ŪDENS ELEKTROLĪZE: PROCEDŪRA, PAŅĒMIENI, KĀDAM TAS PAREDZĒTS - ĶĪMIJA - 2025

Ūdens elektrolīze ir ūdens sadalīšana tā elementārdaļās, pieliekot elektrisko strāvu. Turpinoties, ūdeņradis un molekulārais skābeklis, H ₂ un O ₂ , veidojas uz divām inertām virsmām . Šīs divas virsmas ir labāk pazīstamas ar elektrodu nosaukumu.

Teorētiski H ₂ tilpumam jābūt divreiz lielākam par O ₂ tilpumu . Kāpēc? Tā kā ūdens molekulas H / O attiecība ir vienāda ar 2, tas ir, divi H katram skābeklim. Šīs attiecības ir tieši pārbaudītas ar tās ķīmisko formulu H ₂ O. Tomēr iegūtos apjomus ietekmē daudzi eksperimentāli faktori.

Avots: Antti T. Nissinen, izmantojot Flickr

Ja elektrolīze tiek veikta ūdenī iegremdētu caurulīšu iekšpusē (augšējais attēls), apakšējā ūdens staba atbilst ūdeņraža saturam, jo ​​tur lielāks gāzes daudzums rada spiedienu uz šķidruma virsmu. Burbuļi ieskauj elektrodus un pēc ūdens tvaika spiediena pārvarēšanas palielinās.

Ņemiet vērā, ka caurules ir atdalītas viena no otras tādā veidā, ka gāze no viena elektrodu uz otru ir maza. Nelielā mērogā tas nenozīmē nenovēršamu risku; bet rūpnieciskos svaros gāzveida H ₂ un O ₂ maisījums ir ļoti bīstams un eksplozīvs.

Šī iemesla dēļ elektroķīmiskās šūnas, kurās tiek veikta ūdens elektrolīze, ir ļoti dārgas; Viņiem ir nepieciešams dizains un elementi, kas garantē, ka gāzes nekad nesajaucas, rentabla strāvas padeve, liela elektrolītu koncentrācija, speciāli elektrodi (elektrokatalizatori) un mehānismi saražotā H ₂ glabāšanai .

Elektrokatalizatori apzīmē berzi un vienlaikus spārnus ūdens elektrolīzes rentabilitātei. Daži no tiem sastāv no cēlmetālu oksīdiem, piemēram, platīna un iridija, kuru cenas ir ļoti augstas. Īpaši šajā brīdī pētnieki apvieno spēkus, lai izstrādātu efektīvus, stabilus un lētus elektrodus.

Šo centienu iemesls ir paātrināt O ₂ veidošanos , kas notiek ar zemāku ātrumu nekā H ₂ . Šī palēnināšanās, ko veic elektrods, kurā veidojas O _2, rada vispārējas sekas potenciāla izmantošanai, kas ir daudz lielāks nekā nepieciešams (pārlieku liels); kas ir vienāds ar zemāku sniegumu un lielākiem izdevumiem.

Elektrolīzes reakcija

Ūdens elektrolīze ietver daudzus sarežģītus aspektus. Tomēr kopumā tā pamatā ir vienkārša globāla reakcija:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Kā redzams vienādojumā, ir iesaistītas divas ūdens molekulas: viena parasti ir jāsamazina vai jāiegūst elektroni, bet otrai jābūt oksidējošai vai pazudušai elektroniem.

H ₂ ir ūdens reducēšanās produkts, jo elektronu pieaugums veicina to, ka H ⁺ protoni var saistīties kovalenti un ka skābeklis tiek pārveidots par OH ^- . Tāpēc H ₂ tiek ražots pie katoda, kas ir elektrods, kurā notiek samazināšana.

Kamēr O ₂ nāk no ūdens oksidācijas, kuras dēļ tas zaudē elektronus, kas tam ļauj saistīties ar ūdeņradi, un attiecīgi izdala H ⁺ protonus . O ₂ rodas anodā, elektrodā, kur notiek oksidēšana; Un atšķirībā no otra elektrodu pH ap anodu ir skābs un nav bāzes.

Pusšūnu reakcijas

To var apkopot ar šādiem pusšūnu reakciju ķīmiskajiem vienādojumiem:

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

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (anods, skābe)

Tomēr ūdens nevar zaudēt vairāk elektronu (4e ^- ), nekā otra ūdens molekula iegūst pie katoda (2e ^- ); tāpēc pirmais vienādojums jāreizina ar 2 un pēc tam ar otro vienādojumu jāatskaita, lai iegūtu neto vienādojumu:

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 ⁺ un 4OH ^- veido 4H ₂ O, tāpēc tie likvidē četras no sešām H ₂ O molekulām, atstājot divas; un rezultāts ir tikko ieskicētā globālā reakcija.

Pusšūnu reakcijas mainās ar pH vērtībām, paņēmieniem, un tām ir arī samazināšanas vai oksidācijas potenciāli, kas nosaka, cik daudz strāvas jāpievada, lai ūdens elektrolīze notiktu spontāni.

