VANDENS ELEKTROLIZĖ: PROCEDŪRA, BŪDAI, KAM JI SKIRTA - CHEMIJA - 2024

Vandens elektrolizė yra vandens suskaidymas į jo pagrindinius komponentus, naudojant elektros srovę. Kaip jie toliau, vandenilis ir molekulinio deguonies, H ₂ ir O ₂ , yra suformuotas ant dviejų inertinių paviršių . Šie du paviršiai yra geriau žinomi elektrodų pavadinimais.

Teoriškai susidariusio H ₂ tūris turėtų būti dvigubai didesnis nei O ₂ . Kodėl? Kadangi vandens molekulės H / O santykis yra lygus 2, tai yra, du H kiekvienam deguoniui. Šis ryšys tiesiogiai patvirtinamas jo chemine formule H ₂ O. Tačiau gautiems tūriams įtakos turi daugybė eksperimentinių veiksnių.

Šaltinis: Antti T. Nissinen per „Flickr“

Jei elektrolizė atliekama vamzdžių, panardintų į vandenį, viduje (viršutinis vaizdas), apatinė vandens kolona atitinka vandenilį, nes skysčio paviršiuje yra didesnis dujų kiekis. Burbulai supa elektrodus ir, viršijus vandens garų slėgį, baigiasi.

Atkreipkite dėmesį, kad vamzdeliai būtų atskirti vienas nuo kito taip, kad iš vieno elektrodo į kitą dujos migruotų mažai. Mažomis skalėmis tai nekelia tiesioginės rizikos; tačiau pramoninėse skalėse dujinis H ₂ ir O ₂ mišinys yra labai pavojingas ir sprogus.

Dėl šios priežasties elektrocheminės kameros, kuriose atliekama vandens elektrolizė, yra labai brangios; Jiems reikalingas dizainas ir elementai, užtikrinantys, kad dujos niekada nesimaišytų, pelningas srovės tiekimas, didelė elektrolitų koncentracija, specialūs elektrodai (elektrokatalizatoriai) ir mechanizmai, kad būtų galima kaupti H ₂ .

Elektrokatalizatoriai atspindi trintį ir tuo pačiu sparnus vandens elektrolizės pelningumui. Kai kuriuos iš jų sudaro tauriųjų metalų oksidai, tokie kaip platina ir iridis, kurių kainos yra labai aukštos. Būtent šiuo metu tyrėjai suvienija jėgas kurdami efektyvius, stabilius ir pigius elektrodus.

Šių pastangų priežastis yra pagreitinti O ₂ susidarymą , kuris vyksta mažesniu greičiu, palyginti su H ₂ . Tai lėtina iš elektrodo, kur O ₂ susidaro atneša kaip bendra pasekmė galimo taikymo daug didesnis nei reikia (overpotential); kuris yra lygus mažesniam atlikimui ir didesnėms išlaidoms.

Elektrolizės reakcija

Vandens elektrolizė apima daug sudėtingų aspektų. Tačiau apskritai jo pagrindas remiasi paprasta pasauline reakcija:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Kaip matyti iš lygties, dalyvauja dvi vandens molekulės: viena paprastai turi būti redukuota arba įgyti elektronų, o kita turi oksiduotis arba prarasti elektronus.

H ₂ yra vandens redukcijos produktas, nes elektronų padidėjimas skatina H ⁺ protonų jungimąsi kovalentiškai, o deguonis virsta OH ^- . Todėl H ₂ gaminamas katode, kuris yra elektrodas, kuriame vyksta redukcija.

Nors O ₂ kyla iš vandens oksidacijos, dėl kurio jis praranda elektronus, leidžiančius prisijungti prie vandenilio, ir todėl išskiria H ⁺ protonus . O ₂ susidaro prie anodo, elektrodo, kuriame vyksta oksidacija; Skirtingai nuo kito elektrodo, pH aplink anodą yra rūgštus, o ne šarminis.

Pusinės ląstelės reakcijos

Tai galima apibendrinti šiomis pusių ląstelių reakcijų cheminėmis lygtimis:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (bazinis katodas)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (anodas, rūgštis)

Tačiau vanduo negali prarasti daugiau elektronų (4e ^- ), nei kita vandens molekulė įgyja prie katodo (2e ^- ); todėl pirmąją lygtį reikia padauginti iš 2, o tada atimti iš antrosios lygties, norint gauti grynąją lygtį:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Bet 4H ⁺ ir 4OH ^- sudaro 4H ₂ O, taigi jie pašalina keturias iš šešių H ₂ O molekulių, kurios yra dvi; o rezultatas yra ką tik išdėstyta visuotinė reakcija.

Pusinių ląstelių reakcijos keičiasi atsižvelgiant į pH vertes, metodus, be to, jose yra redukcijos ar oksidacijos potencialas, lemiantis, kokia srovė turi būti tiekiama, kad vandens elektrolizė vyktų savaime.

