ЕЛЕКТРОЛІЗ ВОДИ: ПРОЦЕДУРА, МЕТОДИКА, ДЛЯ ЧОГО ВОНА ПОТРІБНА - ХІМІЯ - 2025

Електроліз води є розкладанням води на її елементарні компоненти шляху застосування електричного струму. Під час їх протікання на двох інертних поверхнях утворюються водень і молекулярний кисень, H ₂ і O ₂ . Ці дві поверхні більш відомі під назвою електродів.

Теоретично об'єм Н _{2, що} утворюється, повинен бути вдвічі більшим за об'єм O ₂ . Чому? Оскільки молекула води має співвідношення Н / О, рівне 2, тобто два Н на кожен кисень. Цей взаємозв'язок прямо підтверджений його хімічною формулою, H ₂ O. Однак на отримані обсяги впливає багато експериментальних факторів.

Джерело: Антті Т. Ніссінен через Flickr

Якщо електроліз проводиться всередині трубок, занурених у воду (верхнє зображення), нижній водяний стовп відповідає водню, оскільки більша кількість газу чинить тиск на поверхню рідини. Бульбашки оточують електроди і в кінці піднімаються після подолання тиску пари води.

Зверніть увагу, що трубки відокремлені одна від одної таким чином, що відбувається низька міграція газів від одного електрода до іншого. У низьких масштабах це не становить неминучого ризику; але на промислових масштабах газоподібна суміш H ₂ і O ₂ є дуже небезпечною і вибухонебезпечною.

З цієї причини електрохімічні осередки, де проводиться електроліз води, є дуже дорогими; Вони потребують конструкції та елементів, які забезпечують, щоб гази ніколи не змішувалися, економічно ефективне джерело живлення, високі концентрації електролітів, спеціальні електроди (електрокаталізатори) та механізми для зберігання виробленої Н ₂ .

Електрокаталізатори представляють тертя і одночасно крила для економічності водного електролізу. Деякі складаються з оксидів благородних металів, таких як платина та іридій, ціни на які дуже високі. Саме в цей момент дослідники об'єднують зусилля для створення ефективних, стабільних і дешевих електродів.

Причиною цих зусиль є прискорення утворення O ₂ , яке відбувається з меншими темпами порівняно з H ₂ . Це уповільнення електродом, де утворюється O ₂ , приводить до загального наслідку застосування потенціалу, набагато вищого за необхідне (надпотенціал); що дорівнює меншій продуктивності та більшим витратам.

Реакція електролізу

Електроліз води включає багато складних аспектів. Однак, загалом, його основа покладається на просту глобальну реакцію:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Як видно з рівняння, беруть участь дві молекули води: одна, як правило, повинна бути зменшена, або набирати електрони, а друга повинна окислюватися або втрачати електрони.

Н ₂ є продуктом відновлення води, оскільки посилення електронів сприяє тому, що протони Н ⁺ можуть зв'язуватися ковалентно, і кисень перетворюється на ОН ^- . Тому Н ₂ виробляється на катоді, який є електродом, де відбувається відновлення.

У той час як O ₂ відбувається від окислення води, внаслідок чого він втрачає електрони, які дозволяють йому зв’язуватися з воднем, і, отже, вивільняє Н ⁺ протони . O ₂ виробляється на аноді, електроді, де відбувається окислення; І на відміну від іншого електрода, pH навколо анода є кислим і не основним.

Напівклітинні реакції

Це можна узагальнити за допомогою наступних хімічних рівнянь для реакцій напівклітин:

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

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

Однак вода не може втратити більше електронів (4e ^- ), ніж інші молекули води, що надходять у катоді (2e ^- ); тому перше рівняння потрібно помножити на 2, а потім відняти з другого рівняння, щоб отримати чисте рівняння:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Але 4H ⁺ і 4OH ^- утворюють 4H ₂ O, тому вони виводять чотири з шести молекул H ₂ O , залишаючи дві; і результат - лише окреслена глобальна реакція.

Напівклітинні реакції змінюються зі значенням pH, методами, а також мають пов'язані з цим потенціали відновлення чи окислення, які визначають, скільки струму потрібно подати для електролізу води, щоб пройти спонтанно.

