ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ: ПРОЦЕДУРА, ТЕХНИКИ, ДЛЯ ЧЕГО - ХИМИЯ - 2026

Электролиз воды является разложением воды на ее элементарные компоненты пути применения электрического тока. По мере их прохождения водород и молекулярный кислород, H ₂ и O ₂ , образуются на двух инертных поверхностях . Эти две поверхности более известны под названием электродов.

Теоретически объем образовавшейся H ₂ должен быть вдвое больше объема O ₂ . Зачем? Поскольку молекула воды имеет отношение H / O, равное 2, то есть два H для каждого кислорода. Это соотношение напрямую подтверждается его химической формулой H ₂ O. Однако многие экспериментальные факторы влияют на полученные объемы.

Источник: Антти Т. Ниссинен через Flickr

Если электролиз проводится внутри трубок, погруженных в воду (верхнее изображение), нижний столб воды соответствует водороду, так как большее количество газа оказывает давление на поверхность жидкости. Пузырьки окружают электроды и, преодолевая давление водяного пара, поднимаются вверх.

Обратите внимание, что трубки отделены друг от друга таким образом, что миграция газов от одного электрода к другому невысока. При малых масштабах это не представляет собой неминуемого риска; но в промышленных масштабах газовая смесь H ₂ и O ₂ очень опасна и взрывоопасна.

По этой причине электрохимические ячейки, в которых проводится электролиз воды, очень дороги; Им необходимы конструкция и элементы, которые гарантируют, что газы никогда не смешиваются, экономичный источник питания, высокие концентрации электролитов, специальные электроды (электрокатализаторы) и механизмы для хранения производимого H ₂ .

Электрокатализаторы представляют собой трение и в то же время крылья рентабельности электролиза воды. Некоторые из них состоят из оксидов благородных металлов, таких как платина и иридий, цены на которые очень высоки. Именно здесь исследователи объединяют усилия для разработки эффективных, стабильных и дешевых электродов.

Причина этих усилий состоит в том, чтобы ускорить образование O ₂ , которое происходит с более низкими скоростями по сравнению с H ₂ . Это замедление электродом, на котором образуется O ₂ , как правило, приводит к приложению потенциала, намного превышающего необходимый (перенапряжение); что равносильно более низкой производительности и более высоким расходам.

Реакция электролиза

Электролиз воды включает в себя множество сложных аспектов. Однако в общих чертах в его основе лежит простая глобальная реакция:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (г) + O ₂ (г)

Как видно из уравнения, задействованы две молекулы воды: одна обычно должна восстанавливаться или получать электроны, а другая должна окислять или терять электроны.

Н ₂ является продуктом восстановления воды, потому что усиление электронов способствует ковалентному связыванию протонов Н ⁺ и превращению кислорода в ОН ^- . Следовательно, H ₂ образуется на катоде, который является электродом, на котором происходит восстановление.

В то время как O ₂ возникает в результате окисления воды, из-за чего он теряет электроны, которые позволяют ему связываться с водородом, и, следовательно, высвобождает протоны H ⁺ . O ₂ образуется на аноде, электроде, где происходит окисление; И в отличие от другого электрода, pH вокруг анода кислый, а не щелочной.

Полуклеточные реакции

Это можно резюмировать следующими химическими уравнениями для реакций полуэлементов:

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

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

Однако вода не может потерять больше электронов (4e ^- ), чем другая молекула воды приобретает на катоде (2e ^- ); следовательно, первое уравнение нужно умножить на 2, а затем вычесть из второго уравнения, чтобы получить чистое уравнение:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Но 4H ⁺ и 4OH ^- образуют 4H ₂ O, поэтому они удаляют четыре из шести молекул H ₂ O , оставляя две; и результат - только что обрисованная глобальная реакция.

Реакции полуэлементов изменяются в зависимости от значений pH, методов, а также имеют связанные потенциалы восстановления или окисления, которые определяют, какой ток необходимо подать для самопроизвольного электролиза воды.

Обработать

Источник: Иван Акира, Wikimedia Commons

Вольтаметр Хоффмана показан на изображении выше. Цилиндры наполняются водой и выбранными электролитами через среднее сопло. Роль этих электролитов заключается в увеличении проводимости воды, так как в нормальных условиях очень мало ионов H ₃ O ⁺ и OH ^- продуктов их самоионизации.

