ELEKTROLIZA VODE: POSTOPEK, TEHNIKE, ZA KAJ GRE - KEMIJA - 2026

Elektroliza vode je razgradnja vode v njenih elementarnih komponent z uporabo električnega toka. Ker nadaljuje, vodik in molekularni kisik, H ₂ in O ₂ , se oblikuje na dveh inertnem površinah . Ti dve površini sta bolj znani po imenu elektrod.

Teoretično je obseg H ₂ morajo tvorjen biti dvakratni volumen O ₂ . Zakaj? Ker ima molekula vode razmerje H / O enako 2, torej dve H na vsak kisik. To razmerje je neposredno preverjeno s svojo kemijsko formulo H ₂ O. Vendar pa na pridobljene količine vplivajo številni eksperimentalni dejavniki.

Vir: Antti T. Nissinen prek Flickr

Če se elektroliza izvaja v ceveh, potopljenih v vodi (zgornja slika), spodnji vodni stolpec ustreza vodiku, saj večja količina plina pritiska na površino tekočine. Mehurčki obkrožajo elektrode in se po preseganju parnega tlaka vode na koncu dvignejo.

Upoštevajte, da so cevi med seboj ločene tako, da pride do majhne migracije plinov iz ene elektrode v drugo. Pri nizkih lestvicah to ne predstavlja neposrednega tveganja; ampak na industrijske tehtnice je plinska mešanica H ₂ in O ₂ je zelo nevaren in eksploziven.

Zaradi tega so elektrokemične celice, v katerih se izvaja elektroliza vode, zelo drage; Potrebujejo zasnovo in elementi, ki zagotavljajo, da plini nikoli premešamo in stroškovno učinkovito napajanje, visoke koncentracije elektrolitov, posebne elektrode (electrocatalysts) in mehanizmi za shranjevanje H ₂ proizveden.

Elektrokatalizatorji predstavljajo trenje in hkrati krila za donosnost vodne elektrolize. Nekateri so sestavljeni iz žlahtnih kovinskih oksidov, kot sta platina in iridij, katerih cene so zelo visoke. Na tem mestu so raziskovalci združeni z močmi, da oblikujejo učinkovite, stabilne in poceni elektrode.

Razlog za ta prizadevanja je, da pospeši nastanek O ₂ , ki se pojavi po nižjih cenah v primerjavi s H ₂ . To upočasnjuje z elektrodo, kjer O ₂ tvorjen prinaša kot splošno posledica uporabe potencialu mnogo višji, kot je potrebno (overpotential); kar je enako, z nižjo uspešnostjo in višjimi stroški.

Reakcija elektrolize

Elektroliza vode vključuje številne zapletene vidike. Vendar na splošno temelji na preprosti globalni reakciji:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Kot je razvidno iz enačbe, sodelujeta dve molekuli vode: ena se mora običajno zmanjšati ali pridobiti elektrone, druga pa mora oksidirati ali izgubiti elektrone.

H ₂ je produkt zmanjšanje vode, saj dobiček elektronov spodbuja, da je H ⁺ protoni lahko veže kovalentno in da se kisik pretvori v OH ^- . Zato se H ₂ proizvaja na katodi, to je elektroda, kjer pride do redukcije.

Medtem O ₂ izvira iz oksidacije vode, zaradi česar je padel elektrone, ki jo pustimo, da se veže na vodik in posledično sprosti H ⁺ protone . O ₂ je izdelan na anodi, elektrode, kjer pride do oksidacije; In za razliko od druge elektrode je pH okoli anode kisel in ne bazičen.

Polovične celice

To je mogoče povzeti z naslednjimi kemijskimi enačbami za reakcije na polovici celic:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Katoda, osnovna)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (anoda, kislina)

Vendar voda ne more izgubiti več elektronov (4e ^- ) kot druge molekule vode, ki jih pridobi na katodi (2e ^- ); zato je treba prvo enačbo pomnožiti z 2 in nato odšteti z drugo enačbo, da dobimo neto enačbo:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Vendar 4H ⁺ in 4OH ^- oblika 4H ₂ O, tako da odpraviti štiri od šestih H ₂ O molekule, zaustavi dva; in rezultat je pravkar opisana globalna reakcija.

Polcelične reakcije se spreminjajo z vrednostmi pH, tehnikami in imajo tudi povezane potenciale redukcije ali oksidacije, ki določajo, koliko toka je treba zagotoviti, da se elektroliza vode izvede spontano.

