Поступак електролизе воде, технике, шта је то, кућни експеримент

Тхе електролиза воде то је разлагање воде у елементарне компоненте применом електричне струје. Када се одвија, водоник и молекуларни кисеоник се формирају на две инертне површине, Х₂ и О₂. Ове две површине су боље познате по имену електрода.

Теоретски, волумен Х₂ формирана мора бити двоструко већа од О₂. Зашто? Пошто молекул воде има Х / О однос једнак 2, односно два Х за сваки кисеоник. Овај однос се директно проверава његовом хемијском формулом, Х₂О. Међутим, многи експериментални фактори утичу на добијене запремине.

Ако се електролиза проводи унутар цијеви потопљене у воду (горња слика), колона воде ниже висине одговара водику, јер постоји већа количина плина који врши притисак на површину текућине. Мјехурићи окружују електроде и на крају расту након истека притиска паре воде.

Имајте на уму да су цеви одвојене једна од друге на такав начин да постоји мала миграција гасова са једне електроде на другу. На ниским скалама, ово не представља непосредан ризик; али у индустријским скалама, гасна мешавина Х₂ и О₂ Врло је опасан и експлозиван.

Из тог разлога, електрокемијске ћелије у којима се врши електролиза воде су веома скупе; потребан им је дизајн и елементи који гарантују да се гасови никада не мешају, профитабилна струја, високе концентрације електролита, специјалне електроде (електрокатализатори) и механизми за складиштење Х₂ произведено.

Електрокатализатори представљају трење и истовремено крила за профитабилност електролизе воде. Неки се састоје од оксида племенитих метала, као што су платина и иридијум, чије су цене веома високе. Управо у овом тренутку истраживачи удружују снаге у дизајнирању ефикасних, стабилних и јефтиних електрода.

Разлог за ова настојања је да се убрза формирање О₂, који је дат на нижим брзинама у односу на Х₂. То успорава електрода у којој се формира О₂ она доводи као општу последицу примену потенцијала много већег него што је потребно (оверпотенцијал); оно што је исто, ниже перформансе и већи трошкови.

Индек

• 1 Реакција електролизе
  • 1.1 Реакције полу-ћелија
• 2 Процедура
• 3 Технике
  • 3.1 Електролиза са алкалном водом
  • 3.2 Електролиза полимерном електролитском мембраном
  • 3.3 Електролиза са чврстим оксидима
• 4 Каква је употреба електролизе воде??
  • 4.1 Производња водоника и његове употребе
  • 4.2 Као метод за отклањање грешака
  • 4.3 Као снабдевање кисеоником
• 5 Кућни експеримент
  • 5.1 Почетна варијабле
• 6 Референце

Електролиза

Електролиза воде укључује многе сложене аспекте. Међутим, генерално, његова основа лежи у једноставној глобалној реакцији:

2Х₂О (л) => 2Х₂(г) + О₂(г)

Као што је уочено у једначини, интервенишу два молекула воде: један се обично мора смањити, или добити електроне, док други мора оксидовати или изгубити електроне.

Тхе Х₂ То је производ редукције воде, јер добит електрона промовира протоне Х⁺ може бити ковалентно везан, а кисеоник трансформисан у ОХ^-. Дакле, Х₂ јавља се на катоди, која је електрода у којој долази до редукције.

Док је О₂ долази из оксидације воде, јер губи електроне који јој омогућавају да се веже за водоник, и тиме ослобађа протоне Х⁺. Тхе О₂ јавља се на аноди, електроди у којој долази до оксидације; и за разлику од друге електроде, пХ вредност око аноде је кисела и није базична.

Полу-ћелијске реакције

Наведено се може сажети са следећим хемијским једначинама за полу-ћелијске реакције:

2Х₂О + 2е^- => Х₂ + 2ОХ^- (Катода, основна)

2Х₂О => О₂ + 4Х⁺ + 4е^- (Анода, киселина)

Међутим, вода не може изгубити више електрона (4е^-) од којих други молекул воде побеђује на катоди (2е^-); према томе, прва једначина се мора помножити са 2, а затим одузети другом једначином да би се добила нето једначина:

2 (2Х₂О + 2е^- => Х₂ + 2ОХ^-)

2Х₂О => О₂ + 4Х⁺ + 4е^-

6Х₂О => 2Х₂ + О₂ + 4Х⁺ + 4ОХ^-

Али 4Х⁺ и 4ОХ^- они формирају 4Х₂Или, тако да они елиминишу четири од шест молекула Х₂Или остављање два; а резултат је управо глобална реакција.

