Plik elektroliza wody Jest to rozkład wody na jej elementarne składniki poprzez zastosowanie prądu elektrycznego. Podczas przechodzenia wodór i tlen cząsteczkowy H.dwa mniedwa. Te dwie powierzchnie są lepiej znane pod nazwą elektrod..
Teoretycznie objętość H.dwa utworzony musi być dwukrotnie większy od Odwa. Dlaczego? Ponieważ cząsteczka wody ma stosunek H / O równy 2, czyli dwa H na każdy tlen. Związek ten jest bezpośrednio weryfikowany za pomocą wzoru chemicznego H.dwaO. Jednak wiele czynników eksperymentalnych wpływa na uzyskane objętości.
Jeśli elektrolizę przeprowadza się w rurkach zanurzonych w wodzie (górne zdjęcie), dolna kolumna wody odpowiada wodorowi, ponieważ na powierzchnię cieczy wywierany jest większy nacisk gazu. Pęcherzyki otaczają elektrody i po pokonaniu prężności pary wodnej wznoszą się.
Należy zauważyć, że rury są oddzielone od siebie w taki sposób, że migracja gazu z jednej elektrody do drugiej jest niewielka. W niskiej skali nie stanowi to bezpośredniego ryzyka; ale w skali przemysłowej gazowa mieszanina H.dwa mniedwa jest bardzo niebezpieczny i wybuchowy.
Z tego powodu ogniwa elektrochemiczne, w których przeprowadza się elektrolizę wody, są bardzo drogie; Potrzebują konstrukcji i elementów, które zapewniają, że gazy nigdy się nie mieszają, ekonomicznego źródła zasilania, wysokich stężeń elektrolitów, specjalnych elektrod (elektrokatalizatorów) i mechanizmów do przechowywania Hdwa wytworzony.
Elektrokatalizatory reprezentują tarcie i jednocześnie wpływają na opłacalność elektrolizy wody. Niektóre składają się z tlenków metali szlachetnych, takich jak platyna i iryd, których ceny są bardzo wysokie. Właśnie w tym momencie naukowcy łączą siły, aby zaprojektować wydajne, stabilne i tanie elektrody..
Powodem tych wysiłków jest przyspieszenie tworzenia się Odwa, który występuje przy niższych prędkościach w porównaniu do H.dwa. To spowolnienie przez elektrodę, w której tworzy się O.dwa w konsekwencji powoduje zastosowanie potencjału znacznie większego niż to konieczne (nadpotencjał); co jest tym samym, niższą wydajnością i wyższymi kosztami.
Indeks artykułów
Elektroliza wody obejmuje wiele złożonych aspektów. Jednak ogólnie rzecz biorąc, jego podstawa opiera się na prostej globalnej reakcji:
2HdwaO (l) => 2Hdwa(g) + Odwa(sol)
Jak widać z równania, w grę wchodzą dwie cząsteczki wody: jedna zwykle musi zostać zredukowana lub zyskać elektrony, podczas gdy druga musi utleniać lub stracić elektrony..
Hdwa Jest to produkt redukcji wody, ponieważ zdobywanie elektronów sprzyja powstawaniu protonów H.+ może wiązać się kowalencyjnie, a tlen przekształca się w OH-. Dlatego Hdwa występuje na katodzie, która jest elektrodą, w której zachodzi redukcja.
Podczas gdy Odwa pochodzi z utleniania wody, w wyniku czego traci elektrony, które pozwalają jej wiązać się z wodorem, a tym samym uwalnia protony H+. Odwa jest wytwarzany na anodzie, elektrodzie, w której zachodzi utlenianie; iw przeciwieństwie do drugiej elektrody, pH wokół anody jest kwaśne, a nie zasadowe.
Można to podsumować za pomocą następujących równań chemicznych dla reakcji półogniw:
2HdwaO + 2e- => H.dwa + 2OH- (Katoda, podstawowa)
2HdwaO => Odwa + 4H+ + 4e- (Anoda, kwas)
Jednak woda nie może stracić więcej elektronów (4e-) z których druga cząsteczka wody wygrywa na katodzie (2e-); dlatego pierwsze równanie należy pomnożyć przez 2, a następnie odjąć od drugiego równania, aby otrzymać równanie netto:
2 (2HdwaO + 2e- => H.dwa + 2OH-)
2HdwaO => Odwa + 4H+ + 4e-
6HdwaO => 2Hdwa + LUBdwa + 4H+ + 4OH-
Ale 4H+ i 4OH- formularz 4HdwaLub, więc usuwają cztery z sześciu cząsteczek H.dwaAlbo zostawienie dwóch; a rezultatem jest wywołana właśnie globalna reakcja.