Process

Avots: Ivans Akira, no Wikimedia Commons

Augšējā attēlā ir parādīts Hoffmana voltameters. Baloni ir piepildīti ar ūdeni un izvēlētie elektrolīti caur vidējo sprauslu. Šo elektrolītu uzdevums ir palielināt ūdens vadītspēju, jo normālos apstākļos H ₃ O ⁺ un OH jonu ir ļoti maz ^- to pašu jonizācijas produkti.

Abi elektrodi parasti ir izgatavoti no platīna, lai gan attēlā tos aizstāja ar oglekļa elektrodiem. Abi ir savienoti ar akumulatoru, ar kuru tiek piemērota potenciāla starpība (ΔV), kas veicina ūdens oksidāciju (O ₂ veidošanos ).

Elektroni pārvietojas pa visu ķēdi, līdz tie sasniedz otru elektrodu, kur ūdens tos pārvar un kļūst par H ₂ un OH ^- . Šajā brīdī anods un katods jau ir definēti, kurus var atšķirt pēc ūdens kolonnu augstuma; viens ar zemāko augstumu atbilst katodam, kurā veidojas H ₂ .

Balonu augšējā daļā ir atslēgas, kas ļauj atbrīvot radītās gāzes. H ₂ klātbūtni var rūpīgi pārbaudīt , reaģējot ar liesmu, kuras sadegšana rada gāzveida ūdeni.

Metodes

Ūdens elektrolīzes paņēmieni mainās atkarībā no H ₂ un O ₂ daudzuma, kas rodas. Abas gāzes ir ļoti bīstamas, ja tās sajauc kopā, tāpēc elektrolītiskās šūnas ietver sarežģītu dizainu, lai samazinātu gāzveida spiediena palielināšanos un to difūziju caur ūdens vidi.

Arī metodes atšķiras atkarībā no šūnas, ūdenim pievienotā elektrolīta un pašiem elektrodiem. No otras puses, daži nozīmē, ka reakcija tiek veikta augstākā temperatūrā, samazinot elektroenerģijas patēriņu, un citi izmanto milzīgu spiedienu, lai H _{2 tiktu} glabāti.

Starp visiem paņēmieniem var minēt trīs:

Elektrolīze ar sārmainu ūdeni

Elektrolīzi veic ar sārmu metālu bāzes šķīdumiem (KOH vai NaOH). Izmantojot šo paņēmienu, notiek reakcijas:

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

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

Kā redzams, gan pie katoda, gan pie anoda ūdenim ir pamata pH; un turklāt OH ^- migrē uz anodu, kur tie tiek oksidēti līdz O ₂ .

Elektrolīze ar polimēra elektrolītisko membrānu

Šajā tehnikā tiek izmantots ciets polimērs, kas kalpo kā membrāna, kas ir caurlaidīga H ⁺ , bet necaurlaidīga gāzēm. Tas nodrošina lielāku drošību elektrolīzes laikā.

Šajā gadījumā pusšūnu reakcijas ir:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

H ⁺ joni migrē no anoda uz katodu, kur tie tiek samazināti līdz H ₂ .

Elektrolīze ar cietajiem oksīdiem

Ļoti atšķirīgs no citiem paņēmieniem, šajā kā elektrolītos izmanto oksīdus, kas augstā temperatūrā (600–900 ° C) darbojas kā O2 ^- anjona transportēšanas vide .

Reakcijas ir šādas:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Ņemiet vērā, ka šoreiz uz anodu pārvietojas oksīda anjoni O ² .

Kāda ir ūdens elektrolīze?

Ūdens elektrolīze rada H ₂ (g) un O ₂ (g). Aptuveni 5% no pasaulē saražotās ūdeņraža gāzes tiek iegūta ūdens elektrolīzes rezultātā.

H ₂ ir NaCl ūdens šķīdumu elektrolīzes blakusprodukts. Sāls klātbūtne atvieglo elektrolīzi, palielinot ūdens elektrisko vadītspēju.

Kopējā notiekošā reakcija ir:

2Nacl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Lai saprastu šīs reakcijas milzīgo nozīmi, tiks minēti daži gāzveida produktu lietojumi; Tā kā dienas beigās tie ir tie, kas virza jaunu metožu izstrādi, lai efektīvāk un zaļāk panāktu ūdens elektrolīzi.

No visiem tiem visvēlamākais ir darboties kā šūnas, kas enerģētiski aizvieto degošā fosilā kurināmā izmantošanu.

Ūdeņraža ražošana un izmantošana

- Elektrolīzē iegūto ūdeņradi var izmantot ķīmiskajā rūpniecībā, kas darbojas atkarības reakcijās, hidrogenēšanas procesos vai kā reducējoša viela redukcijas procesos.

-Tas ir svarīgi arī dažās komerciāli svarīgās darbībās, piemēram: sālsskābes, ūdeņraža peroksīda, hidroksilamīnu uc ražošanā. Tas ir iesaistīts amonjaka sintēzē, izmantojot katalītisko reakciju ar slāpekli.

-Kombinācijā ar skābekli tas rada liesmas ar augstu kaloriju saturu ar temperatūru no 3000 līdz 3500 K. Šīs temperatūras var izmantot griešanai un metināšanai metāla rūpniecībā, sintētisko kristālu augšanai, kvarca ražošanai utt. .

