Процедура за електролиза на водата, техники, за какво е, домашен експеримент

на електролиза на водата това е разлагането на водата в елементарните му компоненти чрез прилагане на електрически ток. Когато протича, се образуват водород и молекулен кислород на две инертни повърхности, Н₂ и О₂. Тези две повърхности са по-известни с името на електродите.

Теоретично, обемът на Н₂ образуваният трябва да бъде два пъти по-голям от О₂. Защо? Тъй като водната молекула има H / O съотношение, равно на 2, т.е. два H за всеки кислород. Тази връзка се проверява директно с неговата химична формула, Н₂О. Въпреки това, много експериментални фактори влияят на получените обеми.

Ако електролизата се извършва вътре в тръби, потопени във вода (отгоре), колоната с по-ниска височина съответства на водород, тъй като има по-голямо количество газ, упражняващо налягане върху повърхността на течността. Мехурчетата обграждат електродите и в крайна сметка нарастват, след като налягането на водата изтича.

Отбележете, че тръбите са разделени един от друг по такъв начин, че има ниска миграция на газове от един електрод към другия. При ниски мащаби това не представлява непосредствен риск; но в промишлени везни, газовата смес на Н₂ и О₂ Той е силно опасен и експлозивен.

Поради тази причина електрохимичните клетки, където се извършва електролиза на водата, са много скъпи; те се нуждаят от дизайн и елементи, които гарантират, че газовете никога не се смесват, доходоносен ток, високи концентрации на електролити, специални електроди (електрокаталити) и механизми за съхраняване на Н₂ произведена.

Електрокатализаторите представляват триене и същевременно крилата за рентабилността на електролизата на водата. Някои се състоят от оксиди от благородни метали, като платина и иридий, чиито цени са много високи. Именно в този момент изследователите обединяват сили за проектиране на ефективни, стабилни и евтини електроди.

Причината за тези усилия е да се ускори образуването на О₂, което се дава при по-ниски скорости в сравнение с Н₂. Това се забавя от електрода, където се формира О₂ това води като общо следствие прилагането на потенциал, много по-голям от необходимия (свръхпотенциал); това, което е същото, за по-ниска производителност и по-високи разходи.

индекс

• 1 Реакция на електролиза
  • 1.1 Полуклетъчни реакции
• 2 Процедура
• 3 Техники
  • 3.1 Електролиза с алкална вода
  • 3.2 Електролиза с полимерна електролитна мембрана
  • 3.3 Електролиза с твърди оксиди
• 4 Каква е ползата от електролизата на водата??
  • 4.1 Производство на водород и неговите приложения
  • 4.2 Като метод за отстраняване на грешки
  • 4.3 Като захранване с кислород
• 5 Домашен експеримент
  • 5.1 Начало променливи
• 6 Препратки

Реакция на електролиза

Електролизата на водата включва много сложни аспекти. Въпреки това, в общи линии, неговата основа се крие в проста глобална реакция:

2H₂О (1) => 2Н₂(g) + 0₂(G)

Както се наблюдава в уравнението, две водни молекули се намесват: обикновено трябва да се редуцират или да се получат електрони, докато другият трябва да окислява или губи електрони.

H₂ Това е продукт на намаляване на водата, защото печалбата на електроните насърчава протоните Н⁺ може да бъде ковалентно свързан и кислородът се трансформира в ОН^-. Следователно, Н₂ възниква на катода, който е електрод, където се извършва редукция.

Докато О₂ идва от окисляването на водата, защото тя губи електроните, които й позволяват да се свързва с водород, и следователно освобождава протони Н⁺. О₂ възниква на анода, електрод, където се извършва окисляване; и за разлика от другия електрод, рН около анода е кисел и не основен.

Полуклетъчни реакции

Горното може да се обобщи със следните химически уравнения за полуклетъчни реакции:

2H₂О + 2е^- => H₂ + 2ОН^- (Катоден, основен)

2H₂O => O₂ + 4Н⁺ + 4e^- (Анод, киселина)

Въпреки това, водата не може да загуби повече електрони (4е^-) от които другата водна молекула печели катод (2е^-); следователно първото уравнение трябва да се умножи по 2 и след това да се извади с второто уравнение, за да се получи нетното уравнение:

2 (2Н₂О + 2е^- => H₂ + 2ОН^-)

2H₂O => O₂ + 4Н⁺ + 4e^-

6Н₂О => 2Н₂ + О₂ + 4Н⁺ + 4-ОН^-

Но 4H⁺ и 4OH^- те образуват 4H₂Или, така те елиминират четири от шестте молекули Н₂Или да оставят две; резултатът е просто глобалната реакция.

