Postup elektrolýzy vody, techniky, co to je, domácí experiment

voda elektrolýza Jedná se o rozklad vody na její základní složky aplikací elektrického proudu. Při postupu se na dvou inertních površích tvoří vodík a molekulární kyslík₂ a O₂. Tyto dva povrchy jsou lépe známé podle názvu elektrod.

Teoreticky objem H₂ musí být dvojnásobek objemu O₂. Proč? Protože molekula vody má poměr H / O rovný 2, tj. Dvě H pro každý kyslík. Tento vztah se kontroluje přímo svým chemickým vzorcem H₂O. Ovšem získané experimenty ovlivňují mnoho experimentálních faktorů.

Pokud se elektrolýza provádí uvnitř trubek ponořených ve vodě (horní obraz), sloupec vody nižší výšky odpovídá vodíku, protože na povrchu kapaliny je vyvíjen větší tlak plynu. Bubliny obklopují elektrody a skončí stoupáním po vypršení tlaku páry.

Všimněte si, že trubky jsou od sebe odděleny takovým způsobem, že dochází k nízké migraci plynů z jedné elektrody na druhou. Při nízkém měřítku to nepředstavuje bezprostřední riziko; ale v průmyslových měřítcích plynná směs H₂ a O₂ Je to vysoce nebezpečné a výbušné.

Z tohoto důvodu jsou elektrochemické články, ve kterých se provádí elektrolýza vody, velmi nákladné; potřebují konstrukci a prvky, které zaručují, že plyny se nikdy nemíchají, zisková dodávka proudu, vysoké koncentrace elektrolytů, speciální elektrody (elektrokatalyzátory) a mechanismy pro ukládání H₂ vyrobeny.

Elektrokatalyzátory představují tření a zároveň křídla pro ziskovost elektrolýzy vody. Některé se skládají z oxidů ušlechtilých kovů, jako je platina a iridium, jejichž ceny jsou velmi vysoké. To je v tomto bodě zejména tam, kde výzkumníci spojují síly pro návrh účinných, stabilních a levných elektrod.

Důvodem tohoto úsilí je urychlení tvorby O₂, který je dán při nižších rychlostech ve srovnání s H₂. To zpomaluje elektrodou, kde se vytváří O₂ přináší jako obecný důsledek použití potenciálu mnohem většího, než je nutné (nadměrné); co je stejné, nižší výkon a vyšší náklady.

Index

• 1 Reakce elektrolýzy
  • 1.1 Reakce polovičních buněk
• 2 Postup
• 3 Techniky
  • 3.1 Elektrolýza s alkalickou vodou
  • 3.2 Elektrolýza s polymerní elektrolytickou membránou
  • 3.3 Elektrolýza s pevnými oxidy
• 4 Co je použití elektrolýzy vody??
  • 4.1 Výroba vodíku a jeho použití
  • 4.2 Jako metoda ladění
  • 4.3 Jako přívod kyslíku
• 5 Domácí experiment
  • 5.1 Domácí proměnné
• 6 Odkazy

Elektrolytická reakce

Elektrolýza vody zahrnuje mnoho složitých aspektů. Obecně však jeho základ spočívá v jednoduché globální reakci:

2H₂0 (l) => 2H₂(g) + O₂(g)

Jak je vidět v rovnici, dvě molekuly vody zasáhnou: jeden musí být obvykle redukován, nebo získat elektrony, zatímco druhý musí oxidovat nebo ztrácet elektrony.

H₂ To je produkt redukce vody, protože zisk elektronů podporuje protony H⁺ může být kovalentně vázán a kyslík přeměněn na OH^-. Proto H₂ nastává na katodě, což je elektroda, kde dochází k redukci.

Zatímco O₂ pochází z oxidace vody, protože ztrácí elektrony, které jí umožňují vázat se na vodík, a následně uvolňuje protony H⁺. O₂ vyskytuje se na anodě, kde dochází k oxidaci; a na rozdíl od jiné elektrody je pH kolem anody kyselé a ne bazické.

Reakce s polovičními buňkami

Výše uvedené lze shrnout s následujícími chemickými rovnicemi pro reakce s polovičními buňkami:

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

2H₂O => 0₂ + 4H⁺ + 4e^- (Anoda, kyselina)

Voda však nemůže ztratit více elektronů (4e)^-), na které druhá molekula vody vyhraje na katodě (2e)^-); proto první rovnice musí být vynásobena 2 a poté odečtena druhou rovnicí pro získání čisté rovnice:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^-)

2H₂O => 0₂ + 4H⁺ + 4e^-

6H₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

Ale 4H⁺ a 4OH^- tvoří 4H₂Nebo tak eliminují čtyři ze šesti molekul H₂Nebo dva; Výsledkem je právě globální reakce.

