Elektroliza vode je postopek, pri katerem se skozi vodo spusti električni tok, s katerim se molekule vode ločijo na njuni osnovni sestavini: vodik in kisik. Ta postopek se izvaja v napravi, imenovani elektrolitska celica, ki vsebuje dve elektrodi (eno pozitivno in eno negativno) in električno prevodno raztopino, vodo. Uporaba električnega toka povzroči razgradnjo vode, pri čemer se na negativni elektrodi sprosti vodik, na pozitivni elektrodi pa kisik.
Elektroliza vode je pomembna tehnika za proizvodnjo čistih plinov, kot je vodik, ki se lahko uporablja kot gorivo v gorivnih celicah in industrijskih procesih. Poleg tega se kisik, ki nastane z elektrolizo vode, lahko uporablja tudi v industrijskih procesih in medicinskih aplikacijah, kot je kisikova terapija za bolnike z dihalnimi težavami. Elektroliza vode je tudi trajnosten postopek, saj ne ustvarja onesnaževal in kot surovini uporablja le vodo in elektriko.
Kakšna je uporaba elektrolize vode?
Elektroliza vode je kemični postopek, pri katerem se voda s pomočjo električnega toka razgradi na njene sestavne elemente, vodik in kisik. Ta postopek se lahko izvaja na različne načine z uporabo različnih tehnik in opreme.
Glavna uporaba elektrolize vode je pridobivanje vodik e kisika čisti vodik, ki se lahko uporablja v različnih industrijskih in komercialnih aplikacijah. Vodik je na primer čisto in obnovljivo gorivo, ki se lahko uporablja v gorivnih celicah za proizvodnjo električne energije in predstavlja trajnostno alternativo fosilnim gorivom.
Poleg tega se elektroliza vode uporablja tudi pri proizvodnji industrijskih plinov, čiščenju kovin in sintezi različnih kemičnih spojin. Postopek je mogoče izvajati učinkovito in ekonomično, kar prispeva k zmanjšanju vplivov na okolje in razvoju bolj trajnostnih tehnologij.
V tem kratkem pojasnjevalnem vodniku boste razumeli definicijo in delovanje elektrolize.
Elektroliza vode: postopek, tehnike, čemu služi.
Elektroliza je kemijski proces, pri katerem se za sprožitev kemične reakcije uporablja prehod električnega toka. Pri elektrolizi vode je voda izpostavljena električnemu toku, ki jo razdeli na sestavne elemente: vodik in kisik.
Postopek elektrolize vode vključuje uporabo naprave, imenovane elektrolitska celica, ki vsebuje dve elektrodi in elektrolit. Elektrode so priključene na električni vir, kot je baterija, in potopljene v vodo. Ko skozi vodo teče električni tok, pride do kemičnih reakcij, ki povzročijo sproščanje vodika na negativni elektrodi in kisika na pozitivni elektrodi.
Elektroliza vode je pomembna tehnika v industriji, ki se uporablja za proizvodnjo vodika in kisika za različne namene, vključno s kemično proizvodnjo, proizvodnjo energije in čiščenjem odpadne vode. Poleg tega je elektroliza vode trajnosten način za pridobivanje vodika, čistega goriva, ki se lahko uporablja v vozilih in gorivnih celicah.
Glavne uporabe elektrolize: uporaba in prednosti elektrokemijske tehnike.
Elektroliza je elektrokemični proces, pri katerem se snovi razgrajujejo s prehodom električnega toka. Ena glavnih uporab elektrolize je pridobivanje čistih kovin iz njihovih spojin, na primer pridobivanje aluminija iz boksita.
Poleg tega se elektroliza pogosto uporablja pri čiščenju kovin, pri proizvodnji plinov, kot sta vodik in kisik, pri galvanizaciji kovin za zaščito pred korozijo, pri proizvodnji industrijskih kemičnih spojin in drugih.
Ena od prednosti elektrolize je sposobnost pridobivanja čistih snovi z visoko učinkovitostjo, brez potrebe po zapletenih kemijskih procesih. Poleg tega je elektroliza vsestranska tehnika, ki se lahko uporablja v različnih industrijskih sektorjih.