Два электрода обычно изготавливаются из платины, хотя на изображении они были заменены угольными электродами. Оба подключены к батарее, к которой применяется разность потенциалов (ΔV), которая способствует окислению воды (образованию O ₂ ).

Электроны перемещаются по всей цепи, пока не достигнут другого электрода, где вода побеждает их и становится H ₂ и OH ^- . К этому моменту уже определены анод и катод, которые можно различить по высоте водяных столбов; тот, который имеет наименьшую высоту, соответствует катоду, на котором образуется H ₂ .

В верхней части цилиндров находятся ключи, позволяющие выпускать образующиеся газы. Присутствие H ₂ можно тщательно проверить , прореагировав с пламенем, при сгорании которого образуется газообразная вода.

методы

Методы электролиза воды различаются в зависимости от количества образующегося H ₂ и O ₂ . Оба газа очень опасны, если их смешивать вместе, поэтому электролитические ячейки имеют сложную конструкцию, чтобы минимизировать повышение давления газа и их диффузию через водную среду.

Кроме того, методы различаются в зависимости от ячейки, электролита, добавляемого в воду, и самих электродов. С другой стороны, некоторые предполагают, что реакция проводится при более высоких температурах, что снижает потребление электроэнергии, а другие используют огромное давление для сохранения H ₂ .

Среди всех техник можно выделить следующие три:

Электролиз щелочной водой

Электролиз проводят щелочными растворами щелочных металлов (КОН или NaOH). При использовании этой техники возникают реакции:

4H ₂ O (l) + 4e ^- => 2H ₂ (г) + 4OH ^- (водн.)

4OH ^- (водн.) => O ₂ (г) + 2H ₂ O (l) + 4e ^-

Как видно, как на катоде, так и на аноде вода имеет щелочной pH; и, кроме того, OH ^- перемещаются к аноду, где они окисляются до O ₂ .

Электролиз с полимерной электролитической мембраной

В этом методе используется твердый полимер, который служит мембраной, проницаемой для H ⁺ , но непроницаемой для газов. Это обеспечивает большую безопасность при электролизе.

Полуклеточные реакции для этого случая:

4H ⁺ (водн.) + 4e ^- => 2H ₂ (г)

2H ₂ O (l) => O ₂ (г) + 4H ⁺ (водн.) + 4e ^-

Ионы H ⁺ мигрируют с анода на катод, где они восстанавливаются до H ₂ .

Электролиз с твердыми оксидами

В отличие от других методов, в этом методе в качестве электролитов используются оксиды, которые при высоких температурах (600-900 ° C) действуют как средство транспортировки аниона O ^2- .

Реакции следующие:

2H ₂ O (г) + 4e ^- => 2H ₂ (г) + 2O ^2-

2O ^2- => O ₂ (г) + 4e ^-

Обратите внимание, что на этот раз к аноду перемещаются оксидные анионы O ^2- .

Для чего нужен электролиз воды?

Электролиз воды дает H ₂ (г) и O ₂ (г). Примерно 5% газообразного водорода, производимого в мире, производится путем электролиза воды.

H ₂ является побочным продуктом электролиза водных растворов NaCl. Присутствие соли облегчает электролиз за счет увеличения электропроводности воды.

Общая реакция, которая имеет место:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Чтобы понять огромное значение этой реакции, будут упомянуты некоторые виды использования газообразных продуктов; Потому что, в конце концов, именно они стимулируют разработку новых методов более эффективного и экологически чистого электролиза воды.

Из всех них наиболее желательным является функционирование клеток, которые энергетически заменяют сжигание ископаемого топлива.

Производство водорода и его использование

-Водород, полученный при электролизе, может быть использован в химической промышленности, действуя в реакциях зависимости, в процессах гидрирования или в качестве восстановителя в процессах восстановления.

-Это также важно в некоторых действиях, имеющих коммерческое значение, таких как: производство соляной кислоты, перекиси водорода, гидроксиламинов и т. Д. Он участвует в синтезе аммиака в результате каталитической реакции с азотом.