Reakce s polovičními buňkami se mění s hodnotami pH, technikami a také mají potenciál potenciálního snížení nebo oxidačního potenciálu, který určuje, kolik proudu musí být dodáno tak, aby elektrolýza vody probíhala spontánně.

Postup

Horní obrázek ukazuje Hoffmanův voltmetr. Válce jsou naplněny vodou a vybranými elektrolyty prostřední tryskou. Úlohou těchto elektrolytů je zvýšit vodivost vody, protože za normálních podmínek existuje jen velmi málo iontů H₃O⁺ a OH^- produktů vaší autoionizace.

Dvě elektrody jsou obvykle platina, ačkoli v obraze oni byli nahrazení uhlíkovými elektrodami. Oba jsou spojeny s baterií, se kterou je aplikován potenciálový rozdíl (ΔV), který podporuje oxidaci vody (tvorba O).₂).

Elektrony cestují celým obvodem, dokud nedosáhnete druhé elektrody, kde voda vyhraje a stane se H₂ a OH^-. V tomto bodě jsou anoda a katoda již definovány, což může být rozlišeno výškou vodních sloupců; ten menší výšky odpovídá katodě, kde se tvoří H₂.

V horní části válců je několik klíčů, které umožňují uvolňování vznikajících plynů. Můžete pečlivě zkontrolovat přítomnost H₂ Reagovat s plamenem, jehož spalování produkuje plynnou vodu.

Techniky

Techniky elektrolýzy vody se liší v závislosti na množství H₂ a O₂ který se navrhuje generovat. Oba plyny jsou velmi nebezpečné, pokud jsou smíchány dohromady, a proto elektrolytické články nesou složité návrhy, aby se minimalizoval nárůst plynných tlaků a jejich difúze vodním médiem..

Techniky také oscilují v závislosti na buňce, elektrolytu přidaném do vody a samotných elektrodách. Na druhé straně, někteří naznačují, že reakce se provádí při vyšších teplotách, snížení spotřeby elektřiny a jiní používají enormní tlaky na udržení H₂ uloženy.

Ze všech těchto technik lze zmínit následující tři:

Elektrolýza s alkalickou vodou

Elektrolýza se provádí zásaditými roztoky alkalických kovů (KOH nebo NaOH). Při této technice dochází k reakcím:

4H₂O (l) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(ac)

4OH^-(ac) => 0₂(g) + 2H₂O (l) + 4e^-

Jak je vidět, jak na katodě, tak na anodě má voda zásadité pH; a navíc OH^- migrují do anody, kde oxidují na O₂.

Elektrolýza s polymerní elektrolytickou membránou

V této technice se používá pevný polymer, který slouží jako propustná membrána pro H⁺, ale vodotěsné pro plyny. To zaručuje větší bezpečnost při elektrolýze.

Reakce polovičních buněk pro tento případ jsou:

4H⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(g)

2H₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

H ionty⁺ migrují z anody na katodu, kde jsou redukovány na H₂.

Elektrolýza s pevnými oxidy

Odlišuje se od jiných technik a používá oxidy jako elektrolyty, které při vysokých teplotách (600-900 ° C) fungují jako aniontové transportní médium.^2-.

Reakce jsou:

2H₂0 (g) + 4e^- => 2H₂(g) +20^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Všimněte si, že tentokrát jsou oxidové anionty, OR^2-, ti, kteří cestují do anody.

Co je použití elektrolýzy vody?

Elektrolýza vody produkuje H₂ (g) a O₂ (g) Přibližně 5% vodíku vyrobeného na světě je vyrobeno elektrolýzou vody.

H₂ je vedlejším produktem elektrolýzy vodných roztoků NaCl. Přítomnost soli usnadňuje elektrolýzu zvýšením elektrické vodivosti vody.

Globální reakce, ke které dochází, je:

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

Abychom pochopili obrovský význam této reakce, budou zmíněna některá použití plynných produktů; protože na konci dne to jsou ty, které podněcují vývoj nových metod pro účinnější a ekologičtější elektrolýzu vody.

Ze všech je nejžádanější sloužit jako buňky, které energeticky nahrazují spalování fosilních paliv.

Výroba vodíku a jeho využití

-Vodík vyrobený při elektrolýze může být použit v chemickém průmyslu působícím v závislostních reakcích, v hydrogenačních procesech nebo jako redukční činidlo při redukčních procesech..