Elektroliza vode: postopek, tehnike, čemu služi.
Elektroliza vode je postopek, pri katerem se voda s pomočjo električnega toka razgradi na sestavni deli, vodik in kisik. Ta postopek se uporablja za proizvodnjo plinov za različne namene, kot so kemična industrija, proizvodnja eksplozivov, proizvodnja goriv in drugo.
Za izvedbo elektrolize vode je potrebno uporabiti vir električnega toka, dve elektrodi (običajno platinasti ali grafitni), potopljeni v vodo, in elektrolit, ki ga je mogoče dodati za povečanje prevodnosti raztopine.
Produkti, ki nastanejo na elektrodah med elektrolizo vode.
Pri elektrolizi vode, kemičnem procesu, pri katerem se voda razgradi na osnovne sestavine, na elektrodah nastajajo različni produkti. Voda je spojina, sestavljena iz dveh atomov vodika in enega atoma kisika, med elektrolizo pa se razdeli na vodik in kisik.
Ne negativna elektroda, imenovani tudi katoda, se voda reducira, kar povzroči nastanek vodikovega plina. Ta plin se sprošča v obliki mehurčkov in ga je mogoče zbirati za različne namene, na primer v kemični industriji ali proizvodnji energije.
že v pozitivna elektroda, znani tudi kot anoda, pride do oksidacije vode, kar povzroči nastanek kisika. Tako kot vodik se lahko tudi kisik zbira in uporablja v različnih industrijskih procesih, kot je proizvodnja kemikalij.
Elektroliza vode je pomemben postopek tako z izobraževalnega vidika, saj omogoča boljše razumevanje kemijskih procesov, ki se dogajajo v naravi, kot tudi s praktičnega vidika, saj se lahko nastale produkte uporablja na različne načine. Poleg tega je elektroliza vode trajnosten postopek, saj ne ustvarja onesnažujočih odpadkov.
Elektroliza vode: postopek, tehnike, čemu služi
Elektroliza Razgradnja vode je razgradnja vode na njene elementarne sestavine z uporabo električnega toka. Za to se uporablja vodik in molekularni kisik, H₂ 2 e O 2 Ti dve površini sta bolj znani pod imenom elektrode.
Teoretično je volumen H 2 nastali volumen mora biti dvakrat večji od O 2 Ker ima molekula vode razmerje H/O enako 2, torej dva H za vsak kisik. To razmerje je neposredno potrjeno z njeno kemijsko formulo H 2 O. Vendar pa na dobljene volumne vpliva veliko eksperimentalnih dejavnikov.
Če se elektroliza izvaja v ceveh, potopljenih v vodo (zgornja slika), najnižji vodni stolpec ustreza vodiku, saj je na površino tekočine pritisnjena večja količina plina. Mehurčki obdajajo elektrode in se po premagovanju tlaka vodne pare sčasoma dvignejo.
Upoštevajte, da so cevi med seboj ločene tako, da je prehod plina z ene elektrode na drugo majhen. Pri majhnih merilih to ne predstavlja neposredne nevarnosti; pri industrijskih merilih pa plinska mešanica H₂ 2 e O 2 je zelo nevarno in eksplozivno.
Zaradi tega so elektrokemijske celice, kjer se izvaja elektroliza vode, zelo drage; zahtevajo konstrukcijske elemente, ki zagotavljajo, da so plini vedno stroškovno učinkoviti, z visoko koncentracijo elektrolita, posebnimi elektrodami (elektrokatalizatorji) in mehanizmi za shranjevanje mešanega H2. 2 proizvedeno.
Elektrokatalizatorji predstavljajo tako trenje kot tudi oviro za donosnost elektrolize vode. Nekateri so sestavljeni iz oksidov žlahtnih kovin, kot sta platina in iridij, katerih cene so zelo visoke. To še posebej velja, ko raziskovalci združijo moči, da bi zasnovali učinkovite, stabilne in poceni elektrode.
