Postup elektrolýzy vody, techniky, čo to je, domáci experiment

elektrolýza vody je to rozklad vody na jej elementárne zložky aplikáciou elektrického prúdu. Pri postupe sa na dvoch inertných povrchoch vytvára vodík a molekulárny kyslík₂ a O₂. Tieto dva povrchy sú lepšie známe pod názvom elektród.

Teoreticky, objem H₂ musí byť dvojnásobok objemu O₂. Prečo? Pretože molekula vody má pomer H / O rovný 2, to znamená dve H pre každý kyslík. Tento vzťah sa kontroluje priamo s jeho chemickým vzorcom H₂O. Získané objemy však ovplyvňujú mnohé experimentálne faktory.

Ak sa elektrolýza vykonáva vo vnútri rúrok ponorených vo vode (vrchný obrázok), stĺpec s vodou nižšej výšky zodpovedá vodíku, pretože na povrchu kvapaliny je vyvíjaný väčší tlak plynu. Bubliny obklopujú elektródy a končia stúpaním po vypršaní tlaku pary vody.

Všimnite si, že rúrky sú od seba oddelené takým spôsobom, že dochádza k nízkej migrácii plynov z jednej elektródy na druhú. Pri nízkych mierkach to nepredstavuje bezprostredné riziko; ale v priemyselnom meradle plynná zmes H₂ a O₂ Je to veľmi nebezpečné a výbušné.

Z tohto dôvodu sú elektrochemické články, v ktorých sa uskutočňuje elektrolýza vody, veľmi nákladné; potrebujú dizajn a prvky, ktoré zaručujú, že plyny sa nikdy nemiešajú, výnosný prúd, vysoké koncentrácie elektrolytov, špeciálne elektródy (elektrokatalyzátory) a mechanizmy na uskladnenie H₂ produkoval.

Elektrokatalyzátory predstavujú trenie a zároveň krídla pre ziskovosť elektrolýzy vody. Niektoré sa skladajú z oxidov ušľachtilých kovov, ako je platina a irídium, ktorých ceny sú veľmi vysoké. Práve v tomto bode výskumníci spájajú sily pre návrh účinných, stabilných a lacných elektród.

Dôvodom pre toto úsilie je urýchliť tvorbu O₂, ktorý je daný pri nižších rýchlostiach v porovnaní s H₂. To spomaľuje elektróda, kde je tvorený O₂ prináša ako všeobecný dôsledok použitie potenciálu oveľa väčšieho, než je nevyhnutné (nadmerné); čo je rovnaké, na nižšiu výkonnosť a vyššie náklady.

index

• 1 Reakcia elektrolýzy
  • 1.1 Reakcie polovičných buniek
• 2 Postup
• 3 Techniky
  • 3.1 Elektrolýza s alkalickou vodou
  • 3.2 Elektrolýza s polymérnou elektrolytickou membránou
  • 3.3 Elektrolýza s pevnými oxidmi
• 4 Čo je to elektrolýza vody??
  • 4.1 Výroba vodíka a jeho použitie
  • 4.2 Ako metóda ladenia
  • 4.3 Ako prívod kyslíka
• 5 Domáce experimenty
  • 5.1 Domáce premenné
• 6 Referencie

Elektrolytická reakcia

Elektrolýza vody zahŕňa mnoho komplexných aspektov. Vo všeobecnosti však jeho základ spočíva v jednoduchej globálnej reakcii:

2H₂0 (l) => 2H₂(g) + O₂(G)

Ako je uvedené v rovnici, dve molekuly vody zasiahnu: jeden musí byť obyčajne redukovaný, alebo získať elektróny, zatiaľ čo druhý musí oxidovať alebo stratiť elektróny.

H₂ Je to produkt redukcie vody, pretože zisk elektrónov podporuje protóny H⁺ môže byť kovalentne viazaný a kyslík môže byť transformovaný na OH^-. Preto H₂ nastáva na katóde, čo je elektróda, kde dochádza k redukcii.

Kým O₂ pochádza z oxidácie vody, pretože stráca elektróny, ktoré jej umožňujú viazať sa na vodík a následne uvoľňuje protóny H⁺. O₂ vyskytuje sa na anóde, elektróde, kde dochádza k oxidácii; a na rozdiel od inej elektródy je pH okolo anódy kyslé a nie bázické.

Reakcie s polovičnými bunkami

Vyššie uvedené možno zhrnúť s nasledujúcimi chemickými rovnicami pre reakcie s polovičnými bunkami:

2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^- (Katóda, základné)

2H₂O => 0₂ + 4H⁺ + 4e^- (Anóda, kyselina)

Voda však nemôže stratiť viac elektrónov (4e^-), ktorej druhá molekula vody vyhráva na katóde (2e)^-); preto prvá rovnica musí byť vynásobená 2 a potom odpočítaná druhou rovnicou na získanie čistej rovnice:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^-)

2H₂O => 0₂ + 4H⁺ + 4e^-

6H₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

Ale 4H⁺ a 4OH^- tvoria 4H₂Alebo tak eliminujú štyri zo šiestich H molekúl₂Alebo opustenie dvoch; a výsledkom je práve globálna reakcia.