Процес

Джерело: Іван Акіра, з Wikimedia Commons

На зображенні вгорі показаний вольтаметр Гоффмана. Циліндри наповнюються водою і вибраними електролітами через середню насадку. Роль цих електролітів полягає у підвищенні провідності води, оскільки в нормальних умовах іонів H ₃ O ⁺ та OH ^- продуктів їх самоіонізації.

Два електроди зазвичай виготовлені з платини, хоча на зображенні їх замінили вуглецеві електроди. Обидва підключені до акумулятора, за допомогою якого застосовується різниця потенціалів (ΔV), що сприяє окисленню води (утворення O ₂ ).

Електрони проїжджають по всьому ланцюгу, поки не дотягнуться до іншого електрода, де вода переможе їх і не стане Н ₂ і ОН ^- . На цьому етапі вже визначені анод і катод, які можна диференціювати по висоті водних стовпчиків; той, що має найменшу висоту, відповідає катоду, де утворюється Н ₂ .

У верхній частині циліндрів розміщені ключі, які дозволяють виділяти утворені гази. Наявність Н ₂ можна ретельно перевірити , відреагувавши її полум’ям, при згорянні якого утворюється газоподібна вода.

Техніки

Методи електролізу води різняться в залежності від кількості Н ₂ і О _2, що утворюється. Обидва гази дуже небезпечні, якщо їх змішують разом, і саме тому електролітичні комірки передбачають складні конструкції для мінімізації збільшення тиску газу та їх дифузії через водну середу.

Також методи відрізняються залежно від клітини, електроліту, що додається у воду, та самих електродів. З іншого боку, одні мають на увазі, що реакція здійснюється при більш високих температурах, зменшуючи споживання електроенергії, а інші використовують величезний тиск для зберігання Н ₂ .

Серед усіх методик можна назвати наступні три:

Електроліз лужною водою

Електроліз проводять основними розчинами лужних металів (KOH або NaOH). При цій техніці реакції відбуваються:

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

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

Як видно, і на катоді, і на аноді вода має основний рН; і крім того, ОН ^- мігрують у напрямку до анода, де вони окислюються до O ₂ .

Електроліз з полімерною електролітичною мембраною

У цій техніці використовується твердий полімер, який служить мембраною, проникною для Н ⁺ , але непроникною для газів. Це забезпечує більшу безпеку під час електролізу.

Реакції напівклітини для цього випадку:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (г)

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

Іони Н ⁺ мігрують від анода до катода, де вони знижуються і стають Н ₂ .

Електроліз з твердими оксидами

Це дуже відрізняється від інших методик, оксиди використовують як електроліти, які при високій температурі (600-900ºC) функціонують як засіб транспортування аніона O ^2- .

Реакції такі:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Зауважимо, що цього разу до анода рухаються саме оксидні аніони O ² .

Для чого електроліз води?

Електроліз води виробляє H ₂ (g) і O ₂ (g). Приблизно 5% газу, що утворюється у світі, виробляється шляхом електролізу води.

Н ₂ є побічним продуктом електролізу водних розчинів NaCl. Наявність солі полегшує електроліз за рахунок підвищення електропровідності води.

Загальна реакція, яка має місце:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Щоб зрозуміти величезну важливість цієї реакції, будуть згадуватися деякі сфери використання газоподібних продуктів; Тому що наприкінці дня вони є тими, що рухають розробкою нових методів досягнення електролізу води більш ефективним та зеленим способом.

З усіх них найбільш бажаним є функціонування клітин, які енергетично замінюють використання спалюваного викопного палива.

Видобуток водню та його використання

-Відрод, що утворюється при електролізі, може бути використаний в хімічній промисловості, що діє в реакціях звикання, в процесах гідрування або як відновник в процесах відновлення.

-Це важливо також у деяких діях комерційного значення, таких як: виробництво соляної кислоти, перекису водню, гідроксиламінів тощо. Він бере участь у синтезі аміаку через каталітичну реакцію з азотом.