Реакциите на половин клетка се променят с рН стойностите, техниките и също така имат потенциални редуциращи или окислителни потенциали, които определят колко ток трябва да бъде доставен, така че електролизата на водата да се движи спонтанно.

процес

Горното изображение показва волтметър на Хофман. Цилиндрите са пълни с вода и избраните електролити през средната дюза. Ролята на тези електролити е да повишат проводимостта на водата, тъй като при нормални условия има много малко йони₃О⁺ и ОН^- продукти на вашата автоионизация.

Двата електрода обикновено са платина, въпреки че на снимката са заменени с въглеродни електроди. И двете са свързани с батерия, с която се прилага разлика в потенциала (ΔV), която подпомага окисляването на водата (O образуване).₂).

Електроните пътуват по цялата верига, докато стигнете до другия електрод, където водата печели и става Н₂ и ОН^-. В този момент анодът и катодът вече са дефинирани, което може да се разграничи от височината на водните колони; тази с по-малка височина съответства на катода, където се формира Н₂.

В горната част на цилиндрите има някои ключове, които позволяват да се освободят генерираните газове. Можете да проверите внимателно присъствието на Н₂ реакцията му с пламък, чието изгаряне произвежда газообразна вода.

техники

Техниките за електролиза на водата варират в зависимост от количеството на Н₂ и О₂ което се предлага да се генерира. И двата газа са много опасни, ако се смесват заедно и затова електролитните клетки носят сложни проекти, за да се сведе до минимум увеличаването на газообразното налягане и дифузията им през водната среда..

Също така, техниките осцилират в зависимост от клетката, електролита, добавен към водата, и самите електроди. От друга страна, някои предполагат, че реакцията се провежда при по-високи температури, намалявайки консумацията на електроенергия, а други използват огромен натиск, за да поддържат Н₂ складиран.

Сред всички техники могат да се споменат следните три:

Електролиза с алкална вода

Електролизата се извършва с базични разтвори на алкалните метали (КОН или NaOH). При тази техника се получават реакциите:

4Н₂О (1) + 4е^- => 2Н₂(g) + 4OH^-(Воден)

4-ОН^-(ac) => O₂(g) + 2H₂О (1) + 4е^-

Както може да се види, както на катода, така и на анода, водата има основно рН; и в допълнение, ОН^- мигрират към анода, където окисляват до О₂.

Електролиза с полимерна електролитна мембрана

При тази техника се използва твърд полимер, който служи като пропусклива мембрана за Н⁺, но водоустойчив за газове. Това гарантира по-голяма безопасност по време на електролиза.

Полу-клетъчните реакции за този случай са:

4Н⁺(ac) + 4е^- => 2Н₂(G)

2H₂O (l) => 0₂(g) + 4Н⁺(ac) + 4е^-

Н-йони⁺ те мигрират от анода към катода, където се редуцират до H₂.

Електролиза с твърди оксиди

Много различен от другите техники, той използва оксиди като електролити, които при високи температури (600-900ºC) функционират като анионна транспортна среда.^2-.

Реакциите са:

2H₂О (g) + 4е^- => 2Н₂(g) + 20^2-

2О^2- => O₂(ж) + 4е^-

Имайте предвид, че това време са оксидните аниони, OR^2-, тези, които пътуват до анода.

Какво е използването на електролиза на водата?

Електролизата на водата произвежда Н₂ (g) и О₂ (G). Приблизително 5% от произведения в света водороден газ се произвежда чрез електролиза на водата.

H₂ той е страничен продукт от електролизата на водни разтвори на NaCl. Наличието на сол улеснява електролизата чрез увеличаване на електропроводимостта на водата.

Глобалната реакция, която се случва, е:

2NaCl + 2H₂O => Cl₂     +       Н₂      +       2 NaOH

За да се разбере огромното значение на тази реакция, ще бъдат споменати някои от употребите на газообразни продукти; защото в края на деня това са тези, които стимулират разработването на нови методи за постигане на електролиза на вода по по-ефективен и зелен начин.

От всички тях най-желателно е да служат като клетки, които енергично заменят използването на изгаряне на изкопаеми горива.

Производство на водород и неговите приложения

-Водородът, получен при електролиза, може да се използва в химическата промишленост, действайки в реакции на пристрастяване, в процесите на хидрогениране или като редуциращ агент в редукционните процеси.

