Procedura elektrolizy wody, techniki, do czego służy, eksperyment domowy

The elektroliza wody jest to rozkład wody na jej elementarne składniki przez zastosowanie prądu elektrycznego. Podczas postępowania, wodór i tlen cząsteczkowy tworzą się na dwóch obojętnych powierzchniach, H₂ i O₂. Te dwie powierzchnie są lepiej znane pod nazwą elektrod.

Teoretycznie objętość H₂ utworzona musi być dwukrotnie większa od O₂. Dlaczego? Ponieważ cząsteczka wody ma stosunek H / O równy 2, czyli dwa H dla każdego tlenu. Ta zależność jest sprawdzana bezpośrednio za pomocą wzoru chemicznego H₂O. Jednakże wiele czynników eksperymentalnych wpływa na uzyskiwane objętości.

Jeśli elektroliza odbywa się w probówkach zanurzone w wodzie (na górze), wysokość słupa wody odpowiada dolnej wodoru, ponieważ istnieją większe ciśnienie gazu w cieczy. Bubbles otaczają elektrody i kończy się wspinaczka po wygraniu ciśnienie pary wodnej.

Należy zauważyć, że rury są oddzielone od siebie w taki sposób, że występuje niska migracja gazów z jednej elektrody do drugiej. W niskich skalach nie stanowi to bezpośredniego zagrożenia; ale w skali przemysłowej mieszanina gazów H₂ i O₂ Jest bardzo niebezpieczny i wybuchowy.

W związku z tym, że elektrochemiczne ogniwa gdy elektrolizę wody jest prowadzone są bardzo kosztowne; Oni potrzebie elementów projektu, aby zapewnić, że gazy nie mieszaj, dostaw bieżących kosztów, wysokiego stężenia elektrolitów, specjalnych elektrod (elektrokatalizatora) oraz mechanizmów przechowywania H₂ wyprodukowane.

Elektrokatalizatory reprezentują tarcie, a jednocześnie skrzydła dla opłacalności elektrolizy wody. Niektóre składają się z tlenków metali szlachetnych, takich jak platyna i iryd, których ceny są bardzo wysokie. Właśnie w tym miejscu naukowcy łączą siły w celu zaprojektowania wydajnych, stabilnych i tanich elektrod.

Powodem tych wysiłków jest przyspieszenie powstawania O₂, który jest podawany przy niższych prędkościach w porównaniu z H₂. Spowalnia to elektroda, w której powstaje O.₂ generalnie skutkuje zastosowaniem potencjału o wiele większego niż to konieczne (nadpotencjał); co jest takie samo, niższa wydajność i wyższe wydatki.

Indeks

• 1 Reakcja elektrolizy
  • 1.1 Reakcje półokomórkowe
• 2 Procedura
• 3 techniki
  • 3.1 Elektroliza wodą alkaliczną
  • 3.2 Elektroliza za pomocą polimerowej membrany elektrolitycznej
  • 3.3 Elektroliza ze stałymi tlenkami
• 4 Jakie jest zastosowanie elektrolizy wody??
  • 4.1 Produkcja wodoru i jego zastosowania
  • 4.2 Jako metoda debugowania
  • 4.3 Jako dopływ tlenu
• 5 Eksperyment domowy
  • 5.1 Zmienne domowe
• 6 referencji

Reakcja elektrolizy

Elektroliza wody wymaga wielu złożonych aspektów. Jednak ogólnie rzecz biorąc, jego podstawą jest prosta globalna reakcja:

2H₂O (l) => 2H₂(g) + O₂(g)

Jak zaobserwowano w równaniu, dwie cząsteczki wody interweniują: jedna musi być zwykle zredukowana lub zdobyć elektrony, podczas gdy druga musi utleniać lub tracić elektrony.

H₂ Jest produktem redukcji wody, ponieważ wzmocnienie elektronów promuje protony H⁺ może być kowalencyjnie związany, a tlen przekształcony w OH^-. Dlatego H₂ występuje na katodzie, która jest elektrodą, gdzie następuje redukcja.

Podczas gdy O₂ pochodzi z utleniania wody, ponieważ traci elektrony, które pozwalają jej wiązać się z wodorem, iw konsekwencji uwalnia protony H⁺. O₂ występuje na anodzie, elektrodzie, w której zachodzi utlenianie; W przeciwieństwie do drugiej elektrody, pH wokół anody jest kwaśne i nie jest zasadowe.

Reakcje półokomórkowe

Powyższe można podsumować za pomocą następujących równań chemicznych dla reakcji półogniwa:

2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^- (Katoda, podstawowa)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^- (Anoda, kwas)

Jednak woda nie może stracić więcej elektronów (4e^-) którego druga cząsteczka wody wygrywa na katodzie (2e^-); dlatego pierwsze równanie należy pomnożyć przez 2, a następnie odjąć za pomocą drugiego równania, aby uzyskać równanie netto:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^-)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^-

6H₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

Ale 4H⁺ i 4OH^- tworzą 4H₂Albo też eliminują cztery z sześciu cząsteczek H₂Albo zostawiając dwa; a rezultatem jest właśnie globalna reakcja.

