Vízi elektrolízis eljárás, technikák, mi az, az otthoni kísérlet

az víz elektrolízise ez a víz eloszlása ​​az elemi alkotórészekbe elektromos áram alkalmazásával. Folytatva két inert felületen hidrogén és molekuláris oxigén képződik₂ és O₂. Ez a két felület jobban ismert az elektródák nevével.

Elméletileg a H térfogata₂ a képződött mennyiségnek kétszerese kell lennie az O térfogatának₂. Miért? Mivel a vízmolekula H / O aránya 2, azaz két H minden oxigén esetében. Ezt a kapcsolatot közvetlenül vizsgáljuk a kémiai képlettel, H₂O. Számos kísérleti tényező azonban befolyásolja a kapott mennyiséget.

Ha az elektrolízist vízbe merülő csövekben hajtjuk végre (felső kép), az alacsonyabb magasságú vízoszlop hidrogénnek felel meg, mivel nagyobb a gáz mennyisége, amely nyomást gyakorol a folyadék felületére. A buborékok körülveszik az elektródákat, és a víz gőznyomásának lejárta után emelkednek.

Megjegyezzük, hogy a csöveket oly módon választjuk el egymástól, hogy az egyik elektródból a másikba a gázok alacsony migrációja következzen be. Alacsony skálán ez nem jelent közvetlen kockázatot; de ipari mérlegeknél a H gázkeveréke₂ és O₂ Nagyon veszélyes és robbanásveszélyes.

Ezért az elektrokémiai cellák, ahol a víz elektrolízisét végzik, nagyon drága; olyan tervezésre és elemekre van szükségük, amelyek garantálják, hogy a gázok soha ne keveredjenek, nyereséges áramellátás, nagy koncentrációjú elektrolitok, speciális elektródák (elektrokatalizátorok) és a H-tároló mechanizmusok.₂ előállított.

Az elektrokatalizátorok súrlódást és ugyanakkor a vízelektrolízis jövedelmezőségének szárnyait képviselik. Némelyik nemesfémek oxidjaiból, például platinából és iridiumból áll, amelyek ára nagyon magas. Ezen a ponton különösen ott van, ahol a kutatók erőfeszítéseket tesznek a hatékony, stabil és olcsó elektródák kialakítására.

Ezeknek az erőfeszítéseknek az oka az, hogy felgyorsítsuk az O₂, amely alacsonyabb sebességgel van megadva, mint a H₂. Ez lassul az elektróda által, ahol az O képződik₂ általános következményként hozza létre a szükségesnél nagyobb potenciál alkalmazását (túlzott potenciál); ami ugyanaz, az alacsonyabb teljesítmény és a magasabb költségek.

index

• 1 Elektrolízis reakciója
  • 1.1 Félsejtes reakciók
• 2 Eljárás
• 3 Technikák
  • 3.1 Elektrolízis lúgos vízzel
  • 3.2 Elektrolízis polimer elektrolit membránnal
  • 3.3 Elektrolízis szilárd oxidokkal
• 4 Mi a vízelektrolízis alkalmazása??
  • 4.1 A hidrogén előállítása és felhasználása
  • 4.2 Hibakeresési módszerként
  • 4.3 Oxigénellátásként
• 5 Otthoni kísérlet
  • 5.1 Otthoni változók
• 6 Referenciák

Elektrolízis reakció

A víz elektrolízise számos összetett szempontot foglal magában. Általánosságban azonban az alapja egy egyszerű globális reakcióban rejlik:

2H₂O (l) => 2H₂(g) + O₂(G)

Amint azt az egyenletben megfigyeltük, két vízmolekula beavatkozik: az egyiket általában csökkenteni kell, vagy elektronokat nyerni, míg a másiknak elektronokat kell vesztenie vagy elveszítenie.

A H₂ Ez a vízcsökkentés terméke, mert az elektronok erősítése elősegíti a H protonokat⁺ kovalensen kötődhet, és az oxigént OH-ba transzformálhatjuk^-. Ezért a H₂ a katódon fordul elő, ami az elektróda, ahol a redukció történik.

Míg az O₂ a víz oxidációjából származik, mert elveszíti azokat a elektronokat, amelyek lehetővé teszik, hogy kötődjön a hidrogénhez, és következésképpen felszabadítja a H protonokat.⁺. Az O₂ előfordul az anódon, ahol az oxidáció történik; és a többi elektróddal ellentétben az anód körüli pH-érték savas és nem bázikus.

Félsejtes reakciók

A fentieket az alábbi kémiai egyenletekkel lehet összefoglalni a félsejtes reakciókhoz:

2H₂O + 2e^- => H₂ + 2 OH^- (Katód, alap)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^- (Anód, sav)

A víz azonban nem veszíthet el több elektronot (4e^-) amelyből a másik vízmolekula nyer a katódon (2e^-); ezért az első egyenletet meg kell szorozni 2-vel, majd a második egyenletből levonni, hogy megkapjuk a nettó egyenletet:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2 OH^-)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^-

6H₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

De 4H⁺ és 4OH^- 4H-ot képeznek₂Vagy így ezek a hat H molekulából négyet megszüntetnek₂Vagy kettő elhagyása; és az eredmény a mostani globális reakció.

A félsejtes reakciók a pH-értékekkel, a technikákkal, valamint potenciális redukciós vagy oxidációs potenciálokkal változnak, amelyek meghatározzák, hogy mennyi áramot kell szállítani, hogy a víz elektrolízise spontán módon folytatódjon.

folyamat

A felső képen egy Hoffman voltmérő látható. A palackokat vízzel és a kiválasztott elektrolitokkal töltjük a középső fúvókán keresztül. Ezeknek az elektrolitoknak a szerepe a víz vezetőképességének növelése, mivel normál körülmények között nagyon kevés H ion van₃O⁺ és OH^- az automatikus ionizáció termékei.

A két elektróda általában platina, bár a képen szén-elektródokkal helyettesítették. Mindkettő egy akkumulátorhoz van csatlakoztatva, amellyel a víz oxidációját elősegítő potenciális különbség (ΔV) kerül alkalmazásra (O képződés).₂).

Az elektronok az egész áramkört addig haladják, amíg el nem éri a másik elektródát, ahol a víz nyer és H lesz₂ és OH^-. Ezen a ponton már definiálták az anódot és a katódot, amely a vízoszlopok magassága szerint megkülönböztethető; a kisebb magasságú, megfelel a katódnak, ahol a H képződik₂.

A hengerek felső részén vannak olyan kulcsok, amelyek lehetővé teszik a keletkező gázok felszabadítását. Figyelmesen ellenőrizheti a H jelenlétét₂ hogy lánggal reagáljon, amelynek égése gáznemű vizet eredményez.

technikák

A víz elektrolízis technikái a H mennyiségétől függenek₂ és O₂ melyet javasolt létrehozni. Mindkét gáz nagyon veszélyes, ha összekeverik őket, és ezért az elektrolitikus sejtek komplex kialakításúak, hogy minimálisra csökkentsék a gáz-nyomások növekedését és diffúzióját a vizes közegben..

Továbbá a technikák a cellától, a vízhez hozzáadott elektrolittól és az elektródoktól függően rezgnek. Másrészt egyesek azt jelzik, hogy a reakciót magasabb hőmérsékleten hajtják végre, csökkentve a villamosenergia-fogyasztást, míg mások óriási nyomást gyakorolnak a H fenntartására.₂ memorizált.

Az összes technika közül a következő három említhető:

Elektrolízis lúgos vízzel

Az elektrolízist az alkálifémek (KOH vagy NaOH) bázikus oldataival végezzük. Ezzel a módszerrel a reakciók következnek be:

4H₂O (l) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(AQ)

4OH^-(ac) => O₂(g) + 2H₂O (l) + 4e^-

Amint látható, mind a katódon, mind az anódon a víz bázikus pH-ja van; továbbá az OH^- vándorolnak az anódba, ahol O-ra oxidálódnak₂.

Elektrolízis polimer elektrolit membránnal

Ebben a technikában szilárd polimert alkalmaznak, amely H permeábilis membránként szolgál⁺, de vízálló a gázok számára. Ez nagyobb biztonságot garantál az elektrolízis során.

Ebben az esetben a félsejtes reakciók:

4H⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(G)

2H₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

A H ionok⁺ az anódról a katódra vándorolnak, ahol csökkentik a H-t₂.

Elektrolízis szilárd oxidokkal

Nagyon különbözik a többi technikától, elektrolitként oxidokat használ, amelyek magas hőmérsékleten (600-900 ° C) anionszállító közegként működnek.^2-.

A reakciók:

2H₂O (g) + 4e^- => 2H₂(g) + 2O^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Ne feledje, hogy ezúttal az oxid anionok, OR^2-, azok, akik az anódba utaznak.

Mi a vízelektrolízis alkalmazása?

A víz elektrolízise H₂ (g) és O₂ (G). A világban előállított hidrogéngáz körülbelül 5% -át a víz elektrolízise adja.

A H₂ a vizes NaCl-oldatok elektrolízisének mellékterméke. A só jelenléte elősegíti az elektrolízist a víz elektromos vezetőképességének növelésével.

A globális reakció a következő:

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

A reakció óriási jelentőségének megértéséhez a gáz-halmazállapotú termékek néhány felhasználását említik; mert a nap végén ezek azok, amelyek új módszereket fejlesztenek a vízelektrolízis hatékonyabb és zöldebb elérése érdekében.

Mindegyikük közül a legkívánatosabbak azok a sejtek, amelyek energikusan helyettesítik az égő fosszilis tüzelőanyagok használatát.

A hidrogén előállítása és felhasználása

-Az elektrolízis során előállított hidrogén felhasználható a vegyiparban a függőségi reakciókban, hidrogénezési folyamatokban vagy redukálószerként redukáló eljárásokban..

-Bizonyos kereskedelmi jelentőségű tevékenységeknél is elengedhetetlen, mint például: sósav, hidrogén-peroxid, hidroxilaminok stb. A nitrogénnel végzett katalitikus reakcióval részt vesz az ammónia szintézisében.

-Az oxigénnel kombinálva magas kalóriatartalmú lángokat termel 3 000 és 3500 K közötti hőmérsékleten. Ezeket a hőmérsékleteket a fémipar vágására és hegesztésére lehet használni, szintetikus kristályok növekedésére, kvarc előállítására stb..

-Vízkezelés: a vízben lévő nitrátok túl magas tartalmát a bioreaktorok eltávolításával lehet csökkenteni, ahol a baktériumok hidrogént használnak energiaforrásként.

-A műanyag, poliészter és nylon szintézisében a hidrogén beavatkozik. Ezenkívül az üveggyártás részét képezi, amely a sütés során fokozza az égést.

-Reagál fémek oxidjaival és kloridjával, köztük ezüst, réz, ólom, bizmut és higany, tiszta fémek előállításához.

-Ezenkívül tüzelőanyagként használják a lángérzékelővel végzett kromatográfiás elemzések során.

Hibakeresési módszerként

A nátrium-klorid oldatok elektrolízisét használják a medence víz tisztítására. Az elektrolízis során a katódban és klórban hidrogén keletkezik (Cl₂) az anódon. Ebben az esetben elektrolízisről beszélünk, mint egy sós klórozó.

A klór vízben képződik, amely hipoklór-savat és nátrium-hipokloritot képez. A hidrokloridsav és a nátrium-hipoklorit sterilizálja a vizet.

Mint oxigénellátás

A víz elektrolízisét is használják oxigén előállítására a Nemzetközi Űrállomáson, amely az oxigén atmoszféra fenntartására szolgál az állomáson.

A hidrogén felhasználható üzemanyagcellában, az energia tárolására és a cellában előállított víz felhasználására űrhajósok fogyasztására..

Otthoni kísérlet

A laboratóriumi mérlegekben víz-elektrolízis kísérleteket végeztünk Hoffman voltmérőkkel, vagy más olyan szerelvényekkel, amelyek lehetővé teszik az elektrokémiai cellák összes szükséges eleme tárolását.

Az összes lehetséges szerelvényből és berendezésből a legegyszerűbb lehet egy nagy átlátszó víztartály, amely sejtként szolgál. Ehhez hozzá kell járulnia bármilyen fém vagy elektromosan vezető felülethez, hogy elektródként működjön; az egyik a katód, a másik az anód.

Ebből a célból hasznos lehet mindkét grafikonon élesített ceruzák. És végül egy kis akkumulátor és néhány kábel, amely összeköti az improvizált elektródákat.

Ha nem történik meg egy átlátszó tartályban, a gázbuborékok képződése nem volt értékelhető.

Otthoni változók

Bár a víz elektrolízise olyan téma, amely sok érdekes és reményes szempontot tartalmaz azok számára, akik alternatív energiaforrásokat keresnek, a hazai kísérlet unalmas lehet a gyerekek és más nézők számára..

Ezért elegendő feszültség alkalmazható a H képződés létrehozására₂ és O₂ bizonyos változók váltakozása és a változások észlelése.

Az első a víz pH-jának változása, ecet segítségével a víz savanyítására, vagy Na₂CO₃ enyhén enyhíteni. Meg kell változni a megfigyelt buborékok mennyiségében.

Ezenkívül ugyanez a kísérlet megismételhető hideg és meleg vízzel. Ily módon megfontolandó a hőmérsékletre gyakorolt ​​hatás.

Végül, hogy az adatgyűjtés kicsit kevésbé színtelen legyen, használhat egy nagyon hígított lila káposzta levét. Ez a lé egy természetes eredetű bázis savas indikátor.

A bevitt elektródákkal együtt a tartályba adva azt észleljük, hogy az anódon a víz rózsaszín (sav) lesz, míg a katódon a szín sárga lesz (alap)..

referenciák

1. Wikipedia. (2018). A víz elektrolízise. Lap forrása: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (2018. november 16.). A víz elektrolízise. Vízszerkezet és tudomány. A lap eredeti címe: 1.lsbu.ac.uk
3. Energiahatékonyság és megújuló energia. (N.d.). Hidrogéntermelés: elektrolízis. A lap eredeti címe: energy.gov
4. Phys.org. (2018. február 14.). Nagy hatékonyságú, alacsony költségű katalizátor a víz elektrolíziséhez. A lap eredeti címe: phys.org
5. Kémia LibreTexts. (2015. június 18.). A víz elektrolízise. Lap forrása: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. és S. Lewis N. (2016). Az elektrolízis rendszerek elvei és megvalósítása a vízelosztáshoz. A Királyi Kémiai Társaság.
7. A Minnesota Egyetem Regents-i. (2018). A víz elektrolízise 2. Minnesota Egyetem. Lap forrása: chem.umn.edu