- Elektrolízis reakció
- Félsejtes reakciók
- Folyamat
- technikák
- Elektrolízis lúgos vízzel
- Elektrolízis polimer elektrolitikus membránnal
- Elektrolízis szilárd oxidokkal
- Mi a víz elektrolízise?
- Hidrogéntermelés és felhasználásai
- Hibakeresési módszerként
- Oxigénellátásként
- Otthoni kísérlet
- Otthoni változók
- Irodalom
A víz elektrolízise a víz bomlása az elemi komponensekbe elektromos áram alkalmazásával. Ahogy haladnak, a hidrogén és a molekuláris oxigén, H 2 és O 2, vannak kialakítva két inert felületek. Ezt a két felületet jobban ismerték az elektródok neve.
Elméletileg a képződött H 2 térfogata kétszerese az O 2 térfogatának. Miért? Mivel a vízmolekula H / O aránya 2-nek felel meg, vagyis két H minden oxigén számára. Ez a kapcsolat közvetlenül igazolható kémiai képletével, a H 2 O-val. Ugyanakkor számos kísérleti tényező befolyásolja a kapott mennyiségeket.
Forrás: Antti T. Nissinen a Flickr-en keresztül
Ha az elektrolízist vízbe merített csövekben hajtjuk végre (felső kép), akkor az alsó vízoszlop hidrogénnek felel meg, mivel a folyadék felületén nagyobb nyomást gyakorol a gáz. A buborékok körülveszik az elektródákat, és a víz gőznyomásának meghaladása után emelkednek.
Vegye figyelembe, hogy a csöveket úgy választják el egymástól, hogy kevés a gázok vándorolása az egyik elektródról a másikra. Alacsony skálán ez nem jelent közvetlen veszélyt; de ipari méretekben a H 2 és O 2 gáznemű keveréke rendkívül veszélyes és robbanásveszélyes.
Ezért az elektrokémiai cellák, amelyekben a víz elektrolízisét végzik, nagyon drágák; Olyan kialakításra és elemekre van szükségük, amelyek garantálják, hogy a gázok soha ne keveredjenek egymással, jövedelmező áramellátást, magas elektrolitkoncentrációt, speciális elektródokat (elektrokatalizátorokat) és mechanizmusokat a H 2 tárolására.
Az elektrokatalizátorok a súrlódást és ugyanakkor a víz elektrolízis jövedelmezőségének szárnyait képviselik. Néhány nemesfém-oxidokból, például platinaból és irídiumból áll, amelyek árai nagyon magasak. Különösen akkor, amikor a kutatók egyesítik erőfeszítéseiket a hatékony, stabil és olcsó elektródok megtervezéséhez.
Ezen erőfeszítések oka az O 2 képződésének felgyorsítása, amely alacsonyabb sebességgel fordul elő, mint a H 2. Ez az elektród által az O 2 képződése által lelassított hatás általában a szükségesnél nagyobb potenciál alkalmazását eredményezi (túlpotenciál); ami megegyezik az alacsonyabb teljesítménnyel és magasabb költségekkel.
Elektrolízis reakció
A víz elektrolízise számos komplex szempontot foglal magában. Általában véve azonban alapja egy egyszerű, globális reakció:
2H 2 O (l) => 2 H 2 (g) + O 2 (g)
Amint az az egyenletből kiderül, két vízmolekula vesz részt: az egyiket általában redukálni kell, vagy elektronokat kell szerezni, míg a másiknak oxidálnia kell vagy el kell veszítenie az elektronokat.
H 2 terméke a csökkentése a víz, mert a nyereség elektronok elősegíti, hogy a H + protonok kovalens kötéssel képesek kötődni, és hogy az oxigén átalakul OH -. Ezért H 2 képződik a katódnál, amely az elektród, ahol a redukció megtörténik.