-Ūdens attīrīšana: pārmērīgi augstu nitrātu saturu ūdenī var samazināt, to izvadot bioreaktoros, kuros baktērijas kā enerģijas avotu izmanto ūdeņradi

-Ūdeņradis ir iesaistīts plastmasas, poliestera un neilona sintēzē. Turklāt tā ir daļa no stikla ražošanas, palielinot degšanu cepšanas laikā.

- Reaģē ar daudzu metālu, ieskaitot sudrabu, varu, svinu, bismutu un dzīvsudrabu, oksīdiem un hlorīdu, lai iegūtu tīrus metālus.

-Un papildus to izmanto kā degvielu hromatogrāfiskajā analīzē ar liesmas detektoru.

Kā atkļūdošanas metode

Peldbaseina ūdens attīrīšanai izmanto nātrija hlorīda šķīdumu elektrolīzi. Elektrolīzes laikā katodā veidojas ūdeņradis , bet anodā - hlors (Cl ₂ ). Elektrolīzi šajā gadījumā sauc par sāls hlorētāju.

Hlors izšķīst ūdenī, veidojot hipohlorskābi un nātrija hipohlorītu. Hipohlorskābe un nātrija hipohlorīts sterilizē ūdeni.

Kā skābekļa padeve

Ūdens elektrolīzi izmanto arī skābekļa radīšanai Starptautiskajā kosmosa stacijā, kas kalpo skābekļa atmosfēras uzturēšanai stacijā.

Ūdeņradi var izmantot kurināmā elementā, tas ir enerģijas uzkrāšanas paņēmiens, un astronautu vajadzībām izmantot šūnā izveidoto ūdeni.

Mājas eksperiments

Ūdens elektrolīzes eksperimenti veikti laboratorijas mērogos ar Hofmana voltmetriem vai citu kompleksu, kas ļauj saturēt visus nepieciešamos elektroķīmiskās šūnas elementus.

No visiem iespējamiem komplektiem un aprīkojuma visvienkāršākais var būt liels caurspīdīgs ūdens trauks, kas kalpos kā šūna. Bez tam jebkurai metālai vai elektrību vadošai virsmai jābūt arī uz rokas, lai tā darbotos kā elektrods; viens katodam, otrs anodam.

Šim nolūkam var būt noderīgi pat zīmuļi ar asiem grafīta padomiem abos galos. Un visbeidzot - maza baterija un daži kabeļi, kas to savieno ar improvizētajiem elektrodiem.

Ja to neveic caurspīdīgā traukā, tas nenovērtē gāzveida burbuļu veidošanos.

Mājas mainīgie

Lai arī ūdens elektrolīze ir tēma, kurā ir daudz intriģējošu un iedrošinošu aspektu tiem, kas meklē alternatīvus enerģijas avotus, mājas eksperiments var būt garlaicīgs bērniem un citiem apkārtējiem.

Tāpēc H ₂ un O ₂ veidošanās ģenerēšanai var izmantot pietiekamu spriegumu _, mainot noteiktus mainīgos lielumus un atzīmējot izmaiņas.

Pirmais ir ūdens pH variācija, izmantojot vai nu etiķi ūdens paskābināšanai, vai Na ₂ CO _3, lai to nedaudz paskābinātu. Jāmaina novēroto burbuļu skaits.

Turklāt to pašu eksperimentu varēja atkārtot ar karstu un aukstu ūdeni. Tādā veidā tiks apsvērta temperatūras ietekme uz reakciju.

Visbeidzot, lai datu apkopošana būtu nedaudz mazāk bezkrāsaina, varat izmantot ļoti atšķaidītu purpura kāpostu sulas šķīdumu. Šī sula ir dabiskas izcelsmes skābes bāzes indikators.

Pievienojot to traukam ar ievietotiem elektrodiem, tiks atzīmēts, ka pie anoda ūdens kļūs sārts (skābs), bet pie katoda krāsa būs dzeltena (pamata).

Atsauces

1. Wikipedia. (2018). Ūdens elektrolīze. Atgūts no: en.wikipedia.org
2. Čaplins M. (2018. gada 16. novembris). Ūdens elektrolīze. Ūdens struktūra un zinātne. Atgūts no: 1.lsbu.ac.uk
3. Energoefektivitāte un atjaunojamā enerģija. (sf). Ūdeņraža ražošana: elektrolīze. Atgūts no: energy.gov
4. Phys.org. (2018. gada 14. februāris). Augstas efektivitātes un zemu izmaksu katalizators ūdens elektrolīzei. Atgūts no: phys.org
5. Ķīmija LibreTexts. (2015. gada 18. jūnijs). Ūdens elektrolīze. Atgūts no: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. un S. Lewis N. (2016). Ūdens sadalīšanas elektrolīzes sistēmu principi un ieviešana. Karaliskā ķīmijas biedrība.
7. Minesotas Universitātes reģenti. (2018). Ūdens elektrolīze 2. Minesotas Universitāte. Atgūts no: chem.umn.edu