Reakcje połowę zmiany komórki do wartości pH, techniki, a także nie związanych redukcji lub utleniania potencjałach, które określają ilość prądu muszą być dostarczane do elektrolizy wody przebiegać samorzutnie.

Procedura

Górny obraz pokazuje woltomierz Hoffmana. Cylindry są wypełnione wodą i wybrane elektrolity przez środkową dyszę. Rolą tych elektrolitów jest zwiększenie przewodności wody, ponieważ w normalnych warunkach jest bardzo mało jonów H₃O⁺ i OH^- produkty twojej auto jonizacji.

Dwie elektrody są zwykle platynowe, chociaż na obrazie zostały zastąpione przez elektrody węglowe. Oba są podłączone do akumulatora, za pomocą którego stosuje się różnicę potencjałów (ΔV), która sprzyja utlenianiu wody (tworzenie O).₂).

Elektrony przemieszczają się po całym obwodzie, aż dotrzesz do drugiej elektrody, gdzie woda wygrywa i staje się H₂ i OH^-. W tym momencie anoda i katoda są już zdefiniowane, co można odróżnić od wysokości kolumn wody; ten o mniejszej wysokości odpowiada katodzie, gdzie powstaje H₂.

W górnej części cylindrów znajdują się klawisze pozwalające na uwolnienie generowanych gazów. Możesz dokładnie sprawdzić obecność H₂ dzięki czemu reaguje z płomieniem, którego spalanie wytwarza gazową wodę.

Techniki

Techniki elektrolizy wody różnią się w zależności od ilości H₂ i O₂ wygeneruje ona powstaje. Obie Gazy są bardzo niebezpieczne, jeśli miesza się ze sobą tak, że ogniwa elektrolityczne obejmują skomplikowane wzory, aby zminimalizować wzrost ciśnienia gazu i rozpowszechniania przez medium wodnym.

Ponadto techniki oscylują w zależności od komórki, elektrolitu dodawanego do wody i samych elektrod. Z drugiej strony niektórzy sugerują, że reakcja jest przeprowadzana w wyższych temperaturach, zmniejszając zużycie energii elektrycznej, a inni używają ogromnej presji, aby utrzymać H₂ przechowywane.

Wśród wszystkich technik można wymienić następujące trzy:

Elektroliza wodą alkaliczną

Elektrolizę przeprowadza się za pomocą zasadowych roztworów metali alkalicznych (KOH lub NaOH). Dzięki tej technice zachodzą reakcje:

4H₂O (1) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(ac)

4OH^-(ac) => O₂(g) + 2H₂O (1) + 4e^-

Jak widać, zarówno na katodzie, jak i na anodzie, woda ma zasadowe pH; a ponadto OH^- migrować do anody, gdzie utleniają się do O₂.

Elektroliza z polimerową membraną elektrolityczną

W tej technice stosuje się stały polimer, który służy jako przepuszczalna membrana dla H⁺, ale wodoodporny dla gazów. Gwarantuje to większe bezpieczeństwo podczas elektrolizy.

Reakcje półogniwa w tym przypadku to:

4H⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(g)

2H₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

Jony H⁺ migrują z anody do katody, gdzie zostają zredukowane do H₂.

Elektroliza stałymi tlenkami

Bardzo różni się od innych technik, wykorzystuje tlenki jako elektrolity, które w wysokich temperaturach (600-900ºC) działają jako medium transportujące aniony.^2-.

Reakcje są:

2H₂O (g) + 4e^- => 2H₂(g) + 2O^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Zauważ, że tym razem są to aniony tlenkowe, LUB^2-, ci, którzy podróżują do anody.

Jakie jest zastosowanie elektrolizy wody?

Elektroliza wody wytwarza H₂ (g) i O₂ (g) Około 5% gazu wodorowego produkowanego na świecie jest wytwarzane przez elektrolizę wody.

H₂ jest produktem ubocznym elektrolizy wodnych roztworów NaCl. Obecność soli ułatwia elektrolizę przez zwiększenie przewodności elektrycznej wody.

Globalna reakcja ma miejsce:

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

Aby zrozumieć ogromne znaczenie tej reakcji, wspomniane zostaną niektóre zastosowania produktów gazowych; ponieważ w końcu są to te, które napędzają rozwój nowych metod uzyskiwania elektrolizy wody w bardziej wydajny i ekologiczny sposób.

Spośród nich najbardziej pożądane jest pełnienie funkcji komórek, które energetycznie zastępują spalanie paliw kopalnych.

Produkcja wodoru i jego zastosowania

-Wodór wytwarzany w elektrolizie może być stosowany w przemyśle chemicznym działającym w reakcjach uzależnień, w procesach uwodorniania lub jako środek redukujący w procesach redukcji.

-Jest również niezbędna w niektórych działaniach o znaczeniu handlowym, takich jak: produkcja kwasu chlorowodorowego, nadtlenku wodoru, hydroksyloamin itp. Zaangażowany w syntezę amoniaku przez reakcję katalityczną z azotem.