Míg az O 2 a víz oxidációjából származik, amelynek következtében elveszíti az elektronokat, amelyek lehetővé teszik hidrogénhez való kötődését, és ennek eredményeként H + protonokat szabadít fel. O 2 keletkezik az anódon, az elektród, ahol oxidáció történik; A többi elektróddal ellentétben az anód körül a pH savas és nem bázikus.
Félsejtes reakciók
Ezt a következő kémiai egyenletekkel lehet összefoglalni a félcellás reakciókról:
2H 2 O + 2e - => H 2 + 2OH - (katód, bázikus)
2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e - (anód, sav)
A víz azonban nem veszíthet el több elektronot (4e -), mint ahogyan a másik vízmolekula nyeri a katódnál (2e -); ezért az első egyenletet meg kell szorozni 2-del, majd levonni a második egyenlettel a nettó egyenlet megkapásához:
2 (2H 2 O + 2 e - => H 2 + 2OH -)
2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e -
6H 2 O => 2H 2 + O 2 + 4H + + 4OH-t -
De a 4H + és a 4OH - 4H 2 O-t alkotnak, tehát a hat H 2 O molekula közül négyet eltávolítanak, kettőt hagyva; és az eredmény a fent vázolt globális reakció.
A félcellás reakciók a pH-értékekkel, a technikákkal változnak, és ehhez kapcsolódó redukciós vagy oxidációs potenciállal is rendelkeznek, amelyek meghatározzák, mennyi áramot kell biztosítani a víz elektrolíziséhez, hogy spontán módon folyhasson.
Folyamat
Forrás: Ivan Akira, a Wikimedia Commonsból
A fenti képen Hoffman voltameter látható. A hengereket vízzel megtöltik, és a kiválasztott elektrolitokat a középső fúvókán keresztül jutják el. Ezen elektrolitok szerepe a víz vezetőképességének növelése, mivel normál körülmények között nagyon kevés H 3 O + és OH ion van - ezek önionizációjának termékei.
A két elektród általában platinából készül, bár a képen szén-elektródák váltották fel őket. Mindkettőt egy akkumulátorhoz csatlakoztatják, amellyel olyan potenciálkülönbséget (ΔV) alkalmaznak, amely elősegíti a víz oxidációját (O 2 képződése).
Az elektronok utaznak a teljes áramkör, amíg el nem érik a másik elektród, ahol a víz nyer át őket, és válik H 2 és OH -. Ezen a ponton az anódot és a katódot már meghatározták, amelyeket meg lehet különböztetni a vízoszlopok magassága alapján; a legalacsonyabb magasság a katódnak felel meg, ahol H 2 képződik.
A hengerek felső részében vannak kulcsok, amelyek lehetővé teszik a keletkező gázok kibocsátását. A jelenléte H 2 lehet gondosan ellenőrizni reagáltatva azt láng, az égés, amely termel gáz halmazállapotú víz.
technikák
A víz-elektrolízis technikái a keletkező H 2 és O 2 mennyiségétől függően változnak. Mindkét gáz nagyon veszélyes, ha összekeverednek, ezért az elektrolitikus cellák összetett terveket tartalmaznak, hogy minimalizálják a gáznemű nyomások növekedését és diffúzióját a vizes közegben.
A technikák emellett a cellától, a vízhez adott elektrolitotól és maguk az elektródoktól is függnek. Másrészt, egyesek azt sugallják, hogy a reakciót magasabb hőmérsékleten hajtják végre, csökkentve az áramfogyasztást, mások óriási nyomást gyakorolnak a H 2 tárolására.
Az összes technika közül a következő három megemlíthető:
Elektrolízis lúgos vízzel
Az elektrolízist az alkálifémek bázikus oldataival (KOH vagy NaOH) végezzük. Ezzel a módszerrel a reakciók:
4H 2 O (l) + 4e - => 2H 2 (g) + 4OH-t - (aq)
4OH - (aq) => O 2 (g) + 2H 2 O (l) + 4e -
Mint látható, mind a katódnál, mind az anódnál a víz alapvető pH-ja; és ezen túlmenően az OH - az anód felé vándorolnak, ahol oxidálódnak O 2 -vá.
