The elektrolýza vody Jedná se o rozklad vody na její elementární složky působením elektrického proudu. Když postupujeme, vodík a molekulární kyslík, Hdva mědva. Tyto dva povrchy jsou lépe známé pod názvem elektrody..
Teoreticky objem Hdva vytvořený musí být dvojnásobek objemu Odva. Proč? Protože molekula vody má poměr H / O rovný 2, tj. Dvě H pro každý kyslík. Tento vztah je přímo ověřen jeho chemickým vzorcem, HdvaO. Získané objemy však ovlivňuje mnoho experimentálních faktorů.
Pokud se elektrolýza provádí uvnitř trubek ponořených ve vodě (horní obrázek), odpovídá spodní sloupec vody vodíku, protože na povrch kapaliny působí větší množství plynu. Bubliny obklopují elektrody a nakonec stoupají po překonání tlaku par ve vodě.
Pamatujte, že trubice jsou od sebe odděleny takovým způsobem, že dochází k nízké migraci plynu z jedné elektrody na druhou. V malém měřítku to nepředstavuje bezprostřední riziko; ale v průmyslových měřítcích plynná směs Hdva mědva je vysoce nebezpečný a výbušný.
Z tohoto důvodu jsou elektrochemické články, kde se provádí elektrolýza vody, velmi drahé; Potřebují design a prvky, které zajistí, že se plyny nikdy nemísí, nákladově efektivní napájení, vysoké koncentrace elektrolytů, speciální elektrody (elektrokatalyzátory) a mechanismy pro skladování Hdva vyrobeno.
Elektrokatalyzátory představují tření a současně křídla pro ziskovost elektrolýzy vody. Některé se skládají z oxidů ušlechtilých kovů, jako je platina a iridium, jejichž ceny jsou velmi vysoké. Právě v tomto bodě spojují vědci síly při navrhování účinných, stabilních a levných elektrod..
Důvodem těchto snah je urychlit tvorbu Odva, který se vyskytuje při nižších rychlostech ve srovnání s Hdva. Toto zpomalení elektrodou, kde se tvoří Odva obecně přináší použití potenciálu mnohem většího, než je nutné (nadměrný potenciál); co je stejné, nižší výkon a vyšší výdaje.
Rejstřík článků
Elektrolýza vody zahrnuje mnoho složitých aspektů. Obecně však jeho základ spočívá na jednoduché globální reakci:
2HdvaO (l) => 2Hdva(g) + O.dva(G)
Jak je patrné z rovnice, jedná se o dvě molekuly vody: jedna musí být obvykle redukována nebo musí získat elektrony, zatímco druhá musí oxidovat nebo ztratit elektrony..
Hdva Je to produkt redukce vody, protože zisk elektronů podporuje, že H protony+ se může kovalentně vázat a kyslík se transformuje na OH-. Proto je Hdva dochází na katodě, což je elektroda, kde dochází k redukci.
Zatímco Odva pochází z oxidace vody, díky čemuž ztrácí elektrony, které jí umožňují vázat se na vodík, a následně uvolňuje protony H+. Odva vyrábí se na anodě, na elektrodě, kde dochází k oxidaci; a na rozdíl od jiné elektrody je pH kolem anody kyselé a není zásadité.
Lze to shrnout pomocí následujících chemických rovnic pro reakce polovičních buněk:
2HdvaO + 2e- => Hdva + 2OH- (Katoda, základní)
2HdvaO => Odva + 4H+ + 4e- (Anoda, kyselina)
Voda však nemůže ztratit žádné další elektrony (4e-) z nichž druhá molekula vody vyhrává na katodě (2e-); proto musí být první rovnice vynásobena 2 a poté odečtena druhou rovnicí, aby se získala čistá rovnice:
2 (2HdvaO + 2e- => Hdva + 2OH-)
2HdvaO => Odva + 4H+ + 4e-
6HdvaO => 2Hdva + NEBOdva + 4H+ + 4OH-
Ale 4H+ a 4OH- forma 4HdvaNebo tedy tyto odstraňují čtyři ze šesti molekul HdvaNebo nechat dva; a výsledkem je právě vyvolaná globální reakce.
