ЕЛЕКТРОЛИЗА НА ВОДАТА: ПРОЦЕДУРА, ТЕХНИКИ, ЗА КАКВО Е ПРЕДНАЗНАЧЕНА - ХИМИЯ - 2025

На електролиза на вода е разлагането на водата в Елементен компоненти чрез прилагане на електрически ток. Както се процедира, водород и молекулен кислород, H ₂ и О ₂, са оформени по две инертен повърхности. Тези две повърхности са по-известни с името електроди.

Теоретично, обемът на Н ₂ образува трябва да бъде два пъти обема на О ₂. Защо? Тъй като водната молекула има съотношение Н / О, равно на 2, тоест две Н за всеки кислород. Тази връзка е пряко потвърдена с нейната химична формула, H ₂ O. Въпреки това, много експериментални фактори влияят на получените обеми.

Източник: Анти Т. Нисинен през Flickr

Ако електролизата се извършва вътре в тръби, потопени във вода (горно изображение), долната колона вода съответства на водород, тъй като има по-голямо количество газ, упражняващо налягане върху повърхността на течността. Мехурчетата обграждат електродите и в крайна сметка се покачват след преодоляване на налягането на парата на водата.

Обърнете внимание, че тръбите са разделени една от друга по такъв начин, че да има ниска миграция на газове от един електрод към друг. При ниски мащаби това не представлява непосредствен риск; но на промишлени мащаби, газовата смес от Н ₂ и О ₂ е много опасно и експлозив.

Поради тази причина електрохимичните клетки, в които се извършва електролиза на вода, са много скъпи; Те се нуждаят от дизайн и елементи, които гарантират, че никога газове се смесват, печеливш ток доставка, високи концентрации на електролити, специални електроди (електрокатализатори), и механизми за съхранение на Н ₂, произведено.

Електрокатализаторите представляват триене и в същото време крила за рентабилността на водната електролиза. Някои се състоят от благородни метални оксиди, като платина и иридий, чиито цени са много високи. В този момент, особено когато изследователите обединяват усилията си, за да проектират ефективни, стабилни и евтини електроди.

Причината за тези усилия е да се ускори образуването на O ₂, което протича с по-ниски скорости в сравнение с H ₂. Това забавяне от електрода, където O ₂ е оформен носи като цяло вследствие прилагането на потенциално много по-висока, отколкото е необходимо (общия потенциал); което е равно на по-ниска производителност и по-големи разходи.

Реакция на електролиза

Електролизата на водата включва много сложни аспекти. Въпреки това, най-общо казано, неговата основа се основава на обикновена глобална реакция:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Както се вижда от уравнението, участват две водни молекули: едната обикновено трябва да бъде намалена или да спечели електрони, докато другата трябва да окислява или губи електрони.

Н ₂ е продукт на редукцията на вода, защото печалбата на електрони насърчава че H ⁺ протони могат да се свързват ковалентно, и че кислородът се трансформира в OH ^-. Следователно, Н ₂ се произвежда в катода, който е електрод, където настъпва намаление.

Докато О ₂ идва от окисляването на вода, поради което губи електроните, че позволяват да се свързва с водород, и следователно освобождава H ⁺ протони. О ₂ се произвежда при анода, електродът където настъпва окисляване; И за разлика от другия електрод, pH около анода е кисел, а не основен.

Полуклетъчни реакции

Това може да се обобщи със следните химични уравнения за полуклетъчни реакции:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Катод, основен)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (анод, киселина)

Въпреки това, водата не може да загуби повече електрони (4е ^-), отколкото другата водна молекула натрупва в катода (2е ^-); следователно, първото уравнение трябва да се умножи по 2 и след това да се извади с второто уравнение, за да се получи нетното уравнение:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^-)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2Н ₂ + O ₂ + 4Н ⁺ + 4-ОН ^-

Но 4Н ⁺ и 4-ОН ^- форма 4Н ₂ О, така че те се елиминират четири от шестте H ₂ O молекули, оставяйки две; и резултатът е просто очертаната глобална реакция.

Полуклетъчните реакции се променят с рН стойности, техники, а също така имат свързани потенциали за редукция или окисляване, които определят колко ток е необходимо да се подава за електролиза на водата, за да протече спонтанно.