-У поєднанні з киснем він утворює полум'я з високою калорійністю, при температурі від 3000 до 3500 К. Ці температури можна використовувати для різання та зварювання в металургійній промисловості, для вирощування синтетичних кристалів, виробництва кварцу тощо. .

-Відробка води: надмірно високий вміст нітратів у воді може бути зменшений шляхом її виведення в біореактори, в яких бактерії використовують водень як джерело енергії

-Відрод бере участь у синтезі пластмас, поліестеру та нейлону. Крім того, вона є частиною виробництва скла, збільшуючи горіння під час випікання.

-Взаємодіє з оксидами та хлоридами багатьох металів, серед яких: срібло, мідь, свинець, вісмут та ртуть для отримання чистих металів.

-Додатково, він використовується як паливо при хроматографічному аналізі з детектором полум'я.

Як метод налагодження

Для очищення води в басейні використовують електроліз розчинів хлориду натрію. Під час електролізу утворюється водень на катоді, а хлор (Cl ₂ ) на аноді. Електроліз в даному випадку називається хлоратором солі.

Хлор розчиняється у воді, утворюючи гіпохлорну кислоту та гіпохлорит натрію. Гіпохлорну кислоту та гіпохлорит натрію стерилізують водою.

Як запас кисню

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

Водень можна використовувати в паливному елементі, методі зберігання енергії та використовувати воду, яка утворюється в клітині для споживання космонавтами.

Домашній експеримент

Експерименти з електролізом води були проведені в лабораторних масштабах за допомогою вольтметрів Гофмана або іншої збірки, що дозволяє містити всі необхідні елементи електрохімічної комірки.

З усіх можливих вузлів та обладнання найпростішим може бути великий прозорий контейнер для води, який буде служити осередком. Крім цього, будь-яка металева або електропровідна поверхня також повинна бути під рукою, щоб функціонувати як електроди; один для катода, а другий для анода.

Для цього можуть бути корисні навіть олівці з гострими графітовими кінчиками з обох кінців. І нарешті, невеликий акумулятор та кілька кабелів, які підключають його до імпровізованих електродів.

Якщо його не проводити в прозорій ємності, утворення газоподібних бульбашок не буде оцінено.

Домашні змінні

Хоча електроліз води є предметом, який містить багато інтригуючих та сподіваючих аспектів для тих, хто шукає альтернативні джерела енергії, домашній експеримент може бути нудним для дітей та інших людей, що спостерігають за ними.

Отже, достатня напруга може бути застосована для генерації утворення H ₂ і O _{2 шляхом} чергування певних змінних та відзначаючи зміни.

Перший - це зміна рН води, використовуючи або оцет для підкислення води, або Na ₂ CO _3, щоб злегка підсилити її. Необхідно змінити кількість спостережуваних бульбашок.

Крім того, той же експеримент можна було б повторити з гарячою та холодною водою. Таким чином, передбачається вплив температури на реакцію.

Нарешті, щоб зробити збір даних трохи менш безбарвним, можна використовувати дуже розбавлений розчин соку фіолетової капусти. Цей сік - кислотно-лужний показник природного походження.

Додаючи його до ємності з вставленими електродами, зауважимо, що на аноді вода стане рожевою (кислотою), а на катоді колір - жовтим (основним).

Список літератури

1. Вікіпедія. (2018). Електроліз води. Відновлено з: en.wikipedia.org
2. Чаплін М. (16 листопада 2018 р.). Електроліз води. Будова води та наука. Відновлено: 1.lsbu.ac.uk
3. Енергоефективність та поновлювана енергія. (sf). Виробництво водню: електроліз. Відновлено від: energy.gov
4. Phys.org. (14 лютого 2018 р.). Високоефективний, недорогий каталізатор для електролізу води. Відновлено з: phys.org
5. Хімія LibreTexts. (18 червня 2015 р.). Електроліз води. Відновлено з: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. та S. Lewis N. (2016). Принципи та реалізація систем електролізу для розщеплення води. Королівське хімічне товариство.
7. Регенти університету Міннесоти. (2018). Електроліз води 2. Університет штату Міннесота. Відновлено: chem.umn.edu