Reakcje półogniw zmieniają się wraz z wartościami pH, technikami, a także wiążą się z nimi potencjały redukcji lub utleniania, które określają, ile prądu należy dostarczyć, aby elektroliza wody przebiegła samoistnie..
Na powyższym obrazku pokazano woltametr Hoffmana. Butle są napełniane wodą i wybranymi elektrolitami przez środkową dyszę. Rolą tych elektrolitów jest zwiększenie przewodnictwa wody, ponieważ w normalnych warunkach jonów H jest bardzo mało3LUB+ i OH- produkty jej samojonizacji.
Dwie elektrody są zwykle platynowe, chociaż na zdjęciu zostały zastąpione elektrodami węglowymi. Oba są podłączone do akumulatora, z którym jest stosowana różnica potencjałów (ΔV), która wspomaga utlenianie wody (tworzenie się Odwa).
Elektrony wędrują po całym obwodzie, aż dotrą do drugiej elektrody, gdzie woda wygrywa je i staje się H.dwa i OH-. W tym momencie anoda i katoda są już zdefiniowane, co można rozróżnić na podstawie wysokości słupów wody; ten o najniższej wysokości odpowiada katodzie, na której powstaje H.dwa.
W górnej części cylindrów znajdują się klucze, które umożliwiają uwolnienie wytwarzanych gazów. Obecność H można dokładnie sprawdzićdwa powodując, że reaguje z płomieniem, którego spalanie wytwarza gazową wodę.
Techniki elektrolizy wody różnią się w zależności od ilości Hdwa mniedwa który jest proponowany do wygenerowania. Oba gazy są bardzo niebezpieczne, jeśli są zmieszane razem, dlatego ogniwa elektrolityczne wymagają skomplikowanych projektów, aby zminimalizować wzrost ciśnienia gazów i ich dyfuzję przez środowisko wodne..
Podobnie techniki różnią się w zależności od ogniwa, elektrolitu dodanego do wody i samych elektrod. Z drugiej strony niektórzy sugerują, że reakcja przebiega w wyższych temperaturach, zmniejszając zużycie energii elektrycznej, a inni używają ogromnych ciśnień, aby utrzymać Hdwa przechowywane.
Wśród wszystkich technik można wymienić trzy następujące:
Elektrolizę przeprowadza się za pomocą zasadowych roztworów metali alkalicznych (KOH lub NaOH). Dzięki tej technice zachodzą reakcje:
4HdwaO (l) + 4e- => 2Hdwa(g) + 4OH-(ac)
4OH-(ac) => Odwa(g) + 2HdwaO (l) + 4e-
Jak widać, zarówno na katodzie, jak i na anodzie woda ma zasadowe pH; a ponadto OH- migrują do anody, gdzie utleniają się do Odwa.
Ta technika wykorzystuje stały polimer, który służy jako przepuszczalna membrana dla H.+, ale nieprzepuszczalny dla gazów. Zapewnia to większe bezpieczeństwo podczas elektrolizy..
Reakcje półkomórkowe w tym przypadku to:
4H+(ac) + 4e- => 2Hdwa(sol)
2HdwaO (l) => Odwa(g) + 4H+(ac) + 4e-
Jony H.+ migrują z anody do katody, gdzie są redukowane do H.dwa.
Bardzo różni się od innych technik, ta wykorzystuje tlenki jako elektrolity, które w wysokich temperaturach (600-900ºC) działają jako środek transportu anionu Odwa-.
Reakcje są następujące:
2HdwaO (g) + 4e- => 2Hdwa(g) + 2Odwa-
2Odwa- => Odwa(g) + 4e-
Zauważ, że tym razem są to aniony tlenkowe Odwa-, te, które trafiają do anody.
Elektroliza wody wytwarza Hdwa (g) i Odwa (sol). Około 5% wodoru wytwarzanego na świecie powstaje w wyniku elektrolizy wody.
Hdwa jest produktem ubocznym elektrolizy wodnych roztworów NaCl. Obecność soli ułatwia elektrolizę poprzez zwiększenie przewodnictwa elektrycznego wody.
Ogólna reakcja, która ma miejsce, to:
2NaCl + 2HdwaO => Cldwa + H.dwa + 2NaOH
Aby zrozumieć ogromne znaczenie tej reakcji, wspomnę o niektórych zastosowaniach produktów gazowych; Ponieważ ostatecznie to właśnie one napędzają rozwój nowych metod elektrolizy wody w bardziej wydajny i ekologiczny sposób.
