Postupak elektrolize vode, tehnike, za što je to, kućni eksperiment

elektroliza vode to je razgradnja vode u njezine elementarne komponente primjenom električne struje. Kada se odvija, nastaju vodik i molekularni kisik na dvije inertne površine, H₂ i O₂. Ove dvije površine bolje su poznate po nazivu elektroda.

Teoretski, volumen H₂ formirani mora biti dvostruki volumen O₂. Zašto? Budući da molekula vode ima odnos H / O jednak 2, to jest, dva H za svaki kisik. Taj se odnos izravno provjerava kemijskom formulom, H₂O. Međutim, mnogi eksperimentalni čimbenici utječu na dobivene količine.

Ako se elektroliza provodi u cijevima potopljenim u vodi (gornja slika), stupac vode niže visine odgovara vodiku, jer postoji veća količina plina koji vrši pritisak na površinu tekućine. Mjehurići okružuju elektrode i na kraju rastu nakon što istječe tlak vodene pare.

Imajte na umu da su cijevi odvojene jedna od druge na takav način da postoji mala migracija plinova s ​​jedne elektrode na drugu. Na niskim razinama to ne predstavlja neposredni rizik; ali u industrijskim mjerilima, mješavina plina H₂ i O₂ Vrlo je opasan i eksplozivan.

Iz tog razloga, elektrokemijske stanice u kojima se provodi elektroliza vode su vrlo skupe; trebaju dizajn i elemente koji jamče da se plinovi nikada ne miješaju, profitabilna struja, visoke koncentracije elektrolita, specijalne elektrode (elektrokatalizatori) i mehanizmi za pohranjivanje₂ izrađen.

Elektrokatalizatori predstavljaju trenje i istodobno krila za profitabilnost elektrolize vode. Neki se sastoje od oksida plemenitih metala, kao što su platina i iridij, čije su cijene vrlo visoke. Upravo u ovom trenutku istraživači udružuju snage u osmišljavanju učinkovitih, stabilnih i jeftinih elektroda.

Razlog tim naporima je ubrzati formiranje O₂, koji je dan pri nižim brzinama u usporedbi s H₂. To usporava elektroda u kojoj se formira O₂ donosi kao opću posljedicu primjenu potencijala mnogo većeg nego što je potrebno (overpotential); ono što je isto, niže performanse i veći troškovi.

indeks

• 1 Reakcija elektrolize
  • 1.1 Reakcije polu-stanica
• 2 Postupak
• 3 Tehnike
  • 3.1 Elektroliza s alkalnom vodom
  • 3.2 Elektroliza s polimernom elektrolitičkom membranom
  • 3.3 Elektroliza s krutim oksidima
• 4 Koja je svrha elektrolize vode??
  • 4.1 Proizvodnja vodika i njegova uporaba
  • 4.2 Metoda otklanjanja pogrešaka
  • 4.3 Kao opskrba kisikom
• 5 Kućni eksperiment
  • 5.1 Početna varijable
• 6 Reference

Reakcija elektrolize

Elektroliza vode uključuje mnoge složene aspekte. Međutim, općenito govoreći, njegova je osnova u jednostavnoj globalnoj reakciji:

2H₂O (1) => 2H₂(g) + O₂(G)

Kao što je promatrano u jednadžbi, interveniraju dvije molekule vode: jedna se obično mora smanjiti ili dobiti elektrone, dok druga mora oksidirati ili izgubiti elektrone.

H₂ To je proizvod redukcije vode, jer dobit elektrona potiče protone H⁺ može se kovalentno vezati, a kisik transformirati u OH^-. Dakle, H₂ pojavljuje se na katodi, koja je elektroda u kojoj dolazi do redukcije.

Dok je O₂ dolazi iz oksidacije vode, jer gubi elektrone koji mu omogućuju da se veže na vodik, i posljedično oslobađa protone H⁺. O₂ pojavljuje se na anodi, elektrodi u kojoj dolazi do oksidacije; i za razliku od druge elektrode, pH oko anode je kiseli i nije bazičan.

Polu-stanične reakcije

Navedeno se može sažeti sljedećim kemijskim jednadžbama za reakcije polu-stanica:

2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^- (Katoda, osnovna)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^- (Anoda, kiselina)

Međutim, voda ne može izgubiti više elektrona (4e^-) od kojih druga molekula vode pobjeđuje na katodi (2e^-); stoga se prva jednadžba mora pomnožiti s 2, a zatim oduzeti drugom jednadžbom kako bi se dobila neto jednadžba:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^-)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^-

6H₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

Ali 4H⁺ i 4OH^- oni tvore 4H₂Ili, na taj način oni eliminiraju četiri od šest molekula H₂Ili ostaviti dva; i rezultat je upravo postavljena globalna reakcija.