Elektrolízis polimer elektrolitikus membránnal
Ebben a technikában szilárd polimert alkalmaznak, amely membránként szolgál, amely áteresztőképességű a H + számára, de átjárhatatlan a gázokra. Ez nagyobb biztonságot biztosít az elektrolízis során.
A félcellás reakciók ebben az esetben a következők:
4H + (aq) + 4e - => 2H 2 (g)
2H 2 O (l) => O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e -
A H + -ionok az anódról a katódra vándorolnak, ahol redukálódnak H 2 -vé.
Elektrolízis szilárd oxidokkal
A többi technikától nagyon különbözik, ez az elektrolitként oxidokat használ, amelyek magas hőmérsékleten (600-900ºC) az O 2- anion szállítására szolgálnak.
A reakciók:
2H 2 O (g) + 4e - => 2H 2 (g) + 2 O 2
2O 2- => O 2 (g) + 4e -
Vegye figyelembe, hogy ezúttal az O 2 oxid anionok vezetnek az anódhoz.
Mi a víz elektrolízise?
A víz elektrolízise során H 2 (g) és O 2 (g) képződik. A világon előállított hidrogéngáz körülbelül 5% -át a víz elektrolízisével állítják elő.
H 2 jelentése egy mellékterméke az elektrolízis vizes nátrium-klorid-oldatok. A só jelenléte megkönnyíti az elektrolízist, mivel növeli a víz elektromos vezetőképességét.
A teljes reakció:
2NaCl + 2H 2 O => Cl 2 + H 2 + 2NaOH
A reakció óriási jelentőségének megértése érdekében említést tesznek a gáznemű termékek néhány felhasználásáról; Mivel a nap végén ezek vezetik az új módszerek kifejlesztését a víz elektrolízisének hatékonyabb és környezetbarátabb elérése érdekében.
Ezek közül a leginkább a sejtekként való működés kívánatos, amelyek energetikailag felváltják az égő fosszilis tüzelőanyagok használatát.
Hidrogéntermelés és felhasználásai
-Az elektrolízis során előállított hidrogén felhasználható a vegyiparban függőségi reakciókban, hidrogénezési folyamatokban vagy redukálószerként a redukciós folyamatokban.
- Ez alapvető fontosságú bizonyos kereskedelmi jelentőségű tevékenységekben is, például: sósav, hidrogén-peroxid, hidroxil-aminok előállítása stb. Részt vesz az ammónia szintézisében nitrogénnel történő katalitikus reakció révén.
- Az oxigénnel kombinálva magas kalóriatartalmú lángot állít elő, 3000 és 3500 K közötti hőmérsékleten. Ezek a hőmérsékletek felhasználhatók a fémipar vágására és hegesztésére, szintetikus kristályok növekedésére, kvarc előállítására stb..
-Vízkezelés: A túl magas nitráttartalom csökkenthető azáltal, hogy eliminálódik a bioreaktorokban, amelyekben a baktériumok hidrogént használnak energiaforrásként
-A hidrogén részt vesz a műanyagok, poliészter és nejlon szintézisében. Ezenkívül az üvegtermelés része, fokozva az égést sütés közben.
- Reakciók sok fémek oxidjával és kloridjával, köztük ezüsttel, réznel, ólommal, bizmutdal és higanymal tiszta fémek előállításához.
- És emellett tüzelőanyagként használják lángdetektoros kromatográfiás elemzésben.
Hibakeresési módszerként
A nátrium-klorid oldatok elektrolízisét használják az uszodavíz tisztításához. Az elektrolízis során hidrogént termelnek a katódon, klórat (Cl 2) az anódon. Az elektrolízist ebben az esetben sóklórozónak nevezzük.