Razlog za ta prizadevanja je pospešitev nastajanja O 2 , kar se zgodi pri nižjih hitrostih v primerjavi s H 2 To pojemanje elektrode, kjer je O 2 Če se oblikuje, ima to za splošno posledico uporabo potenciala, ki je veliko večji od potrebnega (presežek potenciala); enako, z nižjim donosom in večjimi stroški.
Elektrolizna reakcija
Elektroliza vode vključuje veliko kompleksnih vidikov. Vendar pa na splošno njena osnova temelji na preprosti celotni reakciji:
2H 2 O (l) => 2H 2 (g) + O 2 (G)
Kot je razvidno iz enačbe, sta vključeni dve molekuli vode: ena mora običajno reducirati ali pridobiti elektrone, druga pa mora oksidirati ali izgubiti elektrone.
OH 2 je posledica reducirane vode, ker pridobitev elektronov spodbuja proton H + se lahko kovalentno vežejo in da se kisik pretvori v OH - Zato H 2 nastaja na katodi, ki je elektroda, na kateri poteka redukcija.
Medtem ko O 2 Nastane zaradi oksidacije vode, ker ta izgubi elektrone, ki ji omogočajo vezavo z vodikom, in posledično sprosti protone H. + . 2 Nastaja na anodi, elektrodi, kjer poteka oksidacija; in za razliko od druge elektrode je pH okoli anode kisel in ne bazičen.
Semicelične reakcije
Zgoraj navedeno lahko povzamemo z naslednjimi kemijskimi enačbami za reakcije polcelic:
2H 2 O + 2e - => H 2 + 2OH - (osnovna katoda)
2H 2 The => The 2 + 4H + +4e - (anoda, kislina)
Vendar voda ne more izgubiti več elektronov (4e - ) kot druga molekula vode na katodnem ojačanju (2e - ); Zato je treba prvo enačbo pomnožiti z 2 in odšteti z drugo, da dobimo neto enačbo:
2 (2H 2 O + 2e - => H 2 + 2OH - )
2H 2 The => The 2 + 4H + +4e -
6H 2 O => 2H 2 + ALI 2 + 4H + + 4OH -
Ampak 4H + in 4OH - obrazec 4H 2 O, zato izločijo štiri od šestih molekul H 2 Ostaneta le dva; rezultat pa je globalna reakcija, ki je pravkar nastala.
Reakcije polcelic se spreminjajo glede na pH vrednosti, tehnike in imajo tudi povezane redukcijske ali oksidacijske potenciale, ki določajo, koliko toka je treba dovajati, da elektroliza vode poteka spontano.
postopek
Zgornja slika prikazuje Hoffmanov voltmeter. Valji so napolnjeni z vodo, elektroliti pa se vsesavajo skozi srednjo šobo. Vloga teh elektrolitov je povečati prevodnost vode, ker je v normalnih pogojih zelo malo H₂ ionov. 3 O + in OH - produkti njegove samoionizacije.
Obe elektrodi sta običajno platinasti, čeprav sta na sliki zamenjani z ogljikovimi elektrodami. Obe sta povezani z baterijo, ki ustvarja potencialno razliko (ΔV), ki spodbuja oksidacijo vode (nastanek O2). 2 ).
Elektroni potujejo po vezju, dokler ne dosežejo druge elektrode, kjer jih voda prevzame in postane H2. 2 in OH - Na tej točki sta anoda in katoda že definirani, kar ju je mogoče razlikovati po višini vodnih stebrov; najnižja višina ustreza katodi, kjer nastaja H2. 2 .
Na vrhu valjev so ključi, ki omogočajo izpust nastalih plinov. Prisotnost H2 je mogoče skrbno preveriti. 2 zaradi česar reagira s plamenom, katerega zgorevanje proizvaja plinasto vodo.
Tehnike
Tehnike elektrolize vode se razlikujejo glede na količino H2. 2 e O 2 ki nastane pri ustvarjanju. Oba plina sta zelo nevarna, če se zmešata, zato imajo elektrolitske celice kompleksne zasnove, da se čim bolj zmanjša povečanje tlaka plina in njegova difuzija skozi vodni medij.