Procesas

Šaltinis: Ivanas Akira, iš „Wikimedia Commons“

Aukščiau esančiame paveikslėlyje parodytas „Hoffman“ voltameteris. Balionai užpildomi vandeniu, o atrinkti elektrolitai per vidurinį purkštuką. Šių elektrolitų paskirtis yra padidinti vandens laidumą, nes normaliomis sąlygomis H ₃ O ⁺ ir OH jonų yra labai nedaug ^- jų savaiminės jonizacijos produktai.

Du elektrodai paprastai yra pagaminti iš platinos, nors paveikslėlyje juos pakeitė anglies elektrodai. Abu jie yra prijungti prie akumuliatoriaus, su kuriuo taikomas potencialo skirtumas (ΔV), kuris skatina vandens oksidaciją (O ₂ susidarymą ).

Elektronai keliauja per visą grandinę, kol pasiekia kitą elektrodą, kur vanduo juos nugali ir virsta H ₂ ir OH ^- . Šiuo metu jau buvo apibrėžtas anodas ir katodas, kuriuos galima atskirti pagal vandens kolonų aukštį; mažiausias aukštis atitinka katodą, kuriame susidaro H ₂ .

Viršutinėje balionų dalyje yra raktai, kurie leidžia išlaisvinti susidariusias dujas. Iš H buvimas ₂ gali būti kruopščiai tikrinami jam reaguojant su liepsnos, degimo, iš kurių gamina dujinis vandens.

Technikos

Vandens elektrolizės metodai skiriasi priklausomai nuo generuojamo H ₂ ir O _{2 kiekio} . Abi dujos yra labai pavojingos, jei jos yra sumaišytos, todėl elektrolitiniai elementai yra sudėtingi, kad būtų sumažintas dujinis slėgis ir jų difuzija per vandeninę terpę.

Be to, metodai skiriasi priklausomai nuo ląstelės, į vandenį pridėto elektrolito ir pačių elektrodų. Kita vertus, kai kurie reiškia, kad reakcija yra atliekama esant aukštesnei temperatūrai, sumažinti elektros energijos suvartojimą, o kiti naudoja milžiniškas spaudimas išlaikyti H ₂ saugomas.

Tarp visų būdų galima paminėti šiuos tris dalykus:

Elektrolizė šarminiu vandeniu

Elektrolizė atliekama šarminių metalų pagrindiniais tirpalais (KOH arba NaOH). Taikant šią metodą atsiranda reakcijos:

4H ₂ O (l) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 4OH ^- (vand)

4OH ^- (aq) => O ₂ (g) + 2H ₂ O (l) + 4e ^-

Kaip matyti, tiek prie katodo, tiek prie anodo vanduo turi bazinį pH; ir, be to, OH ^- migruoja link anodo, kur jie yra oksiduojami į O ₂ .

Elektrolizė su polimerine elektrolitine membrana

Šioje technikoje naudojamas kietas polimeras, kuris tarnauja kaip membrana, pralaidi H ⁺ , bet nepralaidi dujoms. Tai užtikrina didesnį saugumą elektrolizės metu.

Pusinės ląstelės reakcijos šiuo atveju yra:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

2H ₂ O (l) => O ₂ (g) + 4H ⁺ (aq) + 4e ^-

H ⁺ jonai migruoja iš anodo į katodą, kur jie yra redukuojami į H ₂ .

Elektrolizė su kietaisiais oksidais

Labai skiriasi nuo kitų metodų, tai vienas naudoja-oksidai elektrolitų, kurie esant aukštai temperatūrai (600-900ºC) funkcija, kaip transporto terpe O ^2- anijonu .

Reakcijos yra:

2H ₂ O (g) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 2 O ²

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Atminkite, kad šį kartą prie anodo keliauja oksido anijonai O ² .

Kam skirta vandens elektrolizė?

Vandens elektrolizės metu susidaro H ₂ (g) ir O ₂ (g). Maždaug 5% pasaulyje susidarančių vandenilio dujų susidaro elektrolizuojant vandenį.

H ₂ yra šalutinis produktas vandeninių tirpalų NaCl elektrolize. Druskos buvimas palengvina elektrolizę, nes padidėja vandens elektrinis laidumas.

Bendra reakcija, kuri vyksta:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Norint suprasti didžiulę šios reakcijos svarbą, bus paminėti kai kurie dujinių produktų naudojimo būdai; Nes dienos pabaigoje būtent jie skatina kurti naujus metodus, kaip efektyviau ir ekologiškiau pasiekti vandens elektrolizę.

Iš visų jų labiausiai norima veikti kaip ląstelėms, energetiškai pakeičiančioms deginančio iškastinio kuro naudojimą.

Vandenilio gamyba ir jo panaudojimas

- Elektrolizės metu pagamintas vandenilis gali būti naudojamas chemijos pramonėje, veikiant priklausomybės reakcijose, hidrinant arba kaip reduktorių redukcijos procesuose.

- Tai taip pat būtina atliekant kai kuriuos komercinės svarbos veiksmus, tokius kaip: druskos rūgšties, vandenilio peroksido, hidroksilaminų ir kt. Gamyba. Jis dalyvauja amoniako sintezėje vykstant katalizinei reakcijai su azotu.

