ELEKTROLÝZA VODY: POSTUP, TECHNIKY, NA ČO SLÚŽI - CHÉMIA - 2026

Elektrolýza vody je rozklad vody do svojich elementárnych zložiek pôsobením elektrického prúdu. Keď sa postupuje, vodíka a molekulárny kyslík, H ₂ a O ₂ , sú vytvorené na dvoch inertným povrchu . Tieto dva povrchy sú lepšie známe pod menom elektród.

Teoreticky, objem H ₂ vytvorený by mal byť dvojnásobkom objemu O ₂ . Prečo? Pretože molekula vody má pomer H / O rovný 2, to znamená dva H pre každý kyslík. Tento vzťah je priamo overená jeho chemický vzorec, H ₂ O. Avšak, mnoho experimentálnych faktory ovplyvňujú objemy získané.

Zdroj: Antti T. Nissinen cez Flickr

Ak sa elektrolýza vykonáva vo vnútri trubíc ponorených do vody (horný obrázok), spodná kolóna vody zodpovedá vodíku, pretože na povrch kvapaliny je vyvíjané väčšie množstvo plynu. Bubliny obklopujú elektródy a po prekonaní tlaku pary vo vode nakoniec stúpajú.

Všimnite si, že rúrky sú od seba oddelené takým spôsobom, že dochádza k nízkej migrácii plynov z jednej elektródy na druhú. V malom rozsahu to nepredstavuje bezprostredné riziko; ale na priemyselné váhy, plynná zmes H ₂ a O ₂ , je veľmi nebezpečné a výbušné.

Z tohto dôvodu sú elektrochemické články, v ktorých sa vykonáva elektrolýza vody, veľmi drahé; Potrebujú dizajn a prvky, ktoré zaručené, že plyny nikdy miešať, ziskový prívod prúdu, vysoké koncentrácie elektrolytov, špeciálne elektródy (elektrokatalyzátorů), a mechanizmy pre uloženie H ₂ vyrobeného.

Elektrokatalyzátory predstavujú trenie a súčasne krídla pre ziskovosť elektrolýzy vody. Niektoré pozostávajú z oxidov vzácnych kovov, ako sú platina a irídium, ktorých ceny sú veľmi vysoké. Práve v tomto bode výskumníci spájajú sily s cieľom navrhnúť efektívne, stabilné a lacné elektródy.

Dôvodom tohto úsilia je urýchliť tvorbu O ₂ , ktorý sa vyskytuje pri nižších v porovnaní s H ₂ . Toto spomalenie elektródou, kde sa tvorí O _2, má vo všeobecnosti za následok použitie oveľa vyššieho potenciálu, ako je potrebné (nadmerný potenciál); čo je rovnaké, s nižšou výkonnosťou a vyššími nákladmi.

Elektrolytická reakcia

Elektrolýza vody má mnoho zložitých aspektov. Jej základ sa však vo všeobecnosti opiera o jednoduchú globálnu reakciu:

2H ₂ O (l) => 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

Ako je vidieť z rovnice, jedná sa o dve molekuly vody: jedna musí byť obvykle redukovaná alebo získavať elektróny, zatiaľ čo druhá musí oxidovať alebo stratiť elektróny.

H ₂ je produkt redukcia vody, pretože zisk elektrónov podporuje, že H ⁺ protóny môžu viazať kovalentne, a že kyslík sa premení na OH ^- . Z tohto dôvodu, H ₂ je produkovaný v katóde, čo je elektróda, kde dochádza k redukcii.

Kým O ₂ pochádza z oxidácie vody, vďaka ktorej stráca elektróny, ktoré mu umožňujú viazať sa na vodík, a následne uvoľňuje H ⁺ protóny . O ₂ sa vyrába na anóde, elektródy, kde dochádza k oxidácii; Na rozdiel od ostatných elektród je pH okolo anódy kyslé a nie zásadité.

Polbunkové reakcie

Možno to zhrnúť s nasledujúcimi chemickými rovnicami pre polbunkové reakcie:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (katóda, základná)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (anóda, kyselina)

Voda však nemôže stratiť viac elektrónov (4e ^- ), ako zisky druhej molekuly vody na katóde (2e ^- ); preto sa prvá rovnica musí vynásobiť 2 a potom sa odpočíta druhou rovnicou, aby sa získala čistá rovnica:

2 (2 H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2 H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Ale 4H ⁺ a 4OH ^- forma 4H ₂ O, takže sa eliminujú štyri zo šiestich H ₂ O molekúl, odchádzajúci dva; výsledkom je práve načrtnutá globálna reakcia.

Reakcie polobuniek sa menia s hodnotami pH, technikami a tiež majú spojené redukčné alebo oxidačné potenciály, ktoré určujú, koľko prúdu je potrebné dodať, aby elektrolýza vody mohla prebiehať spontánne.

proces

Zdroj: Ivan Akira, z Wikimedia Commons

Na obrázku vyššie je zobrazený Hoffmanov voltameter. Valce sú naplnené vodou a vybrané elektrolyty cez strednú dýzu. Úlohou týchto elektrolytov je zvýšenie vodivosti vody, pretože za normálnych podmienok existuje len veľmi málo H ₃ O ⁺ a OH ióny ^- produkty ich vlastné ionizáciou.

Tieto dve elektródy sú obvykle vyrobené z platiny, hoci na obrázku boli nahradené uhlíkovými elektródami. Obidve sú spojené s batériou, s ktorou sa aplikuje potenciálny rozdiel (AP), ktorý podporuje oxidáciu vody (tvorba O ₂ ).

Elektróny cestovať celý obvod až do dosiahnutia druhej elektródy, kde sa voda vyhrá je cez a stáva H ₂ a OH ^- . V tomto bode už boli definované anódy a katódy, ktoré sa dajú rozlíšiť podľa výšky vodných stĺpcov; ten s najmenšou výška zodpovedá katódy, kde H ₂ je vytvorená .

V hornej časti valcov sú kľúče, ktoré umožňujú uvoľňovanie vznikajúcich plynov. Prítomnosť H ₂ môže byť starostlivo kontrolovať reakciou s plameňom, spaľovanie, ktorá produkuje plynné vody.

techniky

Elektrolýzy vody Postupy sa líšia v závislosti na množstve H ₂ a O ₂ , ktoré majú byť generované. Obidva plyny sú veľmi nebezpečné, ak sú zmiešané dohromady, a preto elektrolytické články vyžadujú zložité konštrukcie, aby sa minimalizovalo zvýšenie tlaku plynu a ich difúzia cez vodné médium.

Techniky sa tiež líšia v závislosti od článku, elektrolytu pridaného do vody a samotných elektród. Na druhej strane, niektorí znamenať, že sa reakcia uskutočňuje pri vyšších teplotách, zníženie spotreby elektrickej energie, a iní používajú obrovské tlaky udržať H ₂ uložený.

Medzi všetkými technikami možno uviesť tieto tri:

Elektrolýza alkalickou vodou

Elektrolýza sa uskutočňuje pomocou zásaditých roztokov alkalických kovov (KOH alebo NaOH). S touto technikou sa vyskytujú reakcie:

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

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

Ako je vidieť, tak na katóde, ako aj na anóde má voda zásadité pH; a okrem toho, OH ^- migrovať smerom k anóde, kde sa oxidujú na O ₂ .

Elektrolýza pomocou polymérnej elektrolytickej membrány

V tejto technike sa používa pevný polymér, ktorý slúži ako membrána, ktorá je priepustná pre H ⁺ , ale nepriepustná pre plyny. To zaisťuje vyššiu bezpečnosť pri elektrolýze.

Polbunkové reakcie v tomto prípade sú:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2 H ₂ (g)

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

H ⁺ ióny migrujú z anódy ku katóde, kde sa redukujú, aby sa stal H ₂ .

Elektrolýza tuhými oxidmi

Od ostatných techník sa tento oxid veľmi líši ako elektrolyty, ktoré pri vysokých teplotách (600 - 900 ° C) fungujú ako transportné médium pre O ^2- anión .

Reakcie sú:

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

2O ² => O ₂ (g) + 4e ^-

Všimnite si, že tentoraz sú to oxidové anióny, O ^2- , ktoré cestujú do anódy.

Na čo slúži elektrolýza vody?

Elektrolýza vody produkuje H ₂ (g) a O ₂ (g). Približne 5% plynného vodíka produkovaného vo svete sa vyrába elektrolýzou vody.

H ₂ je vedľajším produktom elektrolýzy vodného roztoku chloridu sodného. Prítomnosť soli uľahčuje elektrolýzu zvýšením elektrickej vodivosti vody.

Celková reakcia, ktorá prebieha, je:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Aby sme pochopili obrovský význam tejto reakcie, uvedieme niektoré použitia plynných produktov; Pretože na konci dňa to sú tie, ktoré poháňajú vývoj nových metód na dosiahnutie elektrolýzy vody efektívnejším a ekologickejším spôsobom.

Zo všetkých z nich je najžiadanejšie fungovať ako bunky, ktoré energeticky nahrádzajú použitie spaľovania fosílnych palív.

Výroba vodíka a jeho použitie

- Dusík vyrobený pri elektrolýze sa môže použiť v chemickom priemysle, ktorý pôsobí v reakciách závislostí, v hydrogenačných procesoch alebo ako redukčné činidlo v redukčných procesoch.

- Je tiež nevyhnutný pri niektorých činnostiach obchodného významu, ako napríklad: pri výrobe kyseliny chlorovodíkovej, peroxidu vodíka, hydroxylamínov atď. Podieľa sa na syntéze amoniaku katalytickou reakciou s dusíkom.

-V kombinácii s kyslíkom vytvára plamene s vysokým kalorickým obsahom, s teplotami medzi 3 000 a 3 500 K. Tieto teploty sa môžu použiť na rezanie a zváranie v kovopriemysle, na rast syntetických kryštálov, výrobu kremeňa atď. ,

- Úprava vody: Príliš vysoký obsah dusičnanov vo vode sa môže znížiť jeho elimináciou v bioreaktoroch, v ktorých baktérie využívajú vodík ako zdroj energie

-Hydrogen sa podieľa na syntéze plastov, polyesteru a nylonu. Okrem toho je súčasťou výroby skla, čo zvyšuje spaľovanie počas pečenia.

- Reaguje s oxidmi a chloridmi mnohých kovov, medzi nimi: striebro, meď, olovo, bizmut a ortuť za vzniku čistých kovov.

- Okrem toho sa používa ako palivo pri chromatografickej analýze s detektorom plameňa.

Ako metóda ladenia

Elektrolýza roztokov chloridu sodného sa používa na čistenie vody v bazéne. V priebehu elektrolýzy, vodík sa vyrába na katóde a chlór (Cl ₂ ) na anóde. Elektrolýza sa v tomto prípade označuje ako chlorid chlóru.

Chlór sa rozpúšťa vo vode za vzniku kyseliny chlórnej a chlórnanu sodného. Kyselina chlórna a chlórnan sodný sterilizujú vodu.

Ako zdroj kyslíka

Elektrolýza vody sa tiež používa na výrobu kyslíka na Medzinárodnej vesmírnej stanici, ktorá slúži na udržiavanie kyslíkovej atmosféry na stanici.

Vodík sa môže používať v palivových článkoch, spôsobe ukladania energie a využívať vodu, ktorá sa v bunke vytvára, na spotrebu astronautmi.

Domáci experiment

Experimenty na vodnú elektrolýzu sa uskutočňovali v laboratórnych mierkach s volfmetrom Hoffman alebo inou zostavou, ktorá umožňuje obsahovať všetky potrebné prvky elektrochemického článku.

Zo všetkých možných zostáv a zariadení môže byť najjednoduchším veľký priehľadný zásobník na vodu, ktorý bude slúžiť ako bunka. Okrem toho musí byť po ruke akýkoľvek kovový alebo elektricky vodivý povrch, aby fungoval ako elektróda; jedna pre katódu a druhá pre anódu.

Na tento účel môžu byť užitočné dokonca aj ceruzky s ostrými grafitovými špičkami na oboch koncoch. A nakoniec malá batéria a niekoľko káblov, ktoré ju spájajú s improvizovanými elektródami.

Pokiaľ sa nevykonáva v priehľadnej nádobe, tvorba plynných bublín by sa neocenila.

Domáce premenné

Aj keď elektrolýza vody je predmetom, ktorý obsahuje veľa zaujímavých a nádejných aspektov pre tých, ktorí hľadajú alternatívne zdroje energie, domáci experiment môže byť pre deti a ostatných okoloidúcich nudný.

Z tohto dôvodu dostatočné napätie môžu byť použité na generovanie tvorbu H ₂ a O _{2 od} striedavého určitej premennej a všímať zmeny.

Prvý z nich je zmena pH vody, za použitia buď ocot okysliť vodu, alebo Na ₂ CO ₃ ho mierne upraví na zásaditú. Musí sa vyskytnúť zmena počtu pozorovaných bublín.

Okrem toho sa ten istý experiment môže opakovať s horúcou a studenou vodou. Týmto spôsobom by sa potom uvažoval vplyv teploty na reakciu.

Nakoniec, aby sa zber údajov stal trochu menej bezfarebným, môžete použiť veľmi zriedený roztok fialovej kapusty. Táto šťava je indikátorom kyslej bázy prírodného pôvodu.

Po pridaní do nádoby so zasunutými elektródami je potrebné poznamenať, že na anóde voda zčervená (kyslá), zatiaľ čo na katóde bude žltá (zásaditá).

Referencie

1. Wikipedia. (2018). Elektrolýza vody. Obnovené z: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16. november 2018). Elektrolýza vody. Štruktúra a veda o vode. Získané z: 1.lsbu.ac.uk
3. Energetická účinnosť a obnoviteľná energia. (SF). Výroba vodíka: elektrolýza. Získané z: energy.gov
4. Phys.org. (14. februára 2018). Vysoko efektívny, lacný katalyzátor na elektrolýzu vody. Obnovené z: phys.org
5. Chémia LibreTexts. (18. júna 2015). Elektrolýza vody. Obnovené z: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. a S. Lewis N. (2016). Princípy a implementácia elektrolytických systémov na delenie vody. Kráľovská spoločnosť chémie.
7. Vladári univerzity v Minnesote. (2018). Elektrolýza vody 2. University of Minnesota. Získané z: chem.umn.edu