Reakcije polu-ćelija mijenjaju se s pH vrijednostima, tehnikama i također imaju potencijalne redukcijske ili oksidacijske potencijale, koji određuju koliko struje treba dostaviti tako da se elektroliza vode odvija spontano.

proces

Gornja slika prikazuje Hoffmanov voltmetar. Bocice su napunjene vodom i odabranim elektrolitima kroz srednju mlaznicu. Uloga ovih elektrolita je povećanje vodljivosti vode, jer u normalnim uvjetima postoji vrlo malo H iona₃O⁺ i OH^- proizvoda vaše auto ionizacije.

Dvije elektrode su obično platina, iako su na slici zamijenjene ugljičnim elektrodama. Oba su spojena na bateriju s kojom se primjenjuje razlika potencijala (ΔV) koja potiče oksidaciju vode (formiranje O).₂).

Elektroni putuju kroz cijeli krug dok ne dođete do druge elektrode, gdje voda pobjeđuje i postaje H₂ i OH^-. U tom trenutku anoda i katoda su već definirani, što se može razlikovati po visini vodenih stupova; onaj manjih visina odgovara katodi, gdje se formira H₂.

U gornjem dijelu cilindara nalaze se neke tipke koje omogućuju oslobađanje nastalih plinova. Pažljivo možete provjeriti prisutnost H₂ reagira s plamenom, čije izgaranje proizvodi plinovitu vodu.

tehnike

Tehnike elektrolize vode variraju ovisno o količini H₂ i O₂ koji se predlaže za generiranje. Oba plina su vrlo opasna ako se međusobno pomiješaju i zato elektrolitičke ćelije nose složene konstrukcije kako bi se smanjilo povećanje tlaka plina i njihova difuzija kroz vodeni medij..

Također, tehnike osciliraju ovisno o ćeliji, elektrolitu dodanom u vodu i samim elektrodama. S druge strane, neki impliciraju da se reakcija provodi na višim temperaturama, smanjujući potrošnju električne energije, a drugi koriste ogromne pritiske za održavanje H₂ uskladišten.

Od svih tehnika mogu se spomenuti sljedeća tri:

Elektroliza s alkalnom vodom

Elektroliza se provodi s bazičnim otopinama alkalnih metala (KOH ili NaOH). S ovom tehnikom javljaju se reakcije:

4H₂O (1) + 4e^- = 2H₂(g) + 4OH^-(Aq)

4OH^-(ac) => O₂(g) + 2H₂O (1) + 4e^-

Kao što se može vidjeti, na katodi i na anodi, voda ima bazični pH; i dodatno, OH^- migrirati do anode gdje se oksidiraju do O₂.

Elektroliza s polimernom elektrolitskom membranom

U ovoj tehnici koristi se čvrsti polimer koji služi kao propusna membrana za H⁺, ali vodootporan za plinove. To jamči veću sigurnost tijekom elektrolize.

Reakcije polu-stanica u ovom slučaju su:

4H⁺(ac) + 4e^- = 2H₂(G)

2H₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

Hjoni⁺ migriraju od anode do katode, gdje se reduciraju da postanu H₂.

Elektroliza s krutim oksidima

Vrlo različita od ostalih tehnika, ona koristi okside kao elektrolite, koji pri visokim temperaturama (600-900ºC) funkcioniraju kao anionski transportni medij.^2-.

Reakcije su:

2H₂O (g) + 4e^- = 2H₂(g) + 20^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Imajte na umu da su ovo vrijeme oksidni anioni, OR^2-, oni koji putuju do anode.

Što je korištenje elektrolize vode?

Elektroliza vode proizvodi H₂ (g) i O₂ (G). Približno 5% plina vodika proizvedenog u svijetu proizvodi se elektrolizom vode.

H₂ to je nusprodukt elektrolize vodenih otopina NaCl. Prisutnost soli olakšava elektrolizu povećanjem električne vodljivosti vode.

Globalna reakcija koja se odvija je:

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

Kako bi se shvatila ogromna važnost ove reakcije, spomenut će se neke uporabe plinovitih proizvoda; jer na kraju krajeva, to su oni koji pokreću razvoj novih metoda za postizanje elektrolize vode na učinkovitiji i zeleniji način.

Od svih njih, najpoželjnija je služiti kao stanice koje energično zamjenjuju spaljivanje fosilnih goriva.

Proizvodnja vodika i njegova uporaba

-Vodik proizveden u elektrolizi može se koristiti u kemijskoj industriji u reakcijama ovisnosti, u postupcima hidrogenacije ili kao redukcijsko sredstvo u procesima redukcije.

-Također, bitno je u nekim radnjama od komercijalnog značaja, kao što su: proizvodnja klorovodične kiseline, vodikovog peroksida, hidroksilamina, itd. Uključen u sintezu amonijaka katalitičkom reakcijom s dušikom.

-U kombinaciji s kisikom, proizvodi plamenove visokog kaloričnog sadržaja, s temperaturama u rasponu od 3.000 do 3.500 K. Te se temperature mogu koristiti za rezanje i zavarivanje u metalnoj industriji, za rastove sintetičkih kristala, proizvodnju kvarca itd..

-Pročišćavanje vode: previsok sadržaj nitrata u vodi može se smanjiti njihovom eliminacijom u bioreaktorima, u kojima bakterije koriste vodik kao izvor energije

-Vodik intervenira u sintezi plastike, poliestera i najlona. Osim toga, to je dio proizvodnje stakla, što povećava izgaranje tijekom pečenja.

-Reagira s oksidima i kloridima mnogih metala, među kojima su: srebro, bakar, olovo, bizmut i živa za proizvodnju čistih metala.

-Dodatno se koristi kao gorivo u kromatografskim analizama s detektorom plamena.

Kao metoda za ispravljanje pogrešaka

Elektroliza otopina natrijevog klorida koristi se za pročišćavanje vode u bazenu. Tijekom elektrolize u katodi i kloru se proizvodi vodik (Cl₂) na anodi. U ovom se slučaju govori o elektrolizi kao klorinator soli.

Klor se otapa u vodi stvarajući hipokloričnu kiselinu i natrijev hipoklorit. Hlorovodična kiselina i natrijev hipoklorit steriliziraju vodu.

Kao opskrba kisikom

Elektroliza vode također se koristi za stvaranje kisika u Međunarodnoj svemirskoj stanici, koja služi za održavanje atmosfere kisika u stanici.

Vodik se može koristiti u gorivoj ćeliji, metoda za pohranjivanje energije i korištenje vode koja se stvara u ćeliji za potrošnju astronauta.

Početni eksperiment

Eksperimenti elektrolize vode provedeni su na laboratorijskim vagama s Hoffmanovim voltmetrima, ili drugim sklopom koji omogućava da se sadrže svi potrebni elementi elektrokemijske ćelije.

Od svih mogućih sklopova i opreme, najjednostavnije može biti veliki prozirni spremnik za vodu, koji će poslužiti kao ćelija. Uz to, trebali biste također imati pri ruci bilo koju metalnu ili električno vodljivu površinu koja će funkcionirati kao elektrode; jedan za katodu, a drugi za anodu.

U tu svrhu mogu biti korisne čak i olovke s grafitnim točkama naoštrenim na oba kraja. I na kraju, mala baterija i kabeli koji ga povezuju s improviziranim elektrodama.

Ako to nije učinjeno u prozirnom spremniku, stvaranje mjehurića plina nije se moglo cijeniti.

Početna varijable

Iako je elektroliza vode tema koja sadrži mnoge intrigantne aspekte za one koji traže alternativne izvore energije, kućni eksperiment može biti dosadan djeci i drugim gledateljima..

Zbog toga se može primijeniti dovoljan napon za stvaranje H formacije₂ i O₂ izmjenjujući određene varijable i primjećujući promjene.

Prva je varijacija pH vode, korištenjem octa za zakiseljavanje vode, ili Na₂CO₃ lagano ga zasiti. Mora doći do promjene u količini promatranih mjehurića.

Osim toga, isti eksperiment se može ponoviti s hladnom i toplom vodom. Na taj se način razmatra učinak temperature na reakciju.

Konačno, kako bi se prikupljanje podataka učinilo nešto manje bezbojnim, možete upotrijebiti vrlo razrijeđenu otopinu soka ljubičastog kupusa. Ovaj sok je osnovni kiselinski pokazatelj prirodnog podrijetla.

Dodavanjem u posudu s uvedenim elektrodama, uočit će se da će na anodi voda postati ružičasta (kiselina), dok će na katodi boja biti žuta (osnovna).

reference

1. Wikipedia. (2018.). Elektroliza vode. Preuzeto s: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16. studenog 2018.). Elektroliza vode. Struktura vode i znanost. Preuzeto s: 1.lsbu.ac.uk
3. Energetska učinkovitost i obnovljiva energija. (N. D.). Proizvodnja vodika: elektroliza. Preuzeto s: energy.gov
4. Phys.org. (14. veljače 2018.). Visokoučinkovit, jeftin katalizator za elektrolizu vode. Preuzeto s: phys.org
5. Kemija LibreTexts. (18. lipnja 2015.) Elektroliza vode. Preuzeto s: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K., i S. Lewis N. (2016). Principi i implementacije sustava elektrolize za cijepanje vode. Kraljevsko kemijsko društvo.
7. Regenti Sveučilišta u Minnesoti. (2018.). Elektroliza vode 2. Sveučilište u Minnesoti. Preuzeto s: chem.umn.edu