- Kartu su deguonimi jis gamina aukštos kalorijos liepsną, kurios temperatūra svyruoja nuo 3000 iki 3500 K. Ši temperatūra gali būti naudojama pjaustyti ir suvirinti metalo pramonėje, sintetinių kristalų augimui, kvarco gamybai ir kt. .

- Vandens valymas: pernelyg didelį nitratų kiekį vandenyje gali sumažinti jo pašalinimas bioreaktoriuose, kuriuose bakterijos naudoja vandenilį kaip energijos šaltinį

-Vandenilis dalyvauja plastikų, poliesterio ir nailono sintezėje. Be to, tai yra stiklo gamybos dalis, padidinanti degimą kepimo metu.

- Reaguoja su daugelio metalų, įskaitant sidabrą, varį, šviną, bismutą ir gyvsidabrį, oksidais ir chloridu, kad būtų gauti gryni metalai.

- Be to, jis naudojamas kaip degalai atliekant chromatografinę analizę su liepsnos detektoriumi.

Kaip derinimo metodas

Natrio chlorido tirpalų elektrolizė naudojama baseinų vandens valymui. Elektrolizės metu katode susidaro vandenilis , o anode - chloras (Cl ₂ ). Elektrolizė šiuo atveju vadinama druskos chlorintu.

Chloras ištirpsta vandenyje, sudarydamas hipochloridą ir natrio hipochloritą. Hipochlorido rūgštis ir natrio hipochloritas sterilizuoja vandenį.

Kaip deguonies tiekimas

Vandens elektrolizė taip pat naudojama deguoniui generuoti Tarptautinėje kosminėje stotyje, kuri yra skirta palaikyti deguonies atmosferą stotyje.

Vandenilis gali būti naudojamas kuro elemente, energijos kaupimo būdui, ir naudoti vandenį, kurį generuoja ląstelėje, naudoti astronautams.

Namų eksperimentas

Vandens elektrolizės eksperimentai buvo atlikti laboratorinėmis svarstyklėmis su Hoffmano voltmetrais arba kitu agregatu, leidžiančiu sudaryti visus reikalingus elektrocheminės ląstelės elementus.

Iš visų galimų mazgų ir įrangos paprasčiausias gali būti didelis skaidrus vandens indas, kuris tarnaus kaip ląstelė. Be to, bet koks metalinis ar elektrai laidus paviršius taip pat turi būti po ranka, kad galėtų veikti kaip elektrodai; vienas skirtas katodui, kitas - anodui.

Tam tikslui gali būti naudingi net pieštukai su aštriais grafito antgaliais abiejuose galuose. Ir, pagaliau, maža baterija ir keli laidai, jungiantys ją prie improvizuotų elektrodų.

Jei dujiniai burbuliukai nebus formuojami skaidrioje talpykloje, tai nebus vertinama.

Namų kintamieji

Nors vandens elektrolizė yra tema, kurioje yra daug intriguojančių ir skatinančių aspektų ieškantiems alternatyvių energijos šaltinių, namų eksperimentas gali būti nuobodus vaikams ir kitiems pašaliniams žmonėms.

Todėl H ₂ ir O ₂ susidarymui generuoti gali būti naudojama pakankamai įtampa _, keičiant tam tikrus kintamuosius ir pastebint pokyčius.

Pirmasis yra vandens pH kitimas, naudojant actą, kad vanduo parūgštėtų , arba Na ₂ CO _3, kad jis šiek tiek pašarmuotų. Turi pasikeisti stebimų burbulų skaičius.

Be to, tą patį eksperimentą buvo galima pakartoti ir karštu, ir šaltu vandeniu. Tokiu būdu bus svarstomas temperatūros poveikis reakcijai.

Galiausiai, kad duomenų rinkimas būtų šiek tiek bespalvis, galite naudoti labai praskiestą purpurinių kopūstų sulčių tirpalą. Šios sultys yra natūralios kilmės rūgšties ir šarmo rodiklis.

Įpilant jį į indą su įdėtais elektrodais, bus pažymėta, kad anodo metu vanduo taps rausvas (rūgštus), o prie katodo spalva bus geltona (bazinė).

Nuorodos

1. Vikipedija. (2018 m.). Vandens elektrolizė. Atkurta iš: en.wikipedia.org
2. Chaplinas M. (2018 m. Lapkričio 16 d.). Vandens elektrolizė. Vandens struktūra ir mokslas. Atkurta iš: 1.lsbu.ac.uk
3. Energijos efektyvumas ir atsinaujinanti energija. (sf). Vandenilio gamyba: elektrolizė. Atgauta iš: energy.gov
4. „Phys.org“. (2018 m. Vasario 14 d.). Aukšto efektyvumo, nebrangus vandens elektrolizės katalizatorius. Atkurta iš: fiz.org
5. Chemija „LibreTexts“. (2015 m. Birželio 18 d.). Vandens elektrolizė. Atkurta iš: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. ir S. Lewis N. (2016). Vandens padalijimo elektrolizės sistemų principai ir įgyvendinimas. Karališkoji chemijos draugija.
7. Minesotos universiteto regentai. (2018 m.). Vandens elektrolizė 2. Minesotos universitetas. Atkurta iš: chem.umn.edu