Reakce poločlánků se mění s hodnotami pH, technikami a mají také související redukční nebo oxidační potenciály, které určují, kolik proudu je třeba dodat, aby mohla elektrolýza vody probíhat spontánně..
Hoffmanův voltametr je zobrazen na obrázku výše. Válce jsou naplněny vodou a vybranými elektrolyty střední tryskou. Úlohou těchto elektrolytů je zvýšit vodivost vody, protože za normálních podmínek je velmi málo iontů H3NEBO+ a OH- produkty jeho samoionizace.
Obě elektrody jsou obvykle platinové, i když na obrázku byly nahrazeny uhlíkovými elektrodami. Oba jsou připojeny k baterii, se kterou je aplikován potenciální rozdíl (ΔV), který podporuje oxidaci vody (tvorba Odva).
Elektrony procházejí celým obvodem, dokud nedosáhnou druhé elektrody, kde je voda získá a stane se Hdva a OH-. V tomto bodě jsou již definovány anoda a katoda, které lze odlišit výškou vodních sloupců; ten s nejnižší výškou odpovídá katodě, kde se tvoří Hdva.
V horní části válců jsou klíče, které umožňují uvolňování generovaných plynů. Přítomnost H lze pečlivě zkontrolovatdva díky čemuž reaguje s plamenem, jehož spalováním vzniká plynná voda.
Techniky vodní elektrolýzy se liší v závislosti na množství Hdva mědva které se navrhuje generovat. Oba plyny jsou při smíchání velmi nebezpečné, a proto elektrolytické články vyžadují složité konstrukce, aby se minimalizovalo zvýšení plynných tlaků a jejich difúze vodným médiem..
Podobně se techniky liší v závislosti na článku, elektrolytu přidaném do vody a na samotných elektrodách. Na druhou stranu některé naznačují, že reakce probíhá při vyšších teplotách, což snižuje spotřebu elektřiny, a jiné používají k udržení H obrovské tlaky.dva uloženy.
Ze všech technik lze zmínit následující tři:
Elektrolýza se provádí s bazickými roztoky alkalických kovů (KOH nebo NaOH). U této techniky dochází k reakcím:
4HdvaO (l) + 4e- => 2Hdva(g) + 4OH-(ac)
4OH-(ac) => O.dva(g) + 2HdvaO (l) + 4e-
Jak je vidět, jak na katodě, tak na anodě má voda zásadité pH; a dále OH- migrují na anodu, kde oxidují na Odva.
Tato technika používá pevný polymer, který slouží jako propustná membrána pro H+, ale nepropustný pro plyny. To zajišťuje větší bezpečnost během elektrolýzy..
Reakce poločlánků pro tento případ jsou:
4H+(ac) + 4e- => 2Hdva(G)
2HdvaO (l) => Odva(g) + 4H+(ac) + 4e-
H ionty+ migrují z anody na katodu, kde jsou redukovány na Hdva.
Velmi odlišný od jiných technik, tento používá oxidy jako elektrolyty, které při vysokých teplotách (600-900 ° C) fungují jako prostředek pro transport aniontu Odva-.
Reakce jsou:
2HdvaO (g) + 4e- => 2Hdva(g) +20dva-
2Odva- => O.dva(g) + 4e-
Všimněte si, že tentokrát jsou to oxidové anionty, Odva-, ty, které cestují k anodě.
Elektrolýza vody produkuje Hdva (g) a O.dva (G). Přibližně 5% plynného vodíku vyrobeného na světě se vyrábí elektrolýzou vody.
Hdva je to vedlejší produkt elektrolýzy vodných roztoků NaCl. Přítomnost soli usnadňuje elektrolýzu zvýšením elektrické vodivosti vody.
Celková reakce, která probíhá, je:
2NaCl + 2HdvaO => Cldva + Hdva + 2NaOH
Abychom pochopili nesmírný význam této reakce, uvedeme některá použití plynných produktů; Protože na konci dne jsou to právě ty, které řídí vývoj nových metod, jak dosáhnout elektrolýzy vody efektivnějším a ekologičtějším způsobem.