Reakcie s polovičnými bunkami sa menia s hodnotami pH, technikami a tiež majú potenciál potenciálneho zníženia alebo oxidačného potenciálu, ktorý určuje, koľko prúdu je potrebné dodať tak, aby elektrolýza vody prebiehala spontánne.

proces

Horný obrázok ukazuje Hoffmanov voltmeter. Valce sú naplnené vodou a vybrané elektrolyty cez strednú dýzu. Úlohou týchto elektrolytov je zvýšiť vodivosť vody, pretože za normálnych podmienok je veľmi málo iónov H₃O⁺ a OH^- produktov Vašej autoionizácie.

Tieto dve elektródy sú obvykle platinové, hoci na obrázku boli nahradené uhlíkovými elektródami. Obidve sú spojené s batériou, s ktorou sa aplikuje rozdiel potenciálov (ΔV), ktorý podporuje oxidáciu vody (tvorba O).₂).

Elektrony putujú celým okruhom, až kým nedosiahnete druhú elektródu, kde voda vyhrá a stane sa H₂ a OH^-. V tomto bode sú anóda a katóda už definované, čo sa dá rozlíšiť výškou vodných stĺpcov; menšia výška zodpovedá katóde, kde sa tvorí H₂.

V hornej časti valcov sú kľúče, ktoré umožňujú uvoľňovanie vytvorených plynov. Môžete pozorne skontrolovať prítomnosť H₂ aby reagoval s plameňom, ktorého spaľovanie vytvára plynnú vodu.

techniky

Techniky elektrolýzy vody sa líšia v závislosti od množstva H₂ a O₂ ktorý sa má vytvoriť. Obidva plyny sú veľmi nebezpečné, ak sú zmiešané dohromady, a preto elektrolytické články nesú komplexné návrhy na minimalizáciu zvýšenia plynných tlakov a ich difúzie cez vodné médium..

Techniky tiež oscilujú v závislosti od bunky, elektrolytu pridaného do vody a samotných elektród. Na druhej strane, niektoré z nich naznačujú, že reakcia sa vykonáva pri vyšších teplotách, znížení spotreby elektriny a iné využívajú enormný tlak na udržanie H₂ uložený.

Zo všetkých techník možno spomenúť nasledujúce tri:

Elektrolýza s alkalickou vodou

Elektrolýza sa uskutočňuje zásaditými roztokmi alkalických kovov (KOH alebo NaOH). Pri tejto technike dochádza k reakciám:

4H₂0 (l) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(Aq)

4OH^-(ac) => 0₂(g) + 2H₂0 (l) + 4e^-

Ako je možné vidieť, tak na katóde, ako aj na anóde má voda zásadité pH; a okrem toho OH^- migrujú na anódu, kde oxidujú na O₂.

Elektrolýza s polymérnou elektrolytickou membránou

Pri tejto technike sa používa tuhý polymér, ktorý slúži ako priepustná membrána pre H⁺, ale vodotesné pre plyny. To zaručuje väčšiu bezpečnosť pri elektrolýze.

Polovičné reakcie v tomto prípade sú:

4H⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(G)

2H₂O (l) => 0₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

H ióny⁺ migrujú z anódy na katódu, kde sa redukujú na H₂.

Elektrolýza s pevnými oxidmi

Odlišne od iných techník používa oxidy ako elektrolyty, ktoré pri vysokých teplotách (600 - 900 ° C) fungujú ako aniónové transportné médium.^2-.

Reakcie sú:

2H₂0 (g) + 4e^- => 2H₂(g) +20^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Všimnite si, že tentoraz sú to oxidové anióny, OR^2-, tí, ktorí cestujú na anódu.

Čo je použitie elektrolýzy vody?

Elektrolýza vody produkuje H₂ (g) a O₂ (G). Približne 5% plynného vodíka vyrobeného na svete sa vyrába elektrolýzou vody.

H₂ je vedľajším produktom elektrolýzy vodných roztokov NaCl. Prítomnosť soli uľahčuje elektrolýzu zvýšením elektrickej vodivosti vody.

Globálna reakcia, ktorá sa odohráva, je:

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

Aby sme pochopili obrovský význam tejto reakcie, spomenieme niektoré z použitia plynných produktov; pretože na konci dňa sú to tie, ktoré poháňajú vývoj nových metód na dosiahnutie efektívnejšej a ekologickejšej elektrolýzy vody.

Zo všetkých z nich je najžiadanejšie slúžiť ako bunky, ktoré energeticky nahrádzajú spaľovanie fosílnych palív.

Výroba vodíka a jeho použitie

-Vodík vyrobený pri elektrolýze sa môže používať v chemickom priemysle pôsobiacom pri reakciách závislostí, pri hydrogenačných procesoch alebo ako redukčné činidlo pri redukčných procesoch..

-Tiež je nevyhnutné v niektorých činnostiach komerčného významu, ako napríklad: výroba kyseliny chlorovodíkovej, peroxidu vodíka, hydroxylamínov atď. Podieľa sa na syntéze amoniaku katalytickou reakciou s dusíkom.

-V kombinácii s kyslíkom produkuje plamene s vysokým kalorickým obsahom, s teplotami v rozmedzí od 3 000 do 3 500 K. Tieto teploty možno použiť na rezy a zvary v kovospracujúcom priemysle, na pestovanie syntetických kryštálov, výrobu kremeňa atď..

-Úprava vody: príliš vysoký obsah dusičnanov vo vode možno znížiť ich elimináciou v bioreaktoroch, v ktorých baktérie využívajú ako zdroj energie vodík

-Vodík zasahuje do syntézy plastov, polyesteru a nylonu. Okrem toho je súčasťou výroby skla, čím sa zvyšuje spaľovanie počas pečenia.

-Reaguje s oxidmi a chloridmi mnohých kovov, medzi ktorými sú: striebro, meď, olovo, bizmut a ortuť na výrobu čistých kovov.

-Okrem toho sa používa ako palivo pri chromatografických analýzach s detektorom plameňa.

Ako metóda ladenia

Elektrolýza roztokov chloridu sodného sa používa na čistenie vody v bazéne. Počas elektrolýzy sa v katóde a chlóre vyrába vodík (Cl₂) na anóde. Hovorí sa tu o elektrolýze ako soľný chlórátor.

Chlór sa rozpúšťa vo vode za vzniku kyseliny chlórnej a chlórnanu sodného. Kyselina chlórna a chlórnan sodný sterilizujú vodu.

Ako prívod kyslíka

Elektrolýza vody sa tiež používa na generovanie kyslíka v Medzinárodnej vesmírnej stanici, ktorá slúži na udržanie kyslíkovej atmosféry v stanici.

Vodík môže byť použitý v palivovom článku, spôsob skladovania energie a použitie vody, ktorá sa vytvára v bunke na spotrebu astronautmi..

Domáce experimenty

Experimenty s vodnou elektrolýzou sa uskutočňovali na laboratórnych meradlách s Hoffmanovými voltmetrami alebo inou zostavou, ktorá umožňuje, aby obsahovali všetky potrebné prvky elektrochemického článku.

Zo všetkých možných zostáv a zariadení môže byť najjednoduchšia veľká priehľadná nádoba na vodu, ktorá bude slúžiť ako cela. Okrem toho by ste mali mať po ruke aj akýkoľvek kovový alebo elektricky vodivý povrch, ktorý funguje ako elektródy; jedna pre katódu a druhá pre anódu.

Na tento účel môžu byť užitočné aj ceruzky s grafitovými bodmi na oboch koncoch. A nakoniec, malá batéria a niektoré káble, ktoré ju spájajú s improvizovanými elektródami.

Ak nie je vykonané v priehľadnej nádobe, nie je možné oceniť tvorbu plynových bublín.

Domáce premenné

Hoci elektrolýza vody je predmetom, ktorý obsahuje mnoho zaujímavých a nádejných aspektov pre tých, ktorí hľadajú alternatívne zdroje energie, domáci experiment môže byť nudný pre deti a iných divákov..

Preto môže byť použité dostatočné napätie na vytvorenie tvorby H₂ a O₂ striedanie určitých premenných a zaznamenávanie zmien.

Prvým z nich je zmena pH vody použitím octu na okyslenie vody alebo Na₂CO₃ mierne zľahčiť. Musí sa vyskytnúť zmena množstva pozorovaných bublín.

Okrem toho by sa ten istý experiment mohol opakovať so studenou a horúcou vodou. Týmto spôsobom by sa potom uvažoval vplyv teploty na reakciu.

Nakoniec, aby sa zber dát o niečo menej bezfarebný, môžete sa uchýliť k veľmi zriedenému roztoku fialovej kapustovej šťavy. Táto šťava je indikátorom prírodnej kyseliny.

Pridaním elektródy do kontajnera sa zistí, že na anóde sa voda zmení na ružovú (kyselina), zatiaľ čo na katóde bude sfarbenie žlté (základné).

referencie

1. Wikipedia. (2018). Elektrolýza vody. Zdroj: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16. novembra 2018). Elektrolýza vody. Vodná štruktúra a veda. Zdroj: 1.lsbu.ac.uk
3. Energetická účinnosť a obnoviteľná energia. (N. D.). Výroba vodíka: elektrolýza. Zdroj: energy.gov
4. Phys.org. (14. februára 2018). Vysoko účinný, cenovo výhodný katalyzátor pre elektrolýzu vody. Zdroj: phys.org
5. Chémia LibreTexts. (18. jún 2015). Elektrolýza vody. Zdroj: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. a S. Lewis N. (2016). Princípy a implementácie elektrolytických systémov na rozdeľovanie vody. Kráľovská spoločnosť chémie.
7. Vladári z University of Minnesota. (2018). Elektrolýza vody 2. University of Minnesota. Zdroj: chem.umn.edu