-Rovněž je nezbytné v některých činnostech komerčního významu, jako jsou: výroba kyseliny chlorovodíkové, peroxid vodíku, hydroxylaminy atd. Podílí se na syntéze amoniaku katalytickou reakcí s dusíkem.

-V kombinaci s kyslíkem produkuje plameny s vysokým kalorickým obsahem, s teplotami mezi 3 000 a 3 500 K. Tyto teploty lze použít pro řezy a svary v kovopriemyslu, pro růst syntetických krystalů, výrobu křemene atd..

-Úprava vody: příliš vysoký obsah dusičnanů ve vodě může být snížen jejich eliminací v bioreaktorech, ve kterých bakterie využívají vodík jako zdroj energie

-Vodík zasahuje do syntézy plastů, polyesteru a nylonu. Kromě toho je součástí výroby skla, což zvyšuje spalování při pečení.

-Reaguje s oxidy a chloridy mnoha kovů, mezi které patří: stříbro, měď, olovo, vizmut a rtuť za vzniku čistých kovů.

-A navíc se používá jako palivo v chromatografických analýzách s detektorem plamene.

Jako metoda ladění

Elektrolýza roztoků chloridu sodného se používá k čištění vody v bazénu. Během elektrolýzy se v katodě a chloru vyrábí vodík (Cl₂) na anodě. Hovoříme o elektrolýze jako o chlorátoru soli.

Chlor se rozpouští ve vodě za vzniku kyseliny chlorné a chlornanu sodného. Kyselina chlorná a chlornan sodný sterilizují vodu.

Jako zdroj kyslíku

Elektrolýza vody se také používá k výrobě kyslíku v Mezinárodní kosmické stanici, která slouží k udržení kyslíkové atmosféry ve stanici.

Vodík může být používán v palivovém článku, metoda ukládání energie, a používat vodu, která je vytvořena v buňce pro spotřebu astronauty \ t.

Domácí experiment

Experimenty s elektrolýzou na vodě byly prováděny v laboratorních měřítcích Hoffmanovými voltmetry nebo jinou sestavou, která umožňuje obsáhnout všechny potřebné prvky elektrochemického článku..

Ze všech možných sestav a zařízení může být nejjednodušší velká průhledná nádoba na vodu, která bude sloužit jako buňka. Kromě toho byste měli mít po ruce jakýkoliv kovový nebo elektricky vodivý povrch, který bude fungovat jako elektrody; jedna pro katodu a druhá pro anodu.

Pro tento účel mohou být užitečné i tužky s grafitovými hroty na obou koncích. A konečně, malá baterie a některé kabely, které ji spojují s improvizovanými elektrodami.

Pokud to není provedeno v průhledné nádobě, nebylo možné ocenit tvorbu plynových bublin.

Domácí proměnné

Ačkoli elektrolýza vody je téma, která obsahuje mnoho zajímavých a nadějných aspektů pro ty, kteří hledají alternativní zdroje energie, domácí experiment může být nudný pro děti a jiné diváky..

Proto může být použito dostatečné napětí pro generování H₂ a O₂ střídání určitých proměnných a zaznamenávání změn.

První z nich je variace pH vody s použitím octa k okyselení vody nebo Na₂CO₃ mírně zalkalizovat. Musí se objevit změna množství pozorovaných bublinek.

Stejný experiment může být opakován se studenou a horkou vodou. Tímto způsobem by byl uvažován vliv teploty na reakci.

Konečně, aby se sběr dat o něco méně bezbarvé, můžete se uchýlit k velmi zředěný roztok fialové zelné šťávy. Tato šťáva je indikátorem přírodní kyseliny přírodního původu.

Přidáním do kontejneru se zavedenými elektrodami bude zaznamenáno, že na anodě se voda změní na růžovou (kyselina), zatímco na katodě bude zbarvení žluté (základní).

Odkazy

1. Wikipedia. (2018). Elektrolýza vody. Zdroj: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16. listopadu 2018). Elektrolýza vody. Vodní struktura a věda. Zdroj: 1.lsbu.ac.uk
3. Energetická účinnost a obnovitelná energie. (s.f.). Výroba vodíku: elektrolýza. Zdroj: energy.gov
4. Phys.org. (14. února 2018). Vysoce účinný nízkorozpočtový katalyzátor pro elektrolýzu vody. Zdroj: phys.org
5. Chemie LibreTexts. (18. června 2015). Elektrolýza vody. Zdroj: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. a S. Lewis N. (2016). Principy a realizace elektrolytických systémů pro dělení vody. Královská chemická společnost.
7. Vladaři z University of Minnesota. (2018). Elektrolýza vody 2. University of Minnesota. Zdroj: chem.umn.edu