-Също така е от съществено значение при някои действия от търговско значение, като например: производството на солна киселина, водороден пероксид, хидроксиламини и др. Участва в синтеза на амоняк чрез каталитична реакция с азот.

-В комбинация с кислород, той произвежда пламъци с високо калорично съдържание, с температури между 3000 и 3500 К. Тези температури могат да се използват за рязане и заваряване в металообработващата промишленост, за растеж на синтетични кристали, производство на кварц и др..

-Пречистване на водата: прекалено високото съдържание на нитрати във вода може да бъде намалено чрез елиминирането им в биореактори, в които бактериите използват водород като източник на енергия

-Водородът се намесва в синтеза на пластмаси, полиестер и найлон. В допълнение, тя е част от производството на стъкло, увеличаване на горенето по време на печене.

-Реагира с оксиди и хлориди на много метали, сред които сребро, мед, олово, бисмут и живак за производство на чисти метали.

-Освен това, той се използва като гориво при хроматографските анализи с детектор на пламък.

Като метод за отстраняване на грешки

Електролизата на разтвори на натриев хлорид се използва за пречистване на вода за плувни басейни. По време на електролизата се получава водород в катода и хлора (Cl₂) на анода. В този случай се говори за електролиза като солен хлоратор.

Хлорът се разтваря във вода, образувайки хипохлорна киселина и натриев хипохлорит. Хипохлорна киселина и натриев хипохлорит стерилизират водата.

Като захранване с кислород

Електролизата на водата се използва и за генериране на кислород в Международната космическа станция, която служи за поддържане на кислородна атмосфера в станцията.

Водород може да се използва в горивната клетка, метод за съхраняване на енергия и използване на водата, която се генерира в клетката за консумация от астронавтите.

Домашен експеримент

Експерименти с електролиза на водата са проведени в лабораторни везни с волтметри на Хофман или друг вид монтаж, който позволява да се съдържат всички необходими елементи на електрохимичната клетка..

От всички възможни сглобки и оборудване, най-простият може да бъде голям прозрачен контейнер за вода, който ще служи като клетка. Освен това трябва да имате под ръка всяка метална или електропроводима повърхност, която да функционира като електроди; един за катода, а другият за анода.

За тази цел могат да се окажат полезни дори моливи с наточени графитни точки на двата края. И накрая, малка батерия и някои кабели, които я свързват с импровизираните електроди.

Ако не се направи в прозрачен контейнер, образуването на газови мехурчета не може да бъде оценено.

Начални променливи

Въпреки че електролизата на водата е тема, която съдържа много интересни и надеждни аспекти за тези, които търсят алтернативни източници на енергия, домашният експеримент може да бъде скучен за деца и други зрители..

Следователно може да се приложи достатъчно напрежение за генериране на образуването на Н₂ и О₂ редуване на някои променливи и отбелязване на промените.

Първият е изменението на рН на водата, използвайки или оцет за подкиселяване на водата, или Na₂CO₃ за да го обоснове леко. Трябва да настъпи промяна в количеството на наблюдаваните мехурчета.

Освен това същият експеримент може да се повтори със студена и гореща вода. По този начин ще се предвиди ефектът на температурата върху реакцията.

И накрая, за да направите събирането на данни малко по-безцветно, можете да се възползвате от много разреден разтвор от лилав сок от зеле. Този сок е основен киселинен индикатор от естествен произход.

Прибавяйки я към контейнера с въведените електроди, ще забележим, че при анода водата ще стане розова (кисела), докато при катода оцветяването ще бъде жълто (основно).

препратки

1. Wikipedia. (2018). Електролиза на вода. Изтеглено от: en.wikipedia.org
2. Чаплин М. (16 ноември 2018 г.). Електролиза на вода. Структура на водата и наука. Изтеглено от: 1.lsbu.ac.uk
3. Енергийна ефективност и възобновяема енергия. (Н.О.). Производство на водород: електролиза. Взето от: energy.gov
4. Phys.org. (14 февруари 2018 г.). Високоефективна, евтина катализатор за електролиза на водата. Изтеглено от: phys.org
5. Химия LibreTexts. (18 юни 2015 г.). Електролиза на вода. Изтеглено от: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K., и S. Lewis N. (2016). Принципи и приложения на електролизни системи за разделяне на водата. Кралското химическо дружество.
7. Регенти от Университета на Минесота. (2018). Електролиза на вода 2. Университет на Минесота. Изтеглено от: chem.umn.edu