Ze všech je nejžádanější fungovat jako buňky, které energeticky nahradí používání spalování fosilních paliv..
-Vodík vyrobený při elektrolýze lze použít v chemickém průmyslu při závislostních reakcích, při hydrogenačních procesech nebo jako redukční činidlo při redukčních procesech.
-Stejně tak je to nezbytné při některých akcích komerčního významu, jako jsou: výroba kyseliny chlorovodíkové, peroxidu vodíku, hydroxylaminů atd. Podílí se na syntéze amoniaku katalytickou reakcí s dusíkem.
-V kombinaci s kyslíkem produkuje plameny s vysokým kalorickým obsahem s teplotami v rozmezí 3 000 až 3 500 K. Tyto teploty lze použít pro řezání a svařování v kovodělném průmyslu, pro růst syntetických krystalů, výrobu křemene atd..
-Úprava vody: nadměrně vysoký obsah dusičnanů ve vodě lze snížit jeho eliminací v bioreaktorech, ve kterých bakterie používají jako zdroj energie vodík
-Vodík se podílí na syntéze plastů, polyesteru a nylonu. Kromě toho je součástí výroby skla, což zvyšuje spalování během pečení..
-Reaguje s oxidy a chloridy mnoha kovů, včetně: stříbra, mědi, olova, vizmutu a rtuti za vzniku čistých kovů.
-A navíc se používá jako palivo při chromatografické analýze s detektorem plamene..
Elektrolýza roztoků chloridu sodného se používá k čištění vody v bazénu. Během elektrolýzy je na katodě produkován vodík a chlor (Cldva) na anodě. Elektrolýza se v tomto případě označuje jako chlorátor solí.
Chlor se rozpouští ve vodě za vzniku kyseliny chlorné a chlornanu sodného. Kyselina chlorná a chlornan sodný sterilizují vodu.
Elektrolýza vody se také používá ke generování kyslíku na Mezinárodní vesmírné stanici, který slouží k udržování kyslíkové atmosféry ve stanici..
Vodík lze použít v palivovém článku, metodě pro ukládání energie, a využívat vodu generovanou v článku ke spotřebě astronauty.
Pokusy s elektrolýzou vody byly prováděny v laboratorních měřítcích s Hoffmanovými voltmetry nebo jinou sestavou, která umožňuje obsahovat všechny potřebné prvky elektrochemického článku..
Ze všech možných sestav a vybavení může být nejjednodušší velká průhledná nádoba na vodu, která bude sloužit jako buňka. Kromě toho musí být po ruce jakýkoli kovový nebo elektricky vodivý povrch, aby fungoval jako elektroda; jeden pro katodu a druhý pro anodu.
Pro tento účel mohou být užitečné i tužky s ostrými grafitovými špičkami na obou koncích. A nakonec malá baterie a několik kabelů, které ji spojují s improvizovanými elektrodami..
Pokud se neprovádí v průhledné nádobě, tvorba plynných bublin by nebyla oceněna..
Přestože elektrolýza vody je předmětem, který obsahuje mnoho zajímavých a nadějných aspektů pro ty, kteří hledají alternativní zdroje energie, může být domácí experiment pro děti a ostatní kolem nudný..
Proto lze aplikovat dostatečné napětí pro generování tvorby Hdva mědva střídání určitých proměnných a zaznamenávání změn.
Prvním z nich je změna pH vody pomocí octu k okyselení vody nebo NadvaCO3 aby se to trochu umocnilo. Musí dojít ke změně počtu pozorovaných bublin.
Stejný experiment lze navíc opakovat s teplou a studenou vodou. Tímto způsobem by se pak uvažoval vliv teploty na reakci..
Nakonec, aby byl sběr dat o něco méně bezbarvý, lze použít velmi zředěný roztok šťávy z fialového zelí. Tato šťáva je acidobazickým indikátorem přírodního původu.
Přidáním do nádoby s vloženými elektrodami si všimnete, že na anodě bude voda růžová (kyselá), zatímco na katodě bude barva žlutá (základní).
Zatím žádné komentáře