ELEKTROLIZA WODY: PROCEDURA, TECHNIKI, DO CZEGO SŁUŻY - CHEMIA - 2026

Elektroliza wody jest rozkład wody na jego składników pierwiastkowych przez zastosowanie prądu elektrycznego. W miarę postępów wodór i tlen cząsteczkowy, H ₂ i O ₂ , tworzą się na dwóch obojętnych powierzchniach . Te dwie powierzchnie są lepiej znane pod nazwą elektrod.

Teoretycznie objętość utworzonego H ₂ powinna być dwukrotnie większa od objętości O ₂ . Czemu? Ponieważ cząsteczka wody ma stosunek H / O równy 2, czyli dwa H na każdy tlen. Zależność tę bezpośrednio weryfikuje wzór chemiczny H ₂ O. Jednak wiele czynników doświadczalnych wpływa na uzyskane objętości.

Źródło: Antti T. Nissinen przez Flickr

Jeżeli elektroliza prowadzona jest w rurkach zanurzonych w wodzie (górne zdjęcie), dolna kolumna wody odpowiada wodorowi, gdyż na powierzchnię cieczy wywiera większy nacisk na gaz. Bąbelki otaczają elektrody i po pokonaniu prężności pary wodnej wznoszą się.

Należy zauważyć, że rury są oddzielone od siebie w taki sposób, że migracja gazów z jednej elektrody do drugiej jest niewielka. W niskiej skali nie stanowi to bezpośredniego ryzyka; ale w skali przemysłowej mieszanina gazowa H ₂ i O ₂ jest wysoce niebezpieczna i wybuchowa.

Z tego powodu ogniwa elektrochemiczne, w których przeprowadza się elektrolizę wody, są bardzo drogie; Muszą design i elementy, które gwarantuje, że gazy nie mieszaj, zyskiem prąd zasilający, wysokie stężenia elektrolitów, specjalne elektrody (electrocatalysts) i mechanizmy do przechowywania H ₂ wyprodukowany.

Elektrokatalizatory reprezentują tarcie i jednocześnie wpływają na opłacalność elektrolizy wody. Niektóre składają się z tlenków metali szlachetnych, takich jak platyna i iryd, których ceny są bardzo wysokie. Właśnie w tym momencie naukowcy łączą siły, aby zaprojektować wydajne, stabilne i tanie elektrody.

Przyczyną tych wysiłków jest przyspieszenie powstawania O ₂ , który występuje w niższych dawkach w porównaniu z H ₂ . Spowolnienie przez elektrody gdzie O ₂ jest utworzona daje w wyniku ogólnego zastosowania potencjał znacznie większe niż jest to konieczne (nadnapięcie); co jest równoznaczne z niższą wydajnością i wyższymi kosztami.

Reakcja elektrolizy

Elektroliza wody obejmuje wiele złożonych aspektów. Jednak ogólnie rzecz biorąc, jego podstawa opiera się na prostej globalnej reakcji:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Jak widać w równaniu, w grę wchodzą dwie cząsteczki wody: jedna zwykle musi zostać zredukowana lub zyskać elektrony, podczas gdy druga musi utleniać lub stracić elektrony.

H ₂ jest produktem redukcji wody, ponieważ zdobywanie elektronów sprzyja kowalencyjnemu łączeniu protonów H ⁺ i przekształcaniu tlenu w OH ^- . Dlatego H ₂ jest wytwarzany na katodzie, która jest elektrodą, na której następuje redukcja.

Natomiast O ₂ pochodzi z utleniania wody, w wyniku czego traci elektrony, które pozwalają mu wiązać się z wodorem, a tym samym uwalnia protony H ⁺ . O ₂ jest wytwarzany na anodzie, elektrodzie, w której zachodzi utlenianie; W przeciwieństwie do drugiej elektrody, pH wokół anody jest kwaśne, a nie zasadowe.

Reakcje półkomórkowe

Można to podsumować za pomocą następujących równań chemicznych dla reakcji półogniw:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (katoda, podstawowa)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (anoda, kwas)

Jednak woda nie może stracić więcej elektronów (4e ^- ) niż inna cząsteczka wody zyskuje na katodzie (2e ^- ); dlatego pierwsze równanie należy pomnożyć przez 2, a następnie odjąć od drugiego równania, aby otrzymać równanie netto:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Ale 4H ⁺ i 4OH ^- tworzą 4H ₂ O, więc eliminują cztery z sześciu cząsteczek H ₂ O , pozostawiając dwie; a rezultatem jest właśnie zarysowana globalna reakcja.