Proces

Vir: Ivan Akira, iz Wikimedia Commons

Na zgornji sliki je prikazan Hoffmanov voltameter. Jeklenke so napolnjene z vodo in izbranimi elektroliti skozi srednjo šobo. Vloga teh elektrolitov je v povečanju prevodnosti vode, saj je v normalnih pogojih zelo malo ionov H ₃ O ⁺ in OH ^- produktov njihove samoionizacije.

Obe elektrodi sta običajno izdelani iz platine, čeprav so na sliki nadomestili ogljikove elektrode. Oba sta povezana z baterijo, s katero se uporablja potencialna razlika (ΔV), ki spodbuja oksidacijo vode (tvorba O ₂ ).

Elektroni potujejo celotno vezje, dokler ne dosežejo drugo elektrodo, pri čemer jih je voda premaga in postane H ₂ in OH ^- . Na tej točki sta že definirani anoda in katoda, ki ju lahko razlikujemo po višini vodnih stebrov; tisti z najnižjo višino sklada z katodo, kjer H ₂ tvorjen .

V zgornjem delu jeklenk so ključi, ki omogočajo sproščanje ustvarjenih plinov. Prisotnost H ₂ je mogoče skrbno preveriti tako, da reagiramo s plamenom, katerega izgorevanje proizvaja plinasto vodo.

Tehnike

Elektrolize vode tehnike razlikujejo glede na količino H ₂ in O ₂ se generira. Oba plina sta zelo nevarna, če se mešata skupaj, zato elektrolitske celice vključujejo zapletene zasnove, da se čim bolj poveča porast plinastih tlakov in njihova difuzija skozi vodni medij.

Tudi tehnike se razlikujejo glede na celico, elektrolit, dodan vodi, in same elektrode. Po drugi strani pa nekateri pomeni, da je reakcija poteka pri višjih temperaturah, zmanjšanje porabe električne energije, in drugi uporabljajo ogromne pritiske obdržati H ₂ shranjene.

Med vsemi tehnikami lahko omenimo naslednje tri:

Elektroliza z alkalno vodo

Elektroliza poteka z osnovnimi raztopinami alkalnih kovin (KOH ali NaOH). Pri tej tehniki se reakcije pojavijo:

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

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

Kot je razvidno, ima voda na katodi in na anodi osnovni pH; in poleg tega OH ^- usmerjajo k anodi, kjer se oksidira do O ₂ .

Elektroliza s polimerno elektrolitno membrano

V tej tehniki se uporablja trden polimer, ki služi kot membrana, ki je prepustna za H ⁺ , vendar neprepustna za pline. To zagotavlja večjo varnost med elektrolizo.

Polovične reakcije v tem primeru so:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

H ⁺ ioni migrirajo iz anode na katodo, v kateri so znižanem postati H ₂ .

Elektroliza s trdnimi oksidi

Zelo razlikuje od drugih postopkov, ta uporabil oksidi so elektroliti, ki pri visokih temperaturah delovanja (600-900ºC) kot sredstvo za transportiranje O ^2- anion .

Reakcije so:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Upoštevajte, da tokrat na anodo potujejo oksidni anioni O ^2- .

Čemu služi elektroliza vode?

Elektrolizo vode proizvaja H ₂ (g) in O ₂ (g). Približno 5% vodikovega plina na svetu nastane z elektrolizo vode.

H ₂ je stranski produkt elektrolizo vodne raztopine NaCl. Prisotnost soli olajša elektrolizo s povečanjem električne prevodnosti vode.

Skupna reakcija je:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Da bi razumeli velik pomen te reakcije, bomo omenili nekatere uporabe plinastih izdelkov; Kajti na koncu dneva so to tiste, ki poganjajo razvoj novih metod za doseganje elektrolize vode na bolj učinkovit in zelen način.

Od vseh je najbolj zaželeno, da delujejo kot celice, ki energijsko nadomeščajo uporabo gorečih fosilnih goriv.

Proizvodnja vodika in njegove uporabe

Vodik, ki nastane pri elektrolizi, se lahko uporablja v kemični industriji, ki deluje v odvisnosti od reakcij, v procesih hidrogenacije ali kot redukcijsko sredstvo pri redukcijskih postopkih.

- Prav tako je bistvenega pomena pri nekaterih dejavnostih komercialnega pomena, kot so: proizvodnja klorovodikove kisline, vodikovega peroksida, hidroksilaminov itd. Vključuje v sintezo amoniaka s katalitično reakcijo z dušikom.

-V kombinaciji s kisikom proizvaja plamen z visoko vsebnostjo kalorij, temperature pa se gibljejo med 3.000 in 3.500 K. Te temperature se lahko uporabljajo za rezanje in varjenje v kovinski industriji, za rast sintetičnih kristalov, proizvodnjo kremena itd. .

-Čiščenje vode: prekomerno visoko vsebnost nitratov v vodi je mogoče zmanjšati z njeno izločanjem v bioreaktorjih, v katerih bakterije uporabljajo vodik kot vir energije

-Vidik je vključen v sintezo plastike, poliestra in najlona. Poleg tega je del proizvodnje stekla, ki povečuje zgorevanje med peko.

-Vpliva na okside in kloride številnih kovin, med njimi: srebro, baker, svinec, bizmut in živo srebro, da nastanejo čiste kovine.

- Poleg tega se uporablja kot gorivo pri kromatografski analizi z detektorjem plamena.

Kot način razhroščevanja

Za čiščenje vode v bazenu se uporablja elektroliza raztopin natrijevega klorida. Med elektrolizo nastaja vodik na katodi in klor (Cl ₂ ) na anodi. Elektroliza v tem primeru omenjamo klorator soli.

Klor se raztopi v vodi, da nastane hipoklorova kislina in natrijev hipoklorit. Hipoklorno kislino in natrijev hipoklorit steriliziramo vodo.

Kot dovod kisika

Elektroliza vode se uporablja tudi za ustvarjanje kisika na Mednarodni vesoljski postaji, ki služi za vzdrževanje kisikove atmosfere na postaji.

Vodik se lahko uporablja v gorivni celici, način shranjevanja energije in uporaba vode, ki jo v celici ustvarijo za porabo astronavtov.

Domači eksperiment

Poizkusi z vodno elektrolizo so bili izvedeni na laboratorijskih lestvicah z Hoffmanovimi voltmetri ali drugim sklopom, ki omogoča vsebovati vse potrebne elemente elektrokemične celice.

Od vseh možnih sklopov in opreme je najpreprostejša velika prozorna posoda za vodo, ki bo služila kot celica. Poleg tega mora biti na voljo vsaka kovinska ali električno prevodna površina, da deluje kot elektroda; ena za katodo, druga pa za anodo.

V ta namen so lahko celo svinčniki z ostrimi nasveti grafita na obeh koncih. In končno, majhna baterija in nekaj kablov, ki jo povezujejo z improviziranimi elektrodami.

Če se ne izvaja v prozorni posodi, se tvorba plinastih mehurčkov ne bi upoštevala.

Domače spremenljivke

Čeprav je elektroliza vode tema, ki vsebuje veliko intrigantnih in upanju vidikov za tiste, ki iščejo alternativne vire energije, je lahko domači eksperiment za otroke in druge mimoidoče dolgočasen.

Zato se lahko zadostno napetost se uporabljajo za ustvarjanje tvorbe H ₂ in O _{2 z} izmenično nekaterih spremenljivk in beleženje sprememb.

Prva je sprememba pH vode, pri čemer za kisanje vode uporabimo bodisi kis, bodisi Na ₂ CO _3, da ga rahlo poravnamo. Spremeniti se mora število opazovanih mehurčkov.

Poleg tega bi lahko isti poskus ponovili z vročo in hladno vodo. Na ta način bi nato razmišljali o vplivu temperature na reakcijo.

Končno, da bo zbiranje podatkov nekoliko manj brezbarvno, lahko uporabite zelo razredčeno raztopino soka škrlatnega zelja. Ta sok je kislinsko-bazični indikator naravnega izvora.

Če ga dodate v posodo z vstavljenimi elektrodami, bomo ugotovili, da bo voda na anodi postala rožnata (kisla), medtem ko bo na katodi barva rumena (osnovna).

Reference

1. Wikipedija. (2018). Elektroliza vode. Pridobljeno: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16. november 2018). Elektroliza vode. Struktura vode in znanost. Pridobljeno: 1.lsbu.ac.uk
3. Energetska učinkovitost in obnovljiva energija. (sf). Proizvodnja vodika: elektroliza. Pridobljeno: energy.gov
4. Phys.org. (14. februar 2018). Visoko učinkovit, poceni katalizator za vodno elektrolizo. Pridobljeno: phys.org
5. Kemija LibreTexts. (18. junij 2015). Elektroliza vode. Pridobljeno: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. in S. Lewis N. (2016). Načela in izvedba sistemov elektrolize za cepljenje vode. The Royal Society of Chemistry.
7. Regents Univerze v Minnesoti. (2018). Elektroliza vode 2. University of Minnesota. Pridobljeno: chem.umn.edu