-В сочетании с кислородом он создает пламя с высокой калорийностью с температурой от 3000 до 3500 К. Эти температуры могут использоваться для резки и сварки в металлургической промышленности, для выращивания синтетических кристаллов, производства кварца и т. Д. ,

-Водоочистка: чрезмерно высокое содержание нитратов в воде может быть уменьшено путем его удаления в биореакторах, в которых бактерии используют водород в качестве источника энергии.

-Водород участвует в синтезе пластмасс, полиэстера и нейлона. Кроме того, он является частью производства стекла, увеличивая горение во время выпечки.

-Взаимодействует с оксидами и хлоридами многих металлов, в том числе серебра, меди, свинца, висмута и ртути с образованием чистых металлов.

-А кроме того, он используется как топливо при хроматографическом анализе с детектором пламени.

Как метод отладки

Электролиз растворов хлорида натрия используется для очистки воды в плавательных бассейнах. Во время электролиза на катоде образуется водород, а на аноде - хлор (Cl ₂ ). Электролиз в этом случае называют солевым хлоратором.

Хлор растворяется в воде с образованием хлорноватистой кислоты и гипохлорита натрия. Хлорноватистая кислота и гипохлорит натрия стерилизуют воду.

Как источник кислорода

Электролиз воды также используется для получения кислорода на Международной космической станции, который служит для поддержания кислородной атмосферы на станции.

Водород можно использовать в топливном элементе, способе накапливать энергию и использовать воду, образующуюся в элементе, для потребления космонавтами.

Домашний эксперимент

Эксперименты по электролизу воды проводились в лабораторных масштабах с помощью вольтметров Хоффмана или другой сборки, которая позволяет содержать все необходимые элементы электрохимической ячейки.

Из всех возможных агрегатов и оборудования самым простым может быть большая прозрачная емкость для воды, которая будет выполнять роль ячейки. В дополнение к этому, любой металл или электропроводящая поверхность также должны быть под рукой, чтобы выполнять функции электродов; один для катода, а другой для анода.

Для этого могут пригодиться даже карандаши с острыми графитовыми наконечниками на обоих концах. И, наконец, небольшой аккумулятор и несколько кабелей, соединяющих его с импровизированными электродами.

Если бы это не проводилось в прозрачном контейнере, образование газовых пузырьков не было бы замечено.

Домашние переменные

Хотя электролиз воды - это тема, которая содержит много интригующих и обнадеживающих аспектов для тех, кто ищет альтернативные источники энергии, домашний эксперимент может быть скучным для детей и других прохожих.

Следовательно, можно приложить достаточное напряжение для образования H ₂ и O _2, чередуя определенные переменные и отмечая изменения.

Первый - это изменение pH воды с использованием либо уксуса для подкисления воды, либо Na ₂ CO ₃ для легкого подщелачивания. Должно произойти изменение количества наблюдаемых пузырьков.

Кроме того, тот же эксперимент можно повторить с горячей и холодной водой. Таким образом, тогда будет учитываться влияние температуры на реакцию.

Наконец, чтобы сделать сбор данных немного менее бесцветным, вы можете использовать очень разбавленный раствор сока пурпурной капусты. Этот сок является кислотно-щелочным индикатором природного происхождения.

Добавляя его в емкость со вставленными электродами, можно заметить, что на аноде вода станет розовой (кислотной), а на катоде станет желтой (основной).

Ссылки

1. Wikipedia. (2018). Электролиз воды. Получено с: en.wikipedia.org
2. Чаплин М. (16 ноября 2018 г.). Электролиз воды. Структура воды и наука. Получено с: 1.lsbu.ac.uk
3. Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии. (SF). Производство водорода: электролиз. Получено с: energy.gov
4. Phys.org. (14 февраля 2018 г.). Высокоэффективный недорогой катализатор электролиза воды. Получено с: Phys.org
5. Химия LibreTexts. (18 июня 2015 г.). Электролиз воды. Получено с: chem.libretexts.org
6. Сян К., М. Пападантонакисаб К. и С. Льюис Н. (2016). Принципы и реализация электролизных систем для разделения воды. Королевское химическое общество.
7. Регенты Миннесотского университета. (2018). Электролиз воды 2. Университет Миннесоты. Получено с: chem.umn.edu