Reakcje półogniw zmieniają się wraz z wartościami pH, technikami, a także wiążą się z nimi potencjały redukcji lub utleniania, które określają, ile prądu należy dostarczyć, aby elektroliza wody przebiegła samoistnie.

Proces

Źródło: Ivan Akira, źródło Wikimedia Commons

Na powyższym obrazku pokazano woltametr Hoffmana. Butle napełniane są wodą i wybranymi elektrolitami przez środkową dyszę. Rolą tych elektrolitów jest zwiększenie przewodnictwa wody, gdyż w normalnych warunkach jonów H ₃ O ⁺ i OH jest bardzo mało ^- produktów ich samojonizacji.

Dwie elektrody są zwykle wykonane z platyny, chociaż na zdjęciu zostały zastąpione elektrodami węglowymi. Oba są podłączone do akumulatora, w którym przykładana jest różnica potencjałów (ΔV), która sprzyja utlenianiu wody (tworzeniu się O ₂ ).

Elektrony przemieszczają cały układ, aż do osiągnięcia drugiej elektrody, w której woda wygrywa je i staje H ₂ i OH ^- . W tym momencie anoda i katoda zostały już zdefiniowane, które można rozróżnić na podstawie wysokości słupów wody; jeden z najniższym odpowiada wysokości do katody, gdzie H ₂ jest utworzona .

W górnej części butli znajdują się klawisze umożliwiające uwolnienie wytwarzanych gazów. Obecność H ₂ można dokładnie sprawdzić , poddając go reakcji z płomieniem, którego spalanie wytwarza gazową wodę.

Techniki

Techniki elektrolizy wody różnią się w zależności od ilości wytwarzanego H ₂ i O ₂ . Oba gazy są bardzo niebezpieczne, jeśli są zmieszane razem, i dlatego ogniwa elektrolityczne wymagają skomplikowanych konstrukcji, aby zminimalizować wzrost ciśnienia gazu i ich dyfuzję przez środowisko wodne.

Techniki różnią się również w zależności od ogniwa, elektrolitu dodanego do wody i samych elektrod. Z drugiej strony, część oznacza, że reakcję prowadzi się w wyższych temperaturach, co zmniejsza zużycie energii elektrycznej i inne wykorzystują ogromne ciśnienie, aby utrzymać H ₂ przechowywana.

Spośród wszystkich technik można wymienić trzy następujące:

Elektroliza wodą alkaliczną

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

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

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

Jak widać, zarówno na katodzie, jak i na anodzie woda ma zasadowe pH; a ponadto, OH ^- migrują do anody, gdzie utlenia się je do O ₂ .

Elektroliza z polimerową membraną elektrolityczną

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

Reakcje półkomórkowe w tym przypadku to:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

H ⁺ jony migrują z anody do katody, gdzie są one zredukowane do zostać H ₂ .

Elektroliza za pomocą stałych tlenków

Bardzo różni się od innych technik, ta tlenki zastosowań jako elektrolitów, które w wysokich temperaturach funkcji (600-900ºC) jako środka transportu O ^2- anion .

Reakcje są następujące:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Zauważ, że tym razem to aniony tlenkowe O ^2- , które wędrują do anody.

Do czego służy elektroliza wody?

Elektroliza wody wytwarza H ₂ (g) i O ₂ (g). Około 5% wodoru wytwarzanego na świecie powstaje w wyniku elektrolizy wody.

H ₂ jest produktem ubocznym elektrolizy wodnych roztworów NaCl. Obecność soli ułatwia elektrolizę poprzez zwiększenie przewodnictwa elektrycznego wody.

Ogólna reakcja, która ma miejsce, to:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Aby zrozumieć ogromne znaczenie tej reakcji, wspomnę o niektórych zastosowaniach produktów gazowych; Ponieważ w końcu to one napędzają rozwój nowych metod elektrolizy wody w bardziej wydajny i ekologiczny sposób.

Ze wszystkich najbardziej pożądane jest pełnienie funkcji ogniw, które energetycznie zastępują spalanie paliw kopalnych.

Produkcja wodoru i jego zastosowania

-Wodór wytwarzany w procesie elektrolizy może znaleźć zastosowanie w przemyśle chemicznym działając w reakcjach uzależnienia, w procesach uwodornienia lub jako reduktor w procesach redukcji.

-Jest również niezbędny w niektórych działaniach o znaczeniu handlowym, takich jak: produkcja kwasu solnego, nadtlenku wodoru, hydroksyloamin itp. Bierze udział w syntezie amoniaku w reakcji katalitycznej z azotem.

