta, care studiaza procesele fizico-chimice, care sunt insotite cu aparitia curentului electric sau invers, apar la influienta curentului electric asupra compusilor chimici. Originile electrochimiei se afla la sfarsitul sec XIII, anul 1791 cand Galvani a demonstrat asocierea dintre miscarile musculare si natura celulelor punand in evidenta corelarea dintre fenomenele electrice si biologice.

In anul 1800 Volta descopera conversia energiei chimice in electricitate cu ajutorul pilelor electrochimice. In anul 1834 Faraday a descoperit legile electrolizei, care guverneaza masa de substanta formata la trecerea unei cantitati determinate de electricitate prin interfata metal-electrolit(la trecerea a 96500 Culombi se depune 1 Eg substanta).

Presiunea electrolitica de dizolvare (P) a si presiunea osmotica (p)

Presiunea osmotica are drept cauze capilaritatea si diferenta de concentratie.

Presiunea electrolitica este tendinta metalelor de a trimite ioni in solutie.

Daca : 1 P>p -> de pe metal se desprind ioni care trec in solutie

2 P<p -> viceversa

Tot in 1800 Grove demonstreaza posibilitatea conversiei electrochimice de energie sub o forma diferita de cea a lui Volta si pune bazele pilelor de combustie(convertizoare de energie cu alimentare continua, in speta reactive).

In 1887 Arhenius a elaborat teoria disocierii ionice.

In 1905 Tafel descopera legea care exprima dependenta liniara a logaritmului densitatii de curent de diferenta de potential la care se desfasoara o reactie data.

Clasificarea

Din punct de vedere al conductiei curentului electric, corpurile se impart in:

-conductori - de ordinul I

- de ordinul II

- micsti

-izolatori (dielectrici)

-semiconductori

Conductorii de ordinul I sunt conductori metalici unde conductibilitatea este de natora electronica datorandu-se unnui flux de electroni.

Conductorii de ordindul II sunt conductori ionici sau electroliti la care conductibilitatea e de natura ionica datorandu-se deplasarilor ionilor prin electrolit.

Conductibilitatea electronica e mai mare de 105 ori decat cea ionica.

Conductorii micsti conduc simultan prin electroni si ioni, de exemplu Ag₂S.

Semiconductorii au conductia asigurata de electroni si goluri(materiale nanoatomice Si, Ge, Ti, diversi oxizi de Zn, Cb, Ni, sulfuri de Pb si seleniuri de Ag sau C.

Izolatorii sunt substante ca sticla , potelanul , cristalele organice , substante macromoleculare , polimeri.

Materialele semiconductoare au 4 electroni de valenta si au nevoie de o mica energie pentru a deveni liberi.

Dintre acestea fac parte materialele pure cum ar fi:Ge,Si,Se ,Telur si compusi ale acestora.

Modelul benzilor de energie permite explicarea conductibilitatii electrice diferentiate la substantele semiconductoare si cele izolatoare (neconductoare).

Spre deosebire de conductoarele metalice, in care banda de valenta si cea de conductie sunt alaturate, in izolatoare si semiconductoare, banda de valenta - ocupata complet - este distantata de banda de conductie - vacanta - printr-o zona interzisa, a carei latime reprezinta diferenta de energie intre marginea superioara a benzii de valenta si marginea inferioara a benzii de conductie. Aceasta zona interzisa rezulta in urma unei puternice localizari a electronilor.

Diferentierea intre un izolator si un semiconductor este numai cantitativa si provine din latimea zonei interzise. Daca zona interzisa este atat de lata incat, sub influenta unei excitari electrice, termice sau prin absorbtie de lumina, nu are loc o promovare de electroni din banda de valenta in banda de conductie, substanta respectiva este un izolator.

Conductibilitatea electrica a unui semiconductor poate fi cauzata - in cazul substantelor elementare foarte pure - de electronii proprii (conductibilitate intrinseca), dar poate fi influentata puternic si de prezenta unor impuritati adaugate special (conductibilitate extrinseca).

Atomii straini inserati in structura monocristalului vor aduce o contributie proprie la benzile permise ale structurii. Din acest punct de vedere, doua situatii sunt reprezentative pentru semiconductori.

Impurificarea semiconductorilor cu atomi straini si aparitia benzilor permise suplimentare

(a) Impuritate cu banda acceptoare la T = 0 K care permite semiconductibilitate de tip p (de goluri).

(b) Impuritate cu banda acceptoare la T > 0 K care produce semiconductibilitate de tip p (de goluri).

(c) Impuritate cu banda donoare la T = 0 K care permite semiconductibilitate de tip n (de electroni).

(d) Impuritate cu banda donoare la T > 0 K care permite semiconductibilitate de tip n (de electroni).