процес

Източник: Иван Акира, от Wikimedia Commons

На изображението по-горе е показан волтаметър на Хофман. Цилиндрите се пълнят с вода и избраните електролити през средната дюза. Ролята на тези електролити е да се увеличи проводимостта на водата, тъй като при нормални условия има много малко Н ₃ О ⁺ и ОН йони ^- продукти за тяхното самостоятелно йонизация.

Двата електрода обикновено са изработени от платина, въпреки че в изображението те са заменени от въглеродни електроди. И двете са свързани към батерия, с която се прилага потенциална разлика (ΔV), която насърчава окисляването на водата (образуване на O ₂).

Електроните пътуват по цялата верига, докато достигнат друг електрод, където водата тях печели над и става H ₂ и ОН ^-. В този момент анодът и катодът вече са дефинирани, които могат да бъдат диференцирани по височината на водните колони; този с най-ниските височина съответства на катода, където Н ₂ е оформен.

В горната част на цилиндрите има ключове, които позволяват отделянето на генерираните газове. Наличието на Н ₂ могат да бъдат внимателно проверени чрез взаимодействие с пламък, изгарянето на която произвежда газообразно вода.

техники

Техники вода електролиза варират в зависимост от размера на Н ₂ и О ₂ да бъдат генерирани. И двата газа са много опасни, ако се смесват заедно, поради което електролитичните клетки включват сложни конструкции, за да се сведе до минимум увеличението на газообразните налягания и дифузията им през водната среда.

Също така, техниките варират в зависимост от клетката, електролита, добавен към водата, и самите електроди. От друга страна, някои предполагат, че реакцията се провежда при по-високи температури, намалявайки консумацията на електроенергия, а други използват огромен натиск, за да запазят H ₂.

Сред всички техники могат да се посочат следните три:

Електролиза с алкална вода

Електролизата се извършва с основни разтвори на алкални метали (KOH или NaOH). При тази техника реакциите настъпват:

4Н ₂ O (л) + 4е ^- => 2Н ₂ (г) + 4-ОН ^- (вод)

4OH ^- (aq) => O ₂ (g) + 2H ₂ O (l) + 4e ^-

Както се вижда, както на катода, така и на анода, водата има основно рН; и в допълнение, OH ^- мигрират към анода, където те се окисляват до О ₂.

Електролиза с полимерна електролитична мембрана

В тази техника се използва твърд полимер, който служи като мембрана, която е пропусклива за Н ⁺, но непромокаема за газове. Това гарантира по-голяма безопасност по време на електролиза.

Полуклетъчните реакции за този случай са:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

2H ₂ O (l) => O ₂ (g) + 4H ⁺ (aq) + 4e ^-

Н ⁺ йони мигрират от анода към катода, където те са намалени да стане Н ₂.

Електролиза с твърди оксиди

Много различен от другите техники, този използва оксиди като електролити, които при високи температури (600-900ºC) функционират като транспортна среда за O ^2- аниона.

Реакциите са:

2H ₂ O (ж) + 4е ^- => 2Н ₂ (г) + 2О ^2-

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Обърнете внимание, че този път към анода се движат оксидните аниони, O ^2-.

За какво е електролиза на водата?

Електролизата на вода произвежда Н ₂ (д) и О ₂ (д). Приблизително 5% от произведения в света водород се произвежда чрез електролиза на вода.

Н ₂ е страничен продукт на електролиза на водни разтвори на натриев хлорид. Наличието на сол улеснява електролизата чрез увеличаване на електрическата проводимост на водата.

Цялостната реакция, която се провежда, е:

2NaCl + 2Н ₂ O => Cl ₂ + Н ₂ + 2NaOH

За да разберем огромното значение на тази реакция, ще бъдат споменати някои от употребите на газообразни продукти; Защото в края на деня това са тези, които движат разработването на нови методи за постигане на електролиза на водата по по-ефективен и зелен начин.

От всички тях най-желаното е да функционират като клетки, които енергично заместват използването на изгарящи изкопаеми горива.

Производство на водород и неговите употреби

-Водородът, произведен при електролиза, може да се използва в химическата промишленост, действаща в реакции на пристрастяване, в процеси на хидрогениране или като редуциращ агент в редукционните процеси.

-Той е от съществено значение и при някои действия с търговско значение, като например: производство на солна киселина, водороден пероксид, хидроксиламини и др. Той участва в синтеза на амоняк чрез каталитична реакция с азот.