-W połączeniu z tlenem wytwarza płomienie o wysokiej zawartości kalorii, w temperaturach od 3000 do 3500 K.Temperatury te mogą być wykorzystywane do cięcia i spawania w przemyśle metalowym, do wzrostu kryształów syntetycznych, produkcji kwarcu itp. .

-Uzdatnianie wody: zbyt wysoką zawartość azotanów w wodzie można zredukować poprzez ich eliminację w bioreaktorach, w których bakterie wykorzystują wodór jako źródło energii

-Wodór bierze udział w syntezie tworzyw sztucznych, poliestru i nylonu. Ponadto jest częścią produkcji szkła, zwiększając spalanie podczas wypalania.

-Reaguje z tlenkami i chlorkami wielu metali, w tym srebra, miedzi, ołowiu, bizmutu i rtęci, tworząc czyste metale.

- Dodatkowo jest używany jako paliwo w analizie chromatograficznej z detektorem płomienia.

Jako metoda debugowania

Elektroliza roztworów chlorku sodu służy do oczyszczania wody basenowej. Podczas elektrolizy na katodzie wytwarzany jest wodór, a na anodzie chlor (Cl ₂ ). Elektroliza nazywana jest w tym przypadku chloratorem 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 na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która służy do utrzymania atmosfery tlenowej na stacji.

Wodór można wykorzystać w ogniwie paliwowym, metodzie magazynowania energii, oraz wykorzystać wodę wytwarzaną w komórce do spożycia przez astronautów.

Domowy eksperyment

Eksperymenty z elektrolizą wody zostały przeprowadzone na wagach laboratoryjnych z woltomierzami Hoffmana lub innym zespole pozwalającym pomieścić wszystkie niezbędne elementy ogniwa elektrochemicznego.

Ze wszystkich możliwych zespołów i wyposażenia najprostszym może być duży przezroczysty zbiornik na wodę, który posłuży jako komórka. Ponadto każda metalowa lub przewodząca prąd elektryczny powierzchnia musi również znajdować się pod ręką, aby działać jako elektrody; jeden dla katody, a drugi dla anody.

W tym celu przydatne mogą być nawet ołówki z ostrymi grafitowymi końcówkami na obu końcach. I wreszcie mała bateria i kilka kabli, które łączą ją z prowizorycznymi elektrodami.

Gdyby nie było przeprowadzane w przezroczystym pojemniku, powstawanie pęcherzyków gazowych nie byłoby doceniane.

Zmienne domowe

Chociaż elektroliza wody jest tematem zawierającym wiele intrygujących i zachęcających aspektów dla osób poszukujących alternatywnych źródeł energii, domowy eksperyment może być nudny dla dzieci i innych osób postronnych.

Dlatego też można przyłożyć wystarczające napięcie, aby wygenerować tworzenie się H ₂ i O _2, zmieniając pewne zmienne i odnotowując zmiany.

Pierwszym z nich jest zmiana pH wody przy użyciu octu do zakwaszenia wody lub Na ₂ CO ₃ do jej nieznacznego zalkalizowania. Musi nastąpić zmiana liczby obserwowanych pęcherzyków.

Dodatkowo ten sam eksperyment można powtórzyć z ciepłą i zimną wodą. W ten sposób rozważanoby wpływ temperatury na reakcję.

Wreszcie, aby zbieranie danych było nieco mniej bezbarwne, można użyć bardzo rozcieńczonego roztworu soku z fioletowej kapusty. Sok ten jest kwasowo-zasadowym wskaźnikiem pochodzenia naturalnego.

Dodając go do pojemnika z włożonymi elektrodami, należy zauważyć, że na anodzie woda zmieni kolor na różowy (kwasowy), natomiast na katodzie będzie miał kolor żółty (zasadowy).

Bibliografia

1. Wikipedia. (2018). Elektroliza wody. Odzyskane z: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16 listopada 2018). Elektroliza wody. Struktura wody i nauka. Odzyskane z: 1.lsbu.ac.uk
3. Efektywność energetyczna i energia odnawialna. (sf). Produkcja wodoru: elektroliza. Odzyskany z: energy.gov
4. Phys.org. (14 lutego 2018). Wysokowydajny, tani katalizator do elektrolizy wody. Odzyskany z: phys.org
5. Chemistry LibreTexts. (18 czerwca 2015). Elektroliza wody. Odzyskane z: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. i S. Lewis N. (2016). Zasady i implementacje układów elektrolizy do rozszczepiania wody. Królewskie Towarzystwo Chemii.
7. Regenci University of Minnesota. (2018). Elektroliza wody 2. University of Minnesota. Odzyskany z: chem.umn.edu