Ze wszystkich najbardziej pożądane jest pełnienie funkcji ogniw, które energetycznie zastępują spalanie paliw kopalnych..
-Wodór wytwarzany w procesie elektrolizy może być stosowany w przemyśle chemicznym działając w reakcjach uzależnienia, w procesach uwodornienia lub jako reduktor w procesach redukcji.
-Podobnie jest niezbędny w niektórych działaniach o znaczeniu handlowym, takich jak: produkcja kwasu solnego, nadtlenku wodoru, hydroksyloamin itp. Bierze udział w syntezie amoniaku w reakcji katalitycznej z azotem.
-W połączeniu z tlenem wytwarza płomienie o wysokiej kaloryczności, w temperaturach od 3000 do 3500 K. Temperatury te można stosować do cięcia i spawania w przemyśle metalowym, do wzrostu kryształów syntetycznych, produkcji kwarcu itp..
-Uzdatnianie wody: zbyt wysoką zawartość azotanów w wodzie można zmniejszyć poprzez ich eliminację w bioreaktorach, w których bakterie wykorzystują wodór jako źródło energii
-Wodór bierze udział w syntezie tworzyw sztucznych, poliestru i nylonu. Ponadto jest częścią produkcji szkła, zwiększając spalanie podczas wypalania..
-Reaguje z tlenkami i chlorkami wielu metali, w tym: srebra, miedzi, ołowiu, bizmutu i rtęci, tworząc czyste metale.
-Dodatkowo jest stosowany jako paliwo w analizie chromatograficznej z detektorem płomienia..
Elektroliza roztworów chlorku sodu służy do oczyszczania wody basenowej. Podczas elektrolizy na katodzie wytwarzany jest wodór, a chlor (Cldwa) na anodzie. Elektroliza jest w tym przypadku nazywana chloratorem soli.
Chlor rozpuszcza się w wodzie, tworząc kwas podchlorawy i podchloryn sodu. Kwas podchlorawy i podchloryn sodu sterylizują wodę.
Elektroliza wody służy również do wytwarzania tlenu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która służy do utrzymania atmosfery tlenu na stacji..
Wodór może być używany w ogniwie paliwowym, metodzie magazynowania energii i wykorzystywania wody wytworzonej w komórce do spożycia przez astronautów.
Eksperymenty z elektrolizą wody zostały przeprowadzone na wagach laboratoryjnych z woltomierzami Hoffmana lub innym zespołem, który pozwala pomieścić wszystkie niezbędne elementy ogniwa elektrochemicznego..
Ze wszystkich możliwych zespołów i wyposażenia najprostszym może być duży przezroczysty zbiornik na wodę, który posłuży jako komórka. Oprócz tego każda metalowa lub przewodząca prąd elektryczny powierzchnia musi również znajdować się pod ręką, aby działać jako elektrody; jeden dla katody, a drugi dla anody.
W tym celu przydatne mogą być nawet ołówki z ostrymi grafitowymi końcówkami na obu końcach. I na koniec mała bateria i kilka kabli, które łączą ją z prowizorycznymi elektrodami..
Gdyby nie było to przeprowadzane w przezroczystym pojemniku, powstawanie pęcherzyków gazowych nie byłoby doceniane..
Chociaż elektroliza wody jest tematem zawierającym wiele intrygujących i obiecujących aspektów dla osób poszukujących alternatywnych źródeł energii, domowy eksperyment może być nudny dla dzieci i innych osób postronnych..
Dlatego można przyłożyć wystarczające napięcie, aby wytworzyć H.dwa mniedwa naprzemiennie pewne zmienne i odnotowywanie zmian.
Pierwszym z nich jest zmiana pH wody przy użyciu octu do zakwaszenia wody lub NadwaWSPÓŁ3 aby go lekko uzasadnić. Musi nastąpić zmiana w liczbie obserwowanych pęcherzyków.
Dodatkowo ten sam eksperyment można powtórzyć z ciepłą i zimną wodą. W ten sposób należałoby rozważyć wpływ temperatury na reakcję..
Wreszcie, aby zbieranie danych było trochę mniej bezbarwne, można użyć bardzo rozcieńczonego roztworu soku z fioletowej kapusty. Sok ten jest kwasowo-zasadowym wskaźnikiem pochodzenia naturalnego.
Dodając go do pojemnika z włożonymi elektrodami można zauważyć, że na anodzie woda zmieni kolor na różowy (kwaśny), natomiast na katodzie kolor będzie żółty (zasadowy).
Jeszcze bez komentarzy