-W połączeniu z tlenem wytwarza płomień o wysokiej zawartości kalorycznej, w temperaturach w zakresie od 3000 do 3500 K. Te temperatury, które mogą być stosowane do cięcia i zgrzewania w przemyśle metalowym, na wzrost kryształów kwarcu syntetycznych, wytwarzanie etc..

-Uzdatnianie wody: zbyt wysoka zawartość azotanów w wodzie może zostać zmniejszona przez ich eliminację w bioreaktorach, w których bakterie wykorzystują wodór jako źródło energii

-Wodór ingeruje w syntezę tworzyw sztucznych, poliestru i nylonu. Ponadto jest częścią produkcji szkła, zwiększając spalanie podczas pieczenia.

-Reaguje z tlenkami wielu metali i chlorki, w tym: srebra, miedzi, ołowiu i rtęci, bizmutu, w celu wytworzenia czystych metali.

-Dodatkowo jest stosowany jako paliwo w analizach chromatograficznych z detektorem płomienia.

Jako metoda debugowania

Elektroliza roztworów chlorku sodu jest stosowana do oczyszczania wody w basenie. Podczas elektrolizy w katodzie i chlorze wytwarzany jest wodór (Cl₂) na anodzie. Mówi się o elektrolizie w tym przypadku jako chlorującej soli.

Chlor rozpuszcza się w wodzie, tworząc kwas podchlorawy i podchloryn sodu. Kwas podchlorawy i podchloryn sodu sterylizują wodę.

Jako źródło tlenu

Elektroliza wody jest również wykorzystywana do wytwarzania tlenu w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która służy do utrzymania atmosfery tlenowej na stacji.

Wodór może być wykorzystywany w ogniwie paliwowym, w metodzie magazynowania energii, i wykorzystywać wodę, która jest generowana w komórce do konsumpcji przez astronautów.

Eksperyment domowy

Eksperymenty z elektrolizą wody przeprowadzono w wagach laboratoryjnych z woltomierzami Hoffmana lub innym zespołem, który pozwala na przechowywanie wszystkich niezbędnych elementów ogniwa elektrochemicznego.

Ze wszystkich możliwych zespołów i sprzętu najprostszym może być duży przezroczysty pojemnik na wodę, który będzie służył jako komórka. Do tego należy mieć pod ręką dowolną metalową lub elektrycznie przewodzącą powierzchnię, która działa jak elektrody; jeden dla katody, a drugi dla anody.

W tym celu przydatne mogą być nawet ołówki z wyostrzonymi punktami grafitowymi. I wreszcie mała bateria i kilka kabli łączących ją z improwizowanymi elektrodami.

Jeśli nie zostanie to zrobione w przezroczystym pojemniku, tworzenie pęcherzyków gazu nie będzie docenione.

Zmienne domowe

Chociaż elektroliza wody jest tematem, który zawiera wiele intrygujących i pełnych nadziei aspektów dla tych, którzy poszukują alternatywnych źródeł energii, eksperyment domowy może być nudny dla dzieci i innych widzów..

Dlatego można zastosować wystarczające napięcie, aby wytworzyć formację H.₂ i O₂ na przemian pewne zmienne i odnotowywanie zmian.

Pierwszym z nich jest zmiana pH wody za pomocą octu do zakwaszenia wody lub Na₂CO₃ lekko go zalkalizować. Musi nastąpić zmiana ilości obserwowanych pęcherzyków.

Ponadto ten sam eksperyment można powtórzyć z zimną i gorącą wodą. W ten sposób wpływ temperatury na reakcję byłby wówczas rozważany.

Na koniec, aby kolekcja danych była nieco mniej bezbarwna, możesz skorzystać z bardzo rozcieńczonego roztworu soku z fioletowej kapusty. Sok ten jest naturalnym wskaźnikiem kwasu bazowego.

Dodając go do pojemnika z wprowadzonymi elektrodami, zauważy się, że na anodzie woda zmieni kolor na różowy (kwas), podczas gdy na katodzie zabarwienie będzie żółte (podstawowe).

Referencje

1. Wikipedia. (2018). Elektroliza wody. Źródło: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16 listopada 2018 r.). Elektroliza wody. Struktura wody i nauka. Źródło: 1.lsbu.ac.uk
3. Efektywność energetyczna i energia odnawialna. (s.f.). Produkcja wodoru: elektroliza. Źródło: energy.gov
4. Phys.org. (14 lutego 2018 r.). Wysokosprawny, tani katalizator do elektrolizy wody. Źródło: phys.org
5. Chemia LibreTexts. (18 czerwca 2015 r.). Elektroliza wody. Źródło: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. i S. Lewis N. (2016). Zasady i wdrożenia systemów elektrolizy do rozszczepiania wody. Królewskie Towarzystwo Chemiczne.
7. Regents of University of Minnesota. (2018). Elektroliza wody 2. University of Minnesota. Źródło: chem.umn.edu