Poleg tega se tehnike razlikujejo glede na celico, elektrolit, dodan vodi, in same elektrode. Nekatere vključujejo izvedbo reakcije pri višjih temperaturah, kar zmanjša porabo energije, druge pa uporabljajo ogromne tlake za vzdrževanje H₂. 2 shranjeno.
Med vsemi tehnikami lahko omenimo naslednje tri:
Elektroliza z alkalno vodo
Elektroliza se izvaja z bazičnimi raztopinami alkalijskih kovin (KOH ali NaOH). Pri tej tehniki potekajo naslednje reakcije:
4H 2 O (l) + 4e - => 2H 2 (g) + 4OH - (ac)
4H - (ac) => The 2 (g) + 2H 2 O (l) + 4e -
Kot je razvidno, ima voda tako na katodi kot na anodi bazičen pH; poleg tega pa še OH - migrirajo proti anodi, kjer oksidirajo do O 2 .
Elektroliza s polimerno elektrolitsko membrano
Pri tej tehniki se uporablja trdni polimer, ki služi kot membrana, prepustna za H₂ + , vendar neprepustna za pline. To zagotavlja večjo varnost med elektrolizo.
Polcelične reakcije v tem primeru so:
4H + (aq) + 4e - => 2 uri 2 (G)
2H 2 O (l) => O 2 (g) + 4H + (ac) + 4e -
H ioni + migrirajo z anode na katodo, kjer se reducirajo v H 2 .
Elektroliza s trdnimi oksidi
Zelo drugačna od drugih tehnik, ta metoda uporablja okside kot elektrolite, ki pri visokih temperaturah (600–900 °C) delujejo kot sredstvo za transport aniona OXNUMX. 2- .
Reakcije so:
2H 2 O(g) + 4e - => 2H 2 (g) + 2 O 2-
2O 2- => The 2 (g) + 4e -
Upoštevajte, da gre tokrat za oksidne anione, OR 2- , ki potujejo do anode.
Kakšna je uporaba elektrolize vode?
elektroliza vode proizvaja H 2 (g) in The 2 (g). Približno 5 % vodikovega plina, proizvedenega na svetu, se pridobi z elektrolizo vode.
OH 2 je stranski produkt elektrolize vodnih raztopin NaCl. Prisotnost soli olajša elektrolizo s povečanjem električne prevodnosti vode.
Celotna reakcija, ki se pojavi, je:
2NaCl + 2H 2 O => Cl 2 + H 2 + 2 NaOH
Da bi razumeli ogromen pomen te reakcije, bomo omenili nekatere uporabe plinastih produktov, saj so prav ti tisti, ki navsezadnje spodbujajo razvoj novih metod za doseganje najučinkovitejše in najbolj zelene elektrolize vode.
Od vseh si najbolj želijo, da bi delovale kot celice, ki energetsko nadomeščajo uporabo kurjenja fosilnih goriv.
Proizvodnja vodika in njegova uporaba
Vodik, proizveden z elektrolizo, se lahko uporablja v kemični industriji, kjer deluje v odvisnih reakcijah, v procesih hidrogeniranja ali kot redukcijsko sredstvo v redukcijskih procesih.
-Poleg tega je bistvenega pomena pri nekaterih komercialno pomembnih dejanjih, kot so: proizvodnja klorovodikove kisline, vodikovega peroksida, hidroksilaminov itd. Sodeluje pri sintezi amoniaka s katalitično reakcijo z dušikom.
-V kombinaciji s kisikom proizvaja plamene z visoko kalorično vsebnostjo, s temperaturami od 3.000 do 3.500 K. Te temperature se lahko uporabljajo za rezanje in varjenje v kovinski industriji, za gojenje sintetičnih kristalov, proizvodnjo kremena itd.
-Čiščenje vode: zelo visoko vsebnost nitratov v vodi je mogoče zmanjšati z odstranjevanjem v bioreaktorjih, v katerih bakterije uporabljajo vodik kot vir energije
Vodik sodeluje pri sintezi plastike, poliestra in najlona. Uporablja se tudi pri proizvodnji stekla, kjer povečuje zgorevanje med kuhanjem.
– Reagira z oksidi in kloridi mnogih kovin, vključno s srebrom, bakrom, svincem, bizmutom in živim srebrom, da nastanejo čiste kovine.
– Poleg tega se uporablja kot gorivo pri kromatografskih analizah z detektorjem plamena.
Kot metoda za odpravljanje napak
Elektroliza raztopin natrijevega klorida se uporablja za čiščenje vode v bazenih. Med elektrolizo nastaja vodik na katodi in klor (Cl 2 ) na anodi. Elektroliza se v tem primeru imenuje solni klorinator.
Klor se raztopi v vodi in tvori hipoklorovo kislino in natrijev hipoklorit. Hipoklorova kislina in natrijev hipoklorit sterilizirata vodo.
Kot vir kisika
Vodna elektroliza se na Mednarodni vesoljski postaji uporablja tudi za proizvodnjo kisika, ki služi za vzdrževanje kisikove atmosfere na postaji.
Vodik se lahko uporablja v gorivni celici, metodi shranjevanja energije, in za uporabo vode, ki nastane v celici, za prehrano astronavtov.
Domača izkušnja
Poskusi elektrolize vode so bili izvedeni na laboratorijskih tehtnicah s Hoffmanovimi voltmetri ali drugimi kompleti, ki omogočajo shranjevanje vseh potrebnih elementov elektrokemijske celice.
Od vseh možnih kompletov in opreme je najpreprostejša lahko velika, prozorna posoda z vodo, ki bo služila kot celica. Poleg tega je treba imeti pri roki tudi katero koli kovinsko ali električno prevodno površino, ki bo služila kot elektrodi: eno za katodo in drugo za anodo.
Za ta namen so lahko uporabni celo svinčniki z naostrenimi grafitnimi konicami na obeh koncih. In končno, majhna baterija in nekaj kablov, ki jo povezujejo z improviziranimi elektrodami.
Če se to ne naredi v prozorni posodi, nastajanja plinskih mehurčkov ni mogoče opaziti.
Spremenljivke gospodinjstev
Čeprav je elektroliza vode tema, ki zajema številne zanimive in obetavne vidike za tiste, ki iščejo alternativne vire energije, je lahko domači poskus za otroke in druge gledalce dolgočasen.
Zato se lahko uporabi zadostna napetost za nastanek H 2 e O 2 , preklapljanje določenih spremenljivk in beleženje sprememb.
Prva od teh je spreminjanje pH-ja vode z uporabo kisa za nakisanje vode ali natrija. 2 CO 3 da ga nekoliko naalkali. Prišlo bi do spremembe v količini opaženih mehurčkov.
Poleg tega bi lahko isti poskus ponovili z vročo in hladno vodo. Na ta način bi upoštevali vpliv temperature na reakcijo.
Nazadnje, da bodo podatki nekoliko manj brezbarvni, lahko uporabite zelo razredčeno raztopino soka rdečega zelja. Ta sok je naravni kislinsko-bazni indikator.
Ko ga dodamo v posodo z vstavljenimi elektrodami, je treba upoštevati, da se bo voda na anodi obarvala rožnato (kislo), medtem ko bo na katodi barva rumena (bazično).
Literatura
- Wikipedia (2018). Elektroliza vode. Pridobljeno s: en.wikipedia.org
- Chaplin M. (16. november 2018). Elektroliza vode. Struktura vode in znanost. Pridobljeno iz: 1.lsbu.ac.uk
- Energetska učinkovitost in obnovljivi viri energije. (n.d.). Proizvodnja vodika: elektroliza. Pridobljeno iz: energy.gov
- Phys.org (14. februar 2018). Visoko učinkovit in cenovno ugoden katalizator za elektrolizo vode. Pridobljeno s spletne strani: phys.org
- Chemistry LibreTexts. (18. junij 2015). Elektroliza vode. Pridobljeno s spletne strani: chem.libretexts.org
- Xiang C., M. Papadantonakisab K. in S. Lewis N. (2016). Načela in izvedbe elektroliznih sistemov za cepitev vode. Kraljevo kemijsko društvo.
- Regenti Univerze v Minnesoti. (2018). Elektroliza vode 2. Univerza v Minnesoti. Pridobljeno s: chem.umn.edu