A klór vízben oldódik, és hipoklórossavat és nátrium-hipokloritot képez. A hipoklórsav és a nátrium-hipoklorit sterilizálják a vizet.
Oxigénellátásként
A víz elektrolízisével oxigént állítanak elő a Nemzetközi Űrállomáson, amely az állomás oxigén atmoszférájának fenntartására szolgál.
A hidrogén felhasználható az üzemanyagcellában, az energiatárolás módszerére, és a cellában előállított vizet űrhajósok fogyasztására használhatják.
Otthoni kísérlet
Víz-elektrolízis-kísérleteket végeztünk laboratóriumi mérlegekben Hoffman voltmérővel, vagy egy másik olyan egységgel, amely lehetővé teszi az elektrokémiai cellák összes szükséges elemét.
Az összes lehetséges szerelvény és felszerelés közül a legegyszerűbb lehet egy nagy átlátszó víztartály, amely cellaként szolgál majd. Ezen felül minden fém vagy elektromosan vezető felületnek kéznél kell lennie, hogy elektródként működjön; az egyik a katódhoz, a másik az anódhoz.
Erre a célra hasznosak lehetnek még azok a ceruzák is, amelyek mindkét végén éles grafithegyek vannak. És végül egy kis akkumulátor és néhány kábel, amely csatlakoztatja azt a rögtönzött elektródákhoz.
Ha nem átlátszó tartályban hajtják végre, akkor a gáznemű buborékok képződése nem lenne észrevehető.
Otthoni változók
Noha a víz elektrolízise olyan téma, amely sok érdekes és reményteljes szempontot tartalmaz azok számára, akik alternatív energiaforrásokat keresnek, a házi kísérlet unalmas lehet a gyermekek és más járókelők számára.
Ezért elegendő feszültséget lehet alkalmazni, hogy létrehoz a képződő H 2 és O 2 által váltakozó egyes változókat, és tudomásul véve a változásokat.
Az első a variáció a víz pH-ja, segítségével akár ecet savanyítására a víz, vagy Na 2 CO 3 enyhén lúgosítjuk meg. A megfigyelt buborékok számában változni kell.
Ezenkívül ugyanazt a kísérletet meg lehet ismételni hideg és meleg vízzel. Ilyen módon a hőmérséklet reakcióra gyakorolt hatását mérlegelni kell.
Végül, hogy az adatgyűjtés kissé kevésbé színtelen legyen, használhat nagyon híg oldatot a lila káposzta léből. Ez a lé a természetes eredetű sav-bázis mutatója.
Ha hozzáadjuk az edénybe a behelyezett elektródákkal, megjegyezzük, hogy az anódnál a víz rózsaszínű (savas), míg a katódnál a sárga (bázikus) szín válik.
Irodalom
- Wikipedia. (2018). A víz elektrolízise. Helyreállítva: en.wikipedia.org
- Chaplin M. (2018. november 16.). A víz elektrolízise. A víz szerkezete és a tudomány. Helyreállítva: 1.lsbu.ac.uk
- Energiahatékonyság és megújuló energia. (Sf). Hidrogéntermelés: elektrolízis. Helyreállítva: energy.gov
- Phys.org. (2018. február 14). Nagy hatékonyságú, olcsó katalizátor a víz elektrolíziséhez. Helyreállítva: fiz.org
- Kémia LibreTexts. (2015. június 18.) A víz elektrolízise. Helyreállítva: chem.libretexts.org
- Xiang C., M. Papadantonakisab K. és S. Lewis N. (2016). A víz felosztására szolgáló elektrolízis rendszerek alapelvei és megvalósítása. A Kémiai Királyi Társaság.
- A Minnesotai Egyetem ügynökei. (2018). A víz elektrolízise 2. Minnesotai Egyetem. Helyreállítva: chem.umn.edu