-В комбинация с кислород, той произвежда пламъци с високо калорично съдържание, с температури между 3000 и 3500 К. Тези температури могат да се използват за рязане и заваряване в металната промишленост, за растеж на синтетични кристали, производство на кварц и др., -Очистване на водата: прекомерно високото съдържание на нитрати във водата може да бъде намалено чрез елиминирането му в биореактори, в които бактериите използват водород като енергиен източник

-Водородът участва в синтеза на пластмаси, полиестер и найлон. В допълнение, той е част от производството на стъкло, увеличавайки изгарянето по време на печене.

-Реакции с оксидите и хлорида на много метали, сред които: сребро, мед, олово, бисмут и живак за получаване на чисти метали.

-И в допълнение, той се използва като гориво при хроматографски анализ с детектор на пламъка.

Като метод за отстраняване на грешки

Електролизата на разтвори на натриев хлорид се използва за пречистване на водата в басейните. По време на електролизата, водород се произвежда на катода и хлор (Cl ₂) при анода. Електролизата в случая се нарича хлорен хлорид на сол.

Хлорът се разтваря във вода и образува хипохлорна киселина и натриев хипохлорит. Стерилизирайте хипохлорната киселина и натриевия хипохлорит.

Като доставка на кислород

Електролизата на водата се използва и за генериране на кислород на Международната космическа станция, която служи за поддържане на кислородна атмосфера в станцията.

Водородът може да се използва в горивна клетка, метод за съхранение на енергия и да се използва водата, която се генерира в клетката за консумация от астронавтите.

Домашен експеримент

Експериментите с водна електролиза са проведени в лабораторни везни с волтметри на Хофман или друг монтаж, който позволява да се съдържат всички необходими елементи на електрохимична клетка.

От всички възможни сглобки и оборудване, най-простият може да бъде голям прозрачен контейнер за вода, който ще служи като клетка. В допълнение към това, всяка метална или електрически проводима повърхност също трябва да бъде под ръка, за да функционира като електроди; едната за катода, а другата за анода.

За тази цел дори моливите с остри графитни връхчета в двата края могат да бъдат полезни. И накрая, малка батерия и някои кабели, които я свързват с импровизираните електроди.

Ако не се проведе в прозрачен контейнер, образуването на газообразни мехурчета няма да бъде оценено.

Начало променливи

Въпреки че електролизата на вода е тема, която съдържа много интригуващи и обнадеждаващи аспекти за тези, които търсят алтернативни източници на енергия, домашният експеримент може да бъде скучен за деца и други зрители.

Следователно, достатъчно напрежение може да се прилага за генериране на образуването на Н ₂ и О _{2 от} редуващи някои променливи и отбележи промените.

Първият е изменението на рН на водата, като се използва или оцет за подкисляване на водата, или Na ₂ CO _{3, за} да го леко алкализира. Трябва да настъпи промяна в броя на наблюдаваните мехурчета.

Освен това същият експеримент може да се повтори с топла и студена вода. По този начин ефектът на температурата върху реакцията ще бъде обмислен.

И накрая, за да направите събирането на данни малко по-безцветно, можете да използвате много разреден разтвор на сок от лилаво зеле. Този сок е киселинно-основен индикатор с естествен произход.

Добавяйки го към контейнера с вмъкнатите електроди, ще се отбележи, че на анода водата ще стане розова (кисела), докато при катода цветът ще бъде жълт (основен).

Препратки

1. Wikipedia. (2018). Електролиза на водата. Възстановено от: en.wikipedia.org
2. Чаплин М. (16 ноември 2018 г.). Електролиза на водата. Водна структура и наука. Възстановени от: 1.lsbu.ac.uk
3. Енергийна ефективност и възобновяема енергия. (SF). Производство на водород: електролиза. Възстановени от: energy.gov
4. Phys.org. (14 февруари 2018 г.). Висока ефективност, евтин катализатор за водна електролиза. Възстановено от: phys.org
5. Химия LibreTexts. (18 юни 2015 г.). Електролиза на водата. Възстановено от: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. и S. Lewis N. (2016). Принципи и изпълнение на електролизни системи за разделяне на вода. Кралското химическо дружество.
7. Регенти на университета в Минесота. (2018). Електролиза на водата 2. Университет в Минесота. Възстановено от: chem.umn.edu