Реакције полу-ћелија се мењају са пХ вредностима, техникама, а такође имају потенцијалну редукцију или оксидационе потенцијале, који одређују колико струје треба да се обезбеди тако да се електролиза воде одвија спонтано.

Процедура

Горња слика приказује Хоффманов волтметар. Цилиндри су напуњени водом и одабраним електролитима кроз средњу млазницу. Улога ових електролита је да повећају проводљивост воде, јер у нормалним условима има врло мало Х јона₃О⁺ и ОХ^- производе ваше ауто јонизације.

Две електроде су обично платине, мада су на слици замењене угљеничним електродама. Оба су повезана са батеријом, са којом се примењује разлика потенцијала (ΔВ) која поспешује оксидацију воде (формирање О).₂).

Електрони путују кроз читав круг док не дођете до друге електроде, где вода побеђује и постаје Х₂ и ОХ^-. У овом тренутку анода и катода су већ дефинисани, што се може разликовати по висини водених стубова; онај мањих висина одговара катоди, где се формира Х₂.

У горњем делу цилиндара постоје неки кључеви који омогућавају ослобађање насталих гасова. Пажљиво можете проверити присуство Х₂ да реагује са пламеном, чије сагоревање производи гасовиту воду.

Технике

Технике електролизе воде варирају у зависности од количине Х₂ и О₂ који се предлаже да се генерише. Оба гаса су веома опасна ако су помешана, и зато електролитичке ћелије носе комплексне конструкције како би се смањио пораст гасних притисака и њихова дифузија кроз водени медијум..

Такође, технике осцилирају у зависности од ћелије, електролита доданог у воду и самих електрода. С друге стране, неки имплицирају да се реакција одвија на вишим температурама, смањује потрошњу електричне енергије, а други користе огромне притиске за одржавање Х₂ ускладиштено.

Међу свим техникама, могу се споменути сљедећа три:

Електролиза са алкалном водом

Електролиза се изводи базним растворима алкалних метала (КОХ или НаОХ). Овом техником се јављају реакције:

4Х₂О (л) + 4е^- => 2Х₂(г) + 4ОХ^-(ац)

4ОХ^-(ац) => О₂(г) + 2Х₂О (л) + 4е^-

Као што се може видети, како на катоди, тако и на аноди, вода има базни пХ; и поред тога, ОХ^- мигрирати до аноде гдје се оксидирају до О₂.

Електролиза са полимерном електролитичком мембраном

У овој техници користи се чврсти полимер који служи као пропусна мембрана за Х⁺, али водоотпоран за гасове. Ово гарантује већу сигурност током електролизе.

Реакције полу-ћелија за овај случај су:

4Х⁺(ац) + 4е^- => 2Х₂(г)

2Х₂О (л) => О₂(г) + 4Х⁺(ац) + 4е^-

Хјони⁺ мигрирају од аноде до катоде, гдје се редукују до Х₂.

Електролиза са чврстим оксидима

Врло различита од других техника, она користи оксиде као електролите, који при високим температурама (600-900ºЦ) функционишу као анионски транспортни медиј.^2-.

Реакције су:

2Х₂О (г) + 4е^- => 2Х₂(г) + 20^2-

2О^2- => О₂(г) + 4е^-

Имајте на уму да су ово време оксиди аниона, ОР^2-, они који путују до аноде.

Шта је употреба електролизе воде?

Електролиза воде производи Х₂ (г) и О₂ (г) Приближно 5% гаса водоника произведеног у свету се производи електролизом воде.

Тхе Х₂ то је нуспродукт електролизе водених раствора НаЦл. Присуство соли олакшава електролизу повећањем електричне проводљивости воде.

Глобална реакција која се одвија је:

2НаЦл + 2Х₂О => Цл₂     +       Х₂      +       2НаОХ

Да би се разумела огромна важност ове реакције, биће поменуте неке од употребе гасовитих производа; јер на крају крајева, то су оне које покрећу развој нових метода за постизање електролизе воде на ефикаснији и зеленији начин.

Од свих њих, најтраженије је да служе као ћелије које енергично замењују употребу спаљивања фосилних горива.

Производња водоника и његове употребе

-Водоник произведен у електролизи може се користити у хемијској индустрији у реакцијама зависности, у процесу хидрогенације или као редукциони агенс у редукционим процесима.

-Такође, од суштинског је значаја у неким акцијама од комерцијалног значаја, као што су: производња хлороводоничне киселине, водоник пероксида, хидроксиламина, итд. Укључен у синтезу амонијака каталитичком реакцијом са азотом.

-У комбинацији са кисеоником, производи пламенове са високим садржајем калорија, са температурама између 3.000 и 3.500 К. Ове температуре се могу користити за сечење и заваривање у металној индустрији, за растове синтетичких кристала, производњу кварца итд..

-Третман воде: превисок садржај нитрата у води може се смањити њиховом елиминацијом у биореакторима, у којима бактерије користе водоник као извор енергије

-Водоник интервенише у синтези пластике, полиестера и најлона. Поред тога, она је део производње стакла, што повећава сагоревање током печења.

-Реакција са оксидима и хлоридом многих метала, међу њима: сребро, бакар, олово, бизмут и жива за производњу чистих метала.

-Додатно, користи се као гориво у хроматографским анализама са детектором пламена.

Као метод за отклањање грешака

Електролиза раствора натријум хлорида се користи за пречишћавање воде у базенима. Током електролизе, у катоди и хлору се производи водоник (Цл₂) на аноди. Говори се о електролизи у овом случају као хлоринатора соли.

Хлор се раствара у води и формира хипохлоричну киселину и натријум хипохлорит. Хлороводонична киселина и натријум хипохлорит стерилишу воду.

Као снабдевање кисеоником

Електролиза воде се такође користи за производњу кисеоника у Међународној свемирској станици, која служи за одржавање атмосфере кисеоника у станици.

Водоник се може користити у горивој ћелији, методу за складиштење енергије и употреби воде која се ствара у ћелији за потрошњу астронаута.

Кућни експеримент

Експерименти електролизе воде изведени су у лабораторијским вага са Хоффмановим волтметрима, или другим склопом који омогућава да садржи све потребне елементе електрокемијске ћелије.

Од свих могућих склопова и опреме најједноставније може бити велики транспарентни спремник за воду, који ће служити као ћелија. Поред тога, треба да имате на располагању било коју металну или електрично водљиву површину да функционише као електрода; један за катоду, а други за аноду.

У ту сврху могу бити корисне и оловке са графитним тачкама наоштреним на оба краја. И на крају, мала батерија и неки каблови који га повезују са импровизованим електродама.

Ако се то не уради у транспарентном контејнеру, формирање мехурића гаса се не може проценити.

Хоме вариаблес

Иако је електролиза воде субјект који садржи многе интригантне и надајуће аспекте за оне који траже алтернативне изворе енергије, кућни експеримент може бити досадан дјеци и другим гледатељима..

Због тога се може применити довољан напон да се генерише Х формација₂ и О₂ наизменичне одређене варијабле и уочавање промена.

Прва је варијација пХ воде, користећи или оцат за закисељавање воде, или На₂ЦО₃ да га мало ослабите. Мора да дође до промене у количини посматраних мехурића.

Поред тога, исти експеримент се може поновити са хладном и топлом водом. На тај начин би се разматрао утицај температуре на реакцију.

Коначно, да би се прикупљање података учинило нешто мање безбојним, можете се послужити веома разређеним раствором сока од љубичастог купуса. Овај сок је основни киселински индикатор природног порекла.

Додајући га у посуду са уведеним електродама, приметиће се да ће на аноди вода постати ружичаста (киселина), док ће на катоди боја бити жута (основна).

Референце

1. Википедиа. (2018). Електролиза воде. Преузето са: ен.википедиа.орг
2. Цхаплин М. (16. новембар 2018). Електролиза воде. Структура воде и наука. Преузето са: 1.лсбу.ац.ук
3. Енергетска ефикасност и обновљива енергија. (с.ф.). Производња водоника: електролиза. Добављено из: енерги.гов
4. Пхис.орг. (14. фебруар 2018). Високоучинковит, јефтин катализатор за електролизу воде. Преузето са: пхис.орг
5. Цхемистри ЛибреТектс. (18. јун 2015. године). Електролиза воде. Преузето са: цхем.либретектс.орг
6. Ксианг Ц., М. Пападантонакисаб К., и С. Левис Н. (2016). Принципи и имплементације система електролизе за раздвајање воде. Краљевско хемијско друштво.
7. Регенти Универзитета у Минесоти. (2018). Електролиза воде 2. Универзитет у Минесоти. Добављено из: цхем.умн.еду