תהליך אלקטרוליזה מים, טכניקות, מה זה, ניסוי הביתה



ה אלקטרוליזה במים זה הפירוק של המים לתוך המרכיבים היסודיים שלה על ידי יישום של זרם חשמלי. כאשר ממשיכים, מימן וחמצן מולקולרי נוצרים על שני משטחים אינרטיים, H2 ו O2. שני משטחים אלה ידועים יותר בשם האלקטרודות.

תיאורטית, נפח H2 נוצר חייב להיות פעמיים נפח O2. למה? כי מולקולת המים יש יחס H / O שווה ל 2, כלומר, שני H עבור כל חמצן. קשר זה נבדק ישירות עם הנוסחה הכימית שלו, H2O. עם זאת, גורמים ניסיוניים רבים להשפיע על הכרכים שהושגו.

אם אלקטרוליזה מתבצע צינורות שקועים במים (למעלה), את גובה מים בעמודה מתאים המימן הנמוך שכן ישנם יותר לחץ גז על פני הנוזל. בועות מקיפות את האלקטרודות ובסופו של דבר מתעוררות לאחר לחץ האדים של המים שפוגעת.

שים לב כי הצינורות מופרדים זה מזה בצורה כזו שיש הגירה נמוכה של גזים מאחד אלקטרודה אחת לאחרת. בסולמות נמוכים, זה אינו מהווה סיכון קרוב; אבל בקנה מידה תעשייתי, תערובת הגז של H2 ו O2 זה מאוד מסוכן וחומר נפץ.

מסיבה זו, תאים אלקטרוכימיים שבהם אלקטרוליזה מים מתבצעת יקר מאוד; הם צריכים עיצוב ואלמנטים המבטיחים כי גזים לעולם לא לערבב, אספקה ​​הנוכחית רווחית, ריכוזים גבוהים של אלקטרוליטים, אלקטרודות מיוחדות (electrocatalysts), מנגנונים לאחסן את H2 שנוצר.

Electrocatalysts מייצגים חיכוך באותו זמן את הכנפיים על הרווחיות של אלקטרוליזה מים. חלקם מכילים תחמוצות של מתכות אצילות, כגון פלטינה ואירידיום, שמחירם גבוה מאוד. זה בנקודה זו במיוחד כאשר החוקרים להצטרף כוחות לתכנון של אלקטרודות יעיל, יציב וזול.

הסיבה מאמצים אלה היא להאיץ את היווצרות של O2, אשר ניתנת במהירויות נמוכות לעומת H2. זה האטה על ידי האלקטרודה שבה O נוצר2 זה מביא כמו תוצאה כללית את היישום של פוטנציאל הרבה יותר מהנדרש (overpotential); מה אותו הדבר, כדי להקטין את הביצועים ואת ההוצאות הגבוהות.

אינדקס

  • תגובה של אלקטרוליזה
    • 1.1 תגובות של תאים למחצה
  • 2 נוהל
  • 3 טכניקות
    • 3.1 אלקטרוליזה עם מים אלקליין
    • 3.2 אלקטרוליזה עם קרום פולימר אלקטרוליטי
    • 3.3 אלקטרוליזה עם תחמוצות מוצקות
  • 4 מהו השימוש במים אלקטרוליזה??
    • 4.1 ייצור מימן ושימושיו
    • 4.2 כשיטת איתור באגים
    • 4.3 כאספקת חמצן
  • ניסוי ביתי
    • 5.1 משתני בית
  • 6 הפניות

תגובה אלקטרוליזה

אלקטרוליזה של מים כוללת היבטים מורכבים רבים. עם זאת, באופן כללי, הבסיס שלה טמון בתגובה גלובלית פשוטה:

2H2O (l) => 2H2(ז) + O2(ז)

כפי שהוא מופיע במשוואה, מעורב שתי מולקולות מים: אחד רגיל צריך להיות מופחת, או אלקטרונים רווחים, בעוד אחרים חייבים להיות מחומצן או לאבד אלקטרונים.

ח2 זה תוצר של הפחתת מים, כי הרווח של האלקטרונים מקדם את הפרוטונים H+ יכול להיות קשורה קוולנטית, והחמצן הפך OH-. לכן, H2 מתרחשת בקתודה, שהיא האלקטרודה שבה מתרחשת הירידה.

בעוד O2 מגיע חמצון של מים, כי זה מאבד את האלקטרונים המאפשרים לה להיקשר למימן, וכתוצאה מכך משחרר פרוטונים H+. O2 מתרחשת על האנודה, האלקטרודה שבה מתרחשת החמצון; ובניגוד לאלקטרודה האחרת, ה- pH סביב האנודה הוא חומצי ולא בסיסי.

תגובות של חצי תא

האמור לעיל ניתן לסכם עם משוואות כימיות הבאות תגובות חצי תאים:

2H2O + 2e- => H2 + 2OH- (קתודה, בסיסי)

2H2O => O2 + 4H+ + 4 ה- (האנודה, חומצה)

עם זאת, מים לא יכולים לאבד יותר electrons (4e-) אשר מולקולת המים השני מנצח בקתודה (2e-); לכן, את המשוואה הראשונה יש להכפיל 2, ולאחר מכן מופחת עם המשוואה השנייה כדי לקבל את המשוואה נטו:

2 (2H2O + 2e- => H2 + 2OH-)

2H2O => O2 + 4H+ + 4 ה-

6H2O => 2H2 + הו2 + 4H+ + 4OH-

אבל 4H+ ו 4OH- הם יוצרים 4H2או, אז אלה לחסל ארבעה של שש מולקולות H2או השארת שניים; והתוצאה היא התגובה הגלובלית הנשקפת.

התגובה של חצי התא משתנה עם ערכי ה- pH, הטכניקות, וגם יש פוטנציאל הפחתת פוטנציאל או חימצון, אשר קובעים כמה הנוכחי צריך להיות מסופק כך אלקטרוליזה של המים ההכנסות ספונטנית.

נוהל

התמונה העליונה מציגה מד מתח הופמן. צילינדרים מלאים מים אלקטרוליטים שנבחרו דרך הזרבובית האמצעית. תפקידם של אלקטרוליטים אלה הוא להגדיל את המוליכות של מים, כי בתנאים רגילים יש מעט מאוד יונים3הו+ ו OH- מוצרים של יינון אוטומטי שלך.

שתי האלקטרודות הן בדרך כלל פלטינה, אם כי בתמונה הם הוחלפו על ידי אלקטרודות פחמן. שתיהן מחוברות לסוללה, אשר בה הפרש פוטנציאלי (ΔV) המקדם את החמצון של מים (O היווצרות) מוחל.2).

האלקטרונים נוסעים במעגל כולו עד שתגיע אל האלקטרודה האחרת, שם המים מנצחים ונעשים H2 ו OH-. בנקודה זו אנודה וקתודה כבר מוגדרים, אשר ניתן להבחין על ידי גובה של עמודות מים; אחד בגובה קטן יותר, מתאים הקתודה, שבו H נוצר2.

בחלק העליון של צילינדרים, ישנם כמה מפתחות המאפשרים לשחרר את הגזים שנוצר. אתה יכול לבדוק, בזהירות, את נוכחותו של H2 מה שהופך אותו להגיב עם להבה, אשר הבעירה מייצרת מים גזי.

טכניקות

טכניקות אלקטרוליזה במים משתנות בהתאם לכמות של H2 ו O2 כי מוצע ליצור. גזי שניהם מאוד מסוכנים אם מעורבבים יחד, ולכן תא אלקטרוליטי לערב עיצובים מורכבים כדי למזער את עליית לחצי גז והפצתו על ידי המדיום מהימי.

כמו כן, טכניקות להתנדנד בהתאם לתא, אלקטרוליט הוסיף למים, ואת האלקטרודות עצמם. מצד שני, יש הרומזים כי התגובה מתבצעת בטמפרטורות גבוהות יותר, הפחתת צריכת החשמל, ואחרים להשתמש בלחצים עצומים כדי לשמור על H2 מאוחסן.

בין כל הטכניקות, ניתן לציין את השלושה הבאים:

אלקטרוליזה עם מים אלקליין

אלקטרוליזה מתבצע עם פתרונות בסיסיים של מתכות אלקליות (KOH או NaOH). בעזרת טכניקה זו מתרחשות התגובות:

4H2O (l) + 4e- => 2H2(g) + 4OH-(ac)

4OH-(ac) => O2(ז) + 2H2O (l) + 4e-

כפי שניתן לראות, הן בקתודה והן באנודה, למים יש pH בסיסי; ובנוסף, OH- נודדים אל האנודה שבה הם מתחמצנים ל- O2.

אלקטרוליזה עם קרום פולימר אלקטרוליטי

בטכניקה זו פולימר מוצק משמש המשמש כממברנה חדיר עבור H+, אבל עמיד למים עבור גזים. זה מבטיח בטיחות רבה יותר במהלך אלקטרוליזה.

תגובת חצי התא במקרה זה היא:

4H+(AC) + 4e- => 2H2(ז)

2H2O (l) => O2(ז) + 4H+(AC) + 4e-

יונים+ הם נודדים מן האנודה אל הקתודה, שם הם הופכים להיות H2.

אלקטרוליזה עם תחמוצות מוצקות

שונה מאוד מן הטכניקות האחרות, היא משתמשת תחמוצות כמו אלקטרוליטים, אשר בטמפרטורות גבוהות (600-900 מעלות צלזיוס) לתפקד כאמצעי תחבורה אניון.2-.

התגובות הן:

2H2O (g) + 4e- => 2H2(g) + 2O2-

2 א2- => O2(g) + 4e-

שים לב כי הפעם הם אניונים תחמוצת, או2-, אלה שנוסעים לאנודה.

מהו השימוש באלקטרוליזה של מים?

אלקטרוליזה של מים מייצרת H2 (ז) ו- O2 (ז) כ 5% של גז מימן המיוצר בעולם מיוצר על ידי אלקטרוליזה של מים.

ח2 זה תוצר לוואי של אלקטרוליזה של תמיסות NaCl מימית. נוכחות של מלח מקל על אלקטרוליזה על ידי הגדלת מוליכות חשמלית של מים.

התגובה העולמית המתרחשת היא:

2NaCl + 2H2O => Cl2     +       ח2      +       2 לא

כדי להבין את החשיבות העצומה של תגובה זו, חלק מן השימושים של מוצרים גזי ייקרא; כי בסופו של יום, אלