Процедура електролізу води, методики, для чого це, домашній експеримент

The електроліз води це розкладання води на її елементарні компоненти шляхом застосування електричного струму. При протіканні водень і молекулярний кисень утворюються на двох інертних поверхнях, Н₂ і O₂. Ці дві поверхні більш відомі за назвою електродів.

Теоретично обсяг Н₂ утворюється повинна бути вдвічі більше об'єм O₂. Чому? Оскільки молекула води має відношення H / O, що дорівнює 2, тобто два H для кожного кисню. Цей зв'язок перевіряється безпосередньо з його хімічною формулою H₂Проте багато експериментальних факторів впливають на отримані обсяги.

Якщо електроліз проводиться всередині труб, занурених у воду (верхнє зображення), стовп води меншої висоти відповідає водневі, оскільки існує більша кількість газу, що чинить тиск на поверхню рідини. Бульбашки оточують електроди і в кінцевому підсумку зростають після закінчення тиску пари води.

Зауважимо, що трубки відокремлені один від одного таким чином, що існує низька міграція газів від одного електрода до іншого. На малих масштабах це не є небезпечним; але на промислових вагах газова суміш Н₂ і O₂ Це дуже небезпечно і вибухонебезпечно.

З цієї причини електрохімічні елементи, в яких проводиться електроліз води, є дуже дорогими; вони потребують конструкції та елементів, які гарантують, що гази ніколи не змішуються, прибутковий струм, високі концентрації електролітів, спеціальні електроди (електрокаталізатори), а також механізми для зберігання₂ виробляється.

Електрокаталізатори являють собою тертя і в той же час крила для рентабельності електролізу води. Деякі з них складаються з оксидів благородних металів, таких як платина і іридій, ціни на які є дуже високими. Саме на цьому етапі дослідники об'єднують зусилля для розробки ефективних, стабільних і дешевих електродів.

Причиною цих зусиль є прискорення утворення O₂, яка дається при менших швидкостях порівняно з Н₂. Це уповільнює електрод, де формується O₂ це призводить як загальний наслідок застосування потенціалу, набагато більшого, ніж необхідно (перенапруження); те ж саме, знизити продуктивність і підвищити витрати.

Індекс

• 1 Реакція електролізу
  • 1.1 Напівклеточні реакції
• 2 Процедура
• 3 Методи
  • 3.1 Електроліз лужною водою
  • 3.2 Електроліз полімерною електролітичною мембраною
  • 3.3 Електроліз твердими оксидами
• 4 Яке використання електролізу води??
  • 4.1 Виробництво водню та його використання
  • 4.2 Як метод налагодження
  • 4.3 Як постачання киснем
• 5 Домашній експеримент
  • 5.1 Головна змінні
• 6 Посилання

Реакція електролізу

Електроліз води пов'язаний з багатьма складними аспектами. Проте в загальних рисах її основа лежить в простому глобальному реагуванні:

2H₂O (l) => 2H₂(g) + O₂(g)

Як спостерігається в рівнянні, втручаються дві молекули води: одна повинна звичайно бути зменшена, або отримати електрони, а інша повинна окислюватися або втрачати електрони.

H₂ Вона є продуктом зниження води, тому що приріст електронів сприяє протонам Н⁺ можуть бути ковалентно зв'язані, і кисень перетворюється в OH^-. Тому Н₂ відбувається на катоді, який є електродом, де відбувається скорочення.

Поки O₂ виходить від окислення води, тому що він втрачає електрони, що дозволяють йому зв'язуватися з воднем, і, отже, вивільняє протони Н⁺. О₂ відбувається на аноді, електроді, де відбувається окислення; і на відміну від іншого електрода, рН навколо анода є кислим і не основним.

Полуклеточные реакції

Вищенаведене можна підсумувати наступними хімічними рівняннями для реакцій напівклітин:

2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^- (Катодний, основний)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4е^- (Анод, кислота)

Однак вода не може втратити більше електронів (4е^-) з яких друга молекула води виграє на катоді (2е^-); отже, перше рівняння повинно бути помножене на 2, а потім віднято з другим рівнянням для отримання чистого рівняння:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^-)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4е^-

6H₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

Але 4H⁺ і 4OH^- вони утворюють 4H₂Або, отже, вони виключають чотири з шести молекул Н₂Або залишивши двох; і результатом є просто глобальна реакція.

Реакції напівклітин змінюються з значеннями рН, методиками, а також мають потенціал зниження потенціалу або окислення, які визначають, скільки струму необхідно подавати, щоб електроліз води протікав спонтанно.

Процедура

Верхнє зображення показує вольтметр Хоффмана. Циліндри заповнюються водою і виділеними електролітами через середню насадку. Роль цих електролітів полягає в підвищенні електропровідності води, оскільки в нормальних умовах існує дуже мало іонів Н₃O⁺ і OH^- продуктів вашої автоіонізації.

Два електрода зазвичай являють собою платину, хоча на зображенні вони були замінені вуглецевими електродами. Обидва підключаються до батареї, з якою застосовується різниця потенціалів (ΔV), що сприяє окисненню води (утворення O).₂).

Електрони переміщуються по всій схемі, поки ви не досягнете іншого електрода, де вода виграє і стає H₂ і OH^-. У цьому місці вже визначені анод і катод, які можуть бути диференційовані по висоті водяних стовпчиків; одна меншою висоти, відповідає катоду, де формується H₂.

У верхній частині циліндрів є кілька клавіш, які дозволяють звільнити генеровані гази. Ви можете ретельно перевірити наявність H₂ змушуючи його реагувати з полум'ям, при спалюванні якого утворюється газоподібна вода.

Методи

Методики електролізу води варіюються в залежності від кількості Н₂ і O₂ що пропонується генерувати. Обидва гази є дуже небезпечними, якщо вони змішуються разом, і тому електролітичні комірки несуть складні конструкції для мінімізації збільшення газових тисків та їх дифузії через водне середовище..

Крім того, техніка коливається в залежності від осередку, електроліту, доданого до води, і самих електродів. З іншого боку, деякі мають на увазі, що реакція проводиться при більш високих температурах, зменшуючи споживання електроенергії, а інші використовують величезні тиски для підтримки H₂ зберігається.

Серед усіх методів можна назвати наступні три:

Електроліз лужною водою

Електроліз проводять з основними розчинами лужних металів (КОН або NaOH). З цією методикою відбуваються реакції:

4H₂O (l) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(ac)

4OH^-(ac) => O₂(g) + 2H₂O (l) + 4e^-

Як видно, як на катоді, так і на аноді, вода має основний рН; і крім того, OH^- мігрують до анода, де вони окислюються до O₂.

Електроліз полімерною електролітичною мембраною

У цій техніці використовують твердий полімер, який служить проникною мембраною для Н⁺, але водонепроникний для газів. Це гарантує більшу безпеку при електролізі.

Реакції напівклітин для цього випадку:

4H⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(g)

2H₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

Іони Н⁺ вони мігрують від анода до катода, де вони зводяться до H₂.

Електроліз твердими оксидами

Дуже відрізняється від інших методів, він використовує оксиди в якості електролітів, які при високих температурах (600-900ºC) функціонують як аніонні транспортні середовища.^2-.

Реакції:

2H₂O (g) + 4e^- => 2H₂(g) + 2O^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Зауважимо, що на цей раз знаходяться оксидні аніони, OR^2-, ті, хто їде до анода.

Що таке використання електролізу води?

Електроліз води виробляє Н₂ (g) і O₂ (g) Приблизно 5% газу, виробленого у світі, виробляється електролізом води.

H₂ це побічний продукт електролізу водних розчинів NaCl. Наявність солі полегшує електроліз за рахунок збільшення електропровідності води.

Глобальна реакція, що відбувається, це:

2NaCl + 2H₂O => Cl₂     +       H₂      +       2NaOH

Щоб зрозуміти величезну важливість цієї реакції, будуть згадані деякі способи використання газоподібних продуктів; тому що в кінці кінців, це ті, які стимулюють розробку нових методів для досягнення електролізу води більш ефективним і зеленим способом.

Найбільш бажаним з них є клітини, які енергійно замінюють використання спалюваного викопного палива.

Виробництво водню та його використання

-Водень, що утворюється при електролізі, може бути використаний в хімічній промисловості, що діє в реакціях залежності, в процесах гідрування або в якості відновника в процесах відновлення.

-Крім того, вона має важливе значення в деяких заходах комерційного значення, таких як: виробництво соляної кислоти, перекису водню, гідроксиламінів тощо. Беруть участь у синтезі аміаку шляхом каталітичної реакції з азотом.

-У поєднанні з киснем, він виробляє полум'я з високою калорійністю, при температурі від 3000 до 3500 К. Ці температури можна використовувати для зрізів і зварних швів у металургійній промисловості, для вирощування синтетичних кристалів, виробництва кварцу тощо..

-Обробка води: занадто високий вміст нітратів у воді може бути зменшений шляхом їх усунення в біореакторах, в яких бактерії використовують водень як джерело енергії

-Водень втручається в синтез пластмас, поліестеру і нейлону. Крім того, він є частиною виробництва скла, що збільшує горіння при випіканні.

-Реагує з оксидами і хлоридом багатьох металів, серед яких: срібло, мідь, свинець, вісмут і ртуть для отримання чистих металів.

-Крім того, він використовується в якості палива в хроматографічних аналізах з детектором полум'я.

Як метод налагодження

Електроліз розчинів хлориду натрію використовують для очищення води басейну. Під час електролізу у катоді та хлорі (Cl.) Утворюється водень₂) на аноді. В даному випадку йдеться про електроліз як хлоратор солі.

Хлор розчиняється у воді, утворюючи хлорнуватисту кислоту і гіпохлорит натрію. Гіпохлоритна кислота і гіпохлорит натрію стерилізують воду.

Як постачання киснем

Електроліз води також використовується для отримання кисню на Міжнародній космічній станції, яка служить для підтримки атмосфери кисню на станції.

Водень може використовуватися в паливному елементі, спосіб зберігання енергії і використовувати воду, що генерується в камері, для споживання космонавтами.

Домашній експеримент

Експерименти з електролізу води проводилися на лабораторних вагах з вольтметрами Хоффмана або іншої збірки, що дозволяє містити всі необхідні елементи електрохімічної комірки.

З усіх можливих агрегатів і обладнання найпростішим може бути великий прозорий контейнер для води, який буде служити клітиною. До цього слід додати будь-яку металеву або електропровідну поверхню для роботи в якості електродів; один для катода, а інший для анода.

Для цього можуть бути корисні навіть олівці з заточеними на обох кінцях графітовими крапками. І, нарешті, невелика батарея і трохи кабелів, які з'єднують її з підручними електродами.

Якщо це не зроблено в прозорому контейнері, то освіта газових бульбашок не можна оцінити.

Домашні змінні

Хоча електроліз води є предметом, який містить багато цікавих і сподіваються аспектів для тих, хто шукає альтернативні джерела енергії, домашній експеримент може бути нудним для дітей та інших глядачів..

Тому для генерування H може бути застосована достатня напруга₂ і O₂ змінюючи певні змінні і помічаючи зміни.

Перший - це зміна рН води з використанням оцту для підкислення води або Na₂CO₃ злегка підкріпити. Необхідно змінювати кількість спостережуваних бульбашок.

Крім того, той самий експеримент можна повторити з холодною і гарячою водою. Таким чином, передбачається вплив температури на реакцію.

Нарешті, щоб зробити збір даних трохи менш безбарвним, можна вдатися до дуже розбавленого розчину соку фіолетової капусти. Цей сік є базовим кислотним індикатором природного походження.

Додаючи його до контейнера з введеними електродами, буде помічено, що на аноді вода стане рожевою (кислотою), тоді як на катоді забарвлення буде жовтим (основним).

Список літератури

1. Вікіпедія. (2018). Електроліз води. Отримано з: en.wikipedia.org
2. Чаплін М. (16 листопада 2018). Електроліз води. Структура води та наука. Отримано з: 1.lsbu.ac.uk
3. Енергоефективність та відновлювані джерела енергії. (s.f.). Отримання водню: електроліз. Отримано з: energy.gov
4. Phys.org. (14 лютого 2018 року). Високоефективний, недорогий каталізатор для електролізу води. Отримано з: phys.org
5. Хімія LibreTexts. (18 червня 2015 р.) Електроліз води. Отримано з: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K., S. Lewis N. (2016). Принципи та реалізації електролізних систем для водорозщеплення. Королівське хімічне товариство.
7. Регенти університету Міннесоти. (2018). Електроліз води 2. Університет Міннесоти. Отримано з: chem.umn.edu