Vandens elektrolizės procedūra, metodai, kas tai yra, namų eksperimentas

The vandens elektrolizė tai yra vandens skilimas į elementarius komponentus, naudojant elektrinę srovę. Vykdant vandenį ir molekulinį deguonį susidaro du inertiniai paviršiai, H₂ ir O₂. Šie du paviršiai geriau žinomi pagal elektrodų pavadinimą.

Teoriškai H tūris₂ turi būti dvigubas tūris O₂. Kodėl? Kadangi vandens molekulės H / O santykis yra lygus 2, ty du H kiekvienam deguoniui. Šis ryšys yra tiesiogiai tikrinamas su chemine formule, H₂O. Tačiau gautas tūris turi įtakos daugeliui eksperimentinių veiksnių.

Jei elektrolizė atliekama vamzdžiais, panardintuose vandenyje (viršutinis vaizdas), mažesnio aukščio vandens kolonėlė atitinka vandenilį, nes yra didesnis dujų kiekis, darantis slėgį skysčio paviršiui. Burbulai supa elektrodus ir baigiasi, kai baigiasi vandens garų slėgis.

Atkreipkite dėmesį, kad vamzdžiai yra atskirti vienas nuo kito taip, kad iš vieno elektrodo į kitą patenka mažai dujų. Mažomis svarstyklėmis tai nėra neišvengiama rizika; bet pramonės svarstyklėse - H mišinio mišinys₂ ir O₂ Tai labai pavojinga ir sprogi.

Dėl šios priežasties elektrocheminės ląstelės, kuriose atliekama elektrolizė, yra labai brangios; jiems reikalingas dizainas ir elementai, kurie garantuoja, kad dujos niekada nesimaišys, yra pelningas srovės tiekimas, didelės elektrolitų koncentracijos, specialūs elektrodai (elektrokatalizatoriai) ir mechanizmai H laikymui.₂ pagamintas.

Elektrokatalizatoriai yra trinties ir tuo pačiu metu vandens elektrolizės pelningumo sparnai. Kai kurie susideda iš tauriųjų metalų, pvz., Platinos ir iridžio, oksidų, kurių kainos yra labai didelės. Būtent šiuo metu mokslininkai sujungia jėgas, kad sukurtų efektyvius, stabilius ir pigius elektrodus.

Šių pastangų priežastis yra paspartinti O₂, kuris yra pateikiamas mažesniu greičiu, lyginant su H₂. Tai lėtėja elektrodas, kur susidaro O₂ tai iš esmės sukelia daug didesnį nei būtina (potencialus) potencialo taikymą; tas pats, mažesni rezultatai ir didesnės išlaidos.

Indeksas

• 1 Elektrolizės reakcija
  • 1.1. Pusiau ląstelių reakcijos
• 2 Procedūra
• 3 Technika
  • 3.1 Elektrolizė šarminiu vandeniu
  • 3.2 Elektrolizė su polimerine elektrolitine membrana
  • 3.3 Elektrolizė su kietaisiais oksidais
• 4 Kas yra vandens elektrolizės naudojimas??
  • 4.1 Vandenilio gamyba ir jo panaudojimas
  • 4.2 Kaip derinimo metodas
  • 4.3 Kaip deguonies tiekimas
• 5 Pagrindinis eksperimentas
  • 5.1 Namų kintamieji
• 6 Nuorodos

Elektrolizės reakcija

Vandens elektrolizė apima daug sudėtingų aspektų. Tačiau apskritai jos pagrindas yra paprasta visuotinė reakcija:

2H₂O (l) => 2H₂(g) + O₂(g)

Kaip pastebėta lygtyje, dvi vandens molekulės įsikiša: vienas paprastai turi būti sumažintas arba įgyti elektronų, o kitas turi oksiduoti arba prarasti elektronus.

H₂ Tai yra vandens mažinimo produktas, nes elektronų pelnas skatina protonus H⁺ gali būti kovalentiškai surištas ir deguonis transformuojamas į OH^-. Todėl H₂ pasireiškia katode, kuris yra elektrodas, kur sumažėja.

O O₂ ateina iš vandens oksidacijos, nes praranda elektronus, leidžiančius jai prisijungti prie vandenilio, ir todėl išleidžia protonus H⁺. O₂ atsiranda anode - elektrode, kur vyksta oksidacija; ir, skirtingai nuo kito elektrodo, pH aplink anodą yra rūgštus, o ne bazinis.

Pusiau ląstelių reakcijos

Pirmiau pateiktą informaciją galima apibendrinti su tokiomis pusiau ląstelių reakcijų cheminėmis lygtimis:

2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^- (Katodas, pagrindinis)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^- (Anodas, rūgštis)

Tačiau vanduo negali prarasti daugiau elektronų (4e^-), kurių kitos vandens molekulės laimi katodu (2e^-); todėl pirmoji lygtis turi būti padauginta iš 2, o po to atėmus antrąją lygtį, gaunama grynoji lygtis:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^-)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^-

6H₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

Bet 4H⁺ ir 4OH^- jie sudaro 4H₂Arba taip pašalinkite keturis iš šešių H molekulių₂Arba paliekant du; ir rezultatas yra tik pasaulinė reakcija.

Pusiau ląstelių reakcijos keičiasi su pH reikšmėmis, metodais, taip pat turi potencialų sumažinimo ar oksidacijos potencialą, kuris lemia, kiek srovės reikia tiekti, kad vandens elektrolizė spontaniškai vyktų..

Procedūra

Viršutiniame paveikslėlyje rodomas Hoffman voltmetras. Balionai pripildomi vandeniu ir pasirinktais elektrolitais per vidurinį antgalį. Šių elektrolitų vaidmuo yra padidinti vandens laidumą, nes normaliomis sąlygomis yra labai nedaug H jonų₃O⁺ ir OH^- jūsų automatinio jonizavimo produktai.

Du elektrodai paprastai yra platina, nors vaizde jie buvo pakeisti anglies elektrodais. Abu yra prijungti prie baterijos, su kuria yra naudojamas potencialus skirtumas (ΔV), skatinantis vandens oksidaciją (O formavimas).₂).

Elektronai važiuoja visą grandinę, kol pasieksite kitą elektrodą, kur vanduo laimi ir tampa H₂ ir OH^-. Šiuo metu anodas ir katodas jau yra apibrėžti, kurie gali būti diferencijuojami pagal vandens kolonų aukštį; mažesnio aukščio, atitinka katodą, kur susidaro H₂.

Viršutinėje cilindrų dalyje yra keletas raktų, leidžiančių išskirti susidarančias dujas. Atsargiai galite patikrinti H buvimą₂ kad jis reaguotų su liepsna, kurios degimas duoda dujinį vandenį.

Technika

Vandens elektrolizės metodai skiriasi priklausomai nuo H kiekio₂ ir O₂ siūloma sukurti. Abi dujos yra labai pavojingos, jei jos yra sumaišytos, todėl elektrolitinėse ląstelėse yra sudėtingų konstrukcijų, siekiant sumažinti dujų slėgio padidėjimą ir jų sklaidą per vandeninę terpę..

Be to, metodai svyruoja priklausomai nuo ląstelės, elektrolito, pridėto prie vandens, ir patys elektrodai. Kita vertus, kai kurie rodo, kad reakcija vykdoma aukštesnėje temperatūroje, mažinant elektros energijos suvartojimą, o kiti naudoja didžiulį spaudimą, kad išlaikytų H₂ saugomi.

Tarp visų būdų gali būti paminėti trys:

Elektrolizė šarminiu vandeniu

Elektrolizė atliekama šarminių metalų (KOH arba NaOH) baziniais tirpalais. Naudojant šią techniką, pasireiškia reakcijos:

4H₂O (l) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(ac)

4OH^-(ac) => O₂(g) + 2H₂O (l) + 4e^-

Kaip matyti, tiek katode, tiek anode vanduo turi bazinį pH; be to, OH^- migruoti į anodą, kur jie oksiduojasi į O₂.

Elektrolizė su polimerine elektrolitine membrana

Šiuo metodu naudojamas kietas polimeras, kuris tarnauja kaip H laidinė membrana⁺, bet vandeniui atsparus dujoms. Tai garantuoja didesnį saugumą elektrolizės metu.

Šiuo atveju pusės ląstelių reakcijos yra:

4H⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(g)

2H₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

H jonai⁺ jie migruoja iš anodo į katodą, kur jie sumažėja, kad jie taptų H₂.

Elektrolizė su kietaisiais oksidais

Labai skiriasi nuo kitų metodų, ji naudoja oksidus kaip elektrolitus, kurie aukštoje temperatūroje (600–900 ° C) veikia kaip anijoninės transporto terpė.^2-.

Reakcijos yra:

2H₂O (g) + 4e^- => 2H₂(g) + 2O^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Atkreipkite dėmesį, kad šį kartą yra oksido anijonai, OR^2-, tie, kurie keliauja į anodą.

Kas yra vandens elektrolizės naudojimas?

Vandens elektrolizė gamina H₂ (g) ir O₂ (g) Maždaug 5% pasaulyje pagamintos vandenilio dujos gaminamos elektrolizuojant vandenį.

H₂ jis yra šalutinis NaCl tirpalų elektrolizės produktas. Druskos buvimas palengvina elektrolizę didinant vandens elektros laidumą.

Pasaulinė reakcija yra:

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

Norint suprasti didžiulę šios reakcijos svarbą, bus paminėti kai kurie dujinių produktų naudojimo būdai; nes dienos pabaigoje tai yra tie, kurie skatina kurti naujus metodus, kaip efektyviau ir žaliau pasiekti vandens elektrolizę.

Iš visų iš jų labiausiai pageidaujama yra kaip ląstelės, kurios energingai pakeičia deginamojo iškastinio kuro naudojimą.

Vandenilio gamyba ir jo panaudojimas

-Vandenilis, gautas elektrolizės metu, gali būti naudojamas chemijos pramonėje, veikiančioje priklausomybės reakcijose, hidrinimo procesuose arba redukuojančiuose veiksmuose redukcijos procesuose..

-Be to, kai kuriuose komercinės svarbos veiksmuose labai svarbu, pavyzdžiui: druskos rūgšties, vandenilio peroksido, hidroksilaminų ir kt. Gamyba. Dalyvauja amoniako sintezėje kataliziškai reaguojant su azotu.

-Kartu su deguonimi jis gamina aukštą kaloringumo liepsną, kurios temperatūra yra nuo 3 000 iki 3500 K. Šios temperatūros gali būti naudojamos metalo pramonės gabalams ir suvirinimui, sintetinių kristalų augimui, kvarco gamybai ir kt..

-Vandens valymas: pernelyg didelis nitratų kiekis vandenyje gali būti sumažintas dėl jų pašalinimo bioreaktoriuose, kuriuose bakterijos naudoja vandenį kaip energijos šaltinį

-Vandenilis įsikiša į plastikų, poliesterio ir nailono sintezę. Be to, jis yra stiklo gamybos dalis, didinant deginimą kepimo metu.

-Reaguoja su daugelio metalų oksidais ir chloridu, tarp jų: ​​sidabras, varis, švinas, bismutas ir gyvsidabris, gaminant grynus metalus.

-Be to, jis naudojamas kaip degalai chromatografinėse analizėse su liepsnos detektoriumi.

Kaip derinimo metodas

Natrio chlorido tirpalų elektrolizė naudojama baseino vandens valymui. Elektrolizės metu katodas ir chloras gamina vandenilį (Cl₂) prie anodo. Šiuo atveju kalbama apie elektrolizę kaip druskos chlorinatorių.

Chloras tirpsta vandenyje, formuojant hipochlorinę rūgštį ir natrio hipochloritą. Hloro rūgštis ir natrio hipochloritas sterilizuoja vandenį.

Kaip deguonies tiekimas

Vandens elektrolizė taip pat naudojama gaminant deguonį Tarptautinėje kosminėje stotyje, kuri padeda išlaikyti deguonies atmosferą stotyje.

Vandenilis gali būti naudojamas kuro elementuose, energijos kaupimo metodu ir naudoti vandenyje, kuris yra generuojamas ląstelėje vartoti astronautus.

Pagrindinis eksperimentas

Vandens elektrolizės eksperimentai buvo atlikti laboratorijos skalėse su Hoffman voltmetrais arba kitais įrenginiais, leidžiančiais turėti visus būtinus elektrocheminio elemento elementus.

Iš visų galimų agregatų ir įrenginių paprasčiausias gali būti didelis skaidrus vandens indas, kuris bus naudojamas kaip ląstelė. Be to, jūs turėtumėte turėti bet kokį metalą arba elektrą laidų paviršių, kuris veiktų kaip elektrodai; vienas katodui, o kitas - anodui.

Šiuo tikslu gali būti naudingi net abiejuose galuose suapvalinti pieštukai su grafito taškais. Ir galiausiai, maža baterija ir kai kurie kabeliai, sujungti juos su improvizuotais elektrodais.

Jei tai nebuvo padaryta permatomame inde, dujų burbuliukų susidarymas nebuvo vertinamas.

Pagrindinis kintamieji

Nors vandens elektrolizė yra dalykas, kuriame yra daug intriguojančių ir vilčių gavusių asmenų tiems, kurie ieško alternatyvių energijos šaltinių, namų eksperimentas gali būti nuobodu vaikams ir kitiems žiūrovams..

Todėl galima sukurti pakankamą įtampą H formavimui generuoti₂ ir O₂ keičiant tam tikrus kintamuosius ir pastebėdami pokyčius.

Pirmasis yra vandens pH kitimas, naudojant vandenį arba acto rūgštinimą, arba Na₂CO₃ jį šiek tiek pagreitinti. Turi būti stebimas stebimų burbuliukų kiekis.

Be to, tą patį eksperimentą galima pakartoti su šaltu ir karštu vandeniu. Tokiu būdu būtų svarstomas temperatūros poveikis reakcijai.

Galiausiai, kad duomenų rinkimas būtų šiek tiek mažiau bespalvis, galite pasinaudoti labai atskiestu purpurinių kopūstų sulčių tirpalu. Ši sultys yra natūralios kilmės rūgšties indikatorius.

Įdėjus jį į konteinerį su įvestais elektrodais, pastebėsite, kad anodui vanduo pasidarys rožinis (rūgštis), o katodo metu spalvos bus geltonos (pagrindinės)..

Nuorodos

1. Vikipedija. (2018). Vandens elektrolizė. Gauta iš: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (2018 m. Lapkričio 16 d.). Vandens elektrolizė. Vandens struktūra ir mokslas. Gauta iš: 1.lsbu.ac.uk
3. Energijos efektyvumas ir atsinaujinanti energija. (s.f.). Vandenilio gamyba: elektrolizė. Gauta iš: energy.gov
4. Phys.org. (2018 m. Vasario 14 d.). Didelio efektyvumo, pigių elektrolizės katalizatorius. Gauta iš: phys.org
5. Chemija LibreTexts. (2015 m. Birželio 18 d.). Vandens elektrolizė. Gauta iš: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. ir S. Lewis N. (2016). Vandens skaldymo elektrolizės sistemų principai ir diegimas. Karališkoji chemijos draugija.
7. Minesotos universiteto valdovai. (2018). Vandens elektrolizė 2. Minesotos universitetas. Gauta iš: chem.umn.edu