ЕЛЕКТРОЛИЗА ВОДЕ: ПОСТУПАК, ТЕХНИКЕ, ЧЕМУ СЛУЖИ - ХЕМИЈА - 2025

Електролиза воде је разлагање воде у своје елементарне компоненте применом електричне струје. Док су наставите водоник и молекулски кисеоник, Х ₂ и О ₂ , формирају се два инертном површинама . Ове две површине су познатије по називу електрода.

Теоретски, обим Х ₂ формирала буде дупло обим О ₂ . Зашто? Пошто молекул воде има омјер Х / О једнак 2, то јест два Х за сваки кисеоник. Ова веза је директно потврђена његовом хемијском формулом, Х ₂ О. Међутим, многи експериментални фактори утичу на добијене количине.

Извор: Антти Т. Ниссинен преко Флицкр-а

Ако се електролиза врши у цревима уроњеним у воду (горња слика), доњи ступац воде одговара водонику, јер постоји већа количина гаса који врши притисак на површину течности. Мјехурићи окружују електроде и на крају се подижу након превладавања притиска паре воде.

Имајте на уму да су цеви раздвојене једна на другу на начин да постоји мала миграција гасова са једне електроде на другу. У ниским размерама, то не представља непосредни ризик; али индустријске ваге, гасна смеша Х ₂ и О ₂ је веома опасна и експлозивно.

Из тог разлога, електрохемијске ћелије у којима се врши електролиза воде су веома скупе; Треба им дизајн и елементе који гарантује да гасови никада мик, профитабилан струја напајања, високе концентрације електролита, специјалне електроде (Електрокатализатори), а механизми за продавницу Х ₂ произведена.

Електрокатализатори представљају трење и истовремено крила за исплативост 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 да дизајнирају ефикасне, стабилне и јефтине електроде.

Разлог ових напора јесте да се убрза формирање О ₂ која настаје по нижим стопама у односу на Х ₂ . То успорава по електроде, где о ₂ се формира доноси као опште последицу примену потенцијал много већи него што је потребно (оверпотентиал); што је једнако, нижим перформансама и већим трошковима.

Реакција електролизе

Електролиза воде укључује много сложених аспеката. Међутим, генерално гледано, његова основа почива на једноставној глобалној реакцији:

2Х ₂ О (л) => 2Х ₂ (г) + О ₂ (г)

Као што се види у једначини, укључене су две молекуле воде: једна се обично мора редуцирати или добити електроне, док друга мора оксидирати или изгубити електроне.

Х ₂ је производ смањења воде, јер је добит од електрона промовише да Х ⁺ протони могу везати ковалентно, и да се кисеоник трансформише у ОХ ^- . Стога, Х ₂ се производи на катоди, а то је електрода којој дође до смањења.

Док О ₂ долази из оксидације воде, због чега губи електроне који га омогућавају да се везује за водоник, а самим тим ослобађа Х ⁺ протона . О ₂ се производи на аноди, електроде где долази окидатион; За разлику од друге електроде, пХ око аноде је кисео и није базичан.

Полућелијске реакције

То се може сумирати са следећим хемијским једначинама за реакције полу-ћелија:

2Х ₂ О + 2е ^- => Х ₂ + 2ОХ ^- ( Катода , основне)

2Х ₂ О => О ₂ + 4Х ⁺ + 4е ^- (Аноде, киселина)

Међутим, вода не може изгубити више електрона (4е ^- ) од осталих молекула воде добијених на катоди (2е ^- ); стога се прва једначина мора помножити са 2, а затим одузети са другом једначином да би се добила нето једначина:

2 (2Х ₂ О + 2е ^- => Х ₂ + 2ОХ ^- )

2Х ₂ О => О ₂ + 4Х ⁺ + 4е ^-

6Х ₂ О => 2Х ₂ + О ₂ + 4Х ⁺ + 4ОХ ^-

Међутим 4Х ⁺ анд 4ОХ ^- форма 4Х ₂ О, тако да елиминишу четири шест Х ₂ О молекула, остављајући два; а резултат је управо наведена глобална реакција.

Реакције у полу-ћелијама се мењају са пХ вредностима, техникама и такође имају повезане потенцијале редукције или оксидације, који одређују колико струје треба да се обезбеди да би се електролиза воде спонтано наставила.

Процес

Извор: Иван Акира, из Викимедиа Цоммонс

На горњој слици је приказан Хоффманов волтаметар. Цилиндри се пуне водом и одабраним електролитима кроз средњу млазницу. Улога ових електролита је повећање проводљивост воде, јер под нормалним условима има веома мало Х ₃ О ⁺ и ОХ јони ^- производи њиховог само-јонизације.

Две електроде су обично направљене од платине, мада су на слици замењене угљен-електродама. Оба су прикључени на батерије, са којим се примењује потенцијални разлика (ΔВ) који промовише оксидацију воде (формирање О ₂ ).

Електрони путују цео круг док не стигне на другу електроду где их побеђује воду и постаје Х, ₂ и ОХ ^- . У овом тренутку су већ дефинисане анода и катода, које се могу разликовати по висини водених стубова; онај са најнижим висини одговара катоде где Х ₂ је формиран .

У горњем делу цилиндара постоје кључеви који омогућавају ослобађање насталих гасова. Присуство Х ₂ може пажљиво проверене реакцијом са пламеном, чији сагоревање производи гасовитог воду.

Технике

Електролизе воде Технике се разликују у зависности од количине Х ₂ и О ₂ да се генерише. Оба гаса су врло опасна ако се мешају заједно, због чега електролитичке ћелије укључују сложене дизајне да би се смањили притисци гасова и њихова дифузија кроз водени медијум.

Такође, технике варирају у зависности од ћелије, електролита који се додаје у воду и самих електрода. С друге стране, неки указују да је реакција је изведена на вишим температурама, смањење потрошње електричне енергије, а други користе огромне притиске да задржи Х ₂ сачувани.

Међу свим техникама могу се поменути следеће три:

Електролиза са алкалном водом

Електролиза се врши основним растворима алкалних метала (КОХ или НаОХ). Овом техником настају реакције:

4Х ₂ О (л) + 4е ^- => 2Х ₂ (г) + 4ОХ ^- (ак)

4ОХ ^- (ак) => О ₂ (г) + 2Х ₂ О (л) + 4е ^-

Као што се може видети, и на катоди и на аноди, вода има базични пХ; и поред тога, ОХ ^{- миграте} према аноди где су оксидовани до О ₂ .

Електролиза са полимерном електролитичком мембраном

У овој техници користи се чврсти полимер који служи као мембрана која је пропусна за Х ⁺ , али непропусна за гасове. То осигурава већу сигурност током електролизе.

Реакције пола ћелије за овај случај су:

4Х ⁺ (ак) + 4е ^- => 2Х ₂ (г)

2Х ₂ О (л) => О ₂ (г) + 4Х ⁺ (ак) + 4е ^-

Х ⁺ јони прелазе из аноде до катоде где су смањене да постану Х ₂ .

Електролиза са чврстим оксидима

Веома разликује од других техника, овај користи оксиди као електролитима, који у високим температурама (600-900ºЦ) функционишу као средство превоза О ^2- ањон .

Реакције су:

2Х ₂ О (г) + 4е ^- => 2Х ₂ (г) + 2О ^2-

2О ^2- => О ₂ (г) + 4е ^-

Имајте на уму да су овога пута оксидни аниони, О ^2- , који путују до аноде.

Чему служи електролиза воде?

Електролиза воде производи Х ₂ (г) и О ₂ (г). Отприлике 5% водоничног гаса који се производи у свету ствара се електролизом воде.

Х ₂ је нус-производ електролизе водених НаЦл раствора. Присуство соли олакшава електролизу повећањем електричне проводљивости воде.

Укупна реакција која се одвија је:

2НаЦл + 2Х ₂ О => Цл ₂ + Х ₂ + 2НаОХ

Да бисмо разумели огромну важност ове реакције, поменуће се неке од употреба гасовитих производа; Јер на крају дана, то су оне које покрећу развој нових метода за постизање електролизе воде на ефикаснији и зеленији начин.

Од свих њих најпожељније је да функционишу као ћелије које енергетски замјењују употребу горивих фосилних горива.

Производња водоника и његове употребе

Водоник добијен електролизом може се користити у хемијској индустрији која делује у реакцијама зависности, у процесима хидрогенације или као редукционо средство у редукционим процесима.

-Такође је неопходно у неким радњама од комерцијалног значаја, као што су: производња хлороводоничне киселине, водоник пероксида, хидроксиламина итд. Учествује у синтези амонијака путем каталитичке реакције са азотом.

-У комбинацији са кисеоником ствара пламен са високим удјелом калорија, са температурама између 3.000 и 3.500 К. Те температуре се могу користити за сечење и заваривање у металној индустрији, за раст синтетских кристала, производњу кварца итд. .

-Пречишћавање водом: прекомерно висок садржај нитрата у води може се смањити елиминацијом у биореакторима, у којима бактерије користе водоник као извор енергије

-Видон је укључен у синтезу пластике, полиестера и најлона. Поред тога, део је производње стакла, повећавајући сагоревање током печења.

-Односи са оксидима и хлоридом многих метала, међу којима су: сребро, бакар, олово, бизмут и жива да би се добили чисти метали.

- Поред тога користи се као гориво у хроматографској анализи са детектором пламена.

Као метод уклањања грешака

Електролиза раствора натријум-хлорида користи се за прочишћавање воде у базену. Током електролизе водоник се производи на катоди и хлор (Цл ₂ ) на аноде. У овом случају се електролизом назива клоратор соли.

Хлор се раствара у води да би се формирала хипохлорна киселина и натријум хипохлорит. Хипохлорна киселина и натријум хипохлорит стерилишу воду.

Као довод кисеоника

Електролиза воде се такође користи за стварање кисеоника на Међународној свемирској станици која служи за одржавање атмосфере са кисеоником на станици.

Водоник се може користити у горивној ћелији, методу складиштења енергије и користити воду коју у ћелији стварају астронаути за потрошњу.

Кућни експеримент

Експерименти водене електролизе изведени су у лабораторијским вагама са Хоффмановим волтметрима или другим склопом који омогућава да се укупе сви потребни елементи електрохемијске ћелије.

Од свих могућих склопова и опреме, најједноставнија може бити велика прозирна посуда за воду, која ће служити као ћелија. Поред овога, свака метална или електрично проводљива површина мора бити при руци да би могла функционисати као електроде; један за катоду, а други за аноду.

У ту сврху могу бити корисне чак и оловке са оштрим графитним врховима на оба краја. И на крају, мала батерија и неки каблови који га повезују с импровизираним електродама.

Ако се не проведе у прозирној посуди, стварање гасовитих мехурића се не би ценило.

Кућне променљиве

Иако је електролиза воде тема која садржи много интригантних и надајућих аспеката за оне који траже алтернативне изворе енергије, кућни експеримент може бити досадан деци и другим пролазницима.

Стога довољно напона може се применити да генерише стварање Х ₂ и О _{2 по} наизменичним одређене варијабле и констатујући промене.

Први је варијација пХ воде, користећи или сирће да се закисели воду или На ₂ ЦО ₃ до благо га базификацију. Мора се догодити промена у броју примећених мехурића.

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

На крају, како бисте прикупљање података учинили мање безбојним, можете користити веома разблажен раствор сока од љубичастог купуса. Овај сок је кисело-базни показатељ природног порекла.

Додавањем у контејнер са убаченим електродама имаће на уму да ће на аноди вода постати ружичаста (киселина), док је на катоди боја жута (основна).

Референце

1. Википедиа. (2018). Електролиза воде. Опоравак од: ен.википедиа.орг
2. Цхаплин М. (16. новембра 2018.). Електролиза воде. Структура воде и наука. Опоравак од: 1.лсбу.ац.ук
3. Енергетска ефикасност и обновљива енергија. (сф) Производња водоника: електролиза. Опоравак од: енерги.гов
4. Пхис.орг. (14. фебруара 2018.). Високо ефикасан, јефтин катализатор за водену електролизу. Опоравак од: пхис.орг
5. Цхемистри ЛибреТектс. (18. јун 2015.). Електролиза воде. Опоравак од: цхем.либретектс.орг
6. Ксианг Ц., М. Пападантонакисаб К. и С. Левис Н. (2016). Принципи и примене система електролизе за цепање воде. Краљевско хемијско друштво.
7. Регенти Универзитета у Минесоти. (2018). Електролиза воде 2. Универзитет у Минесоти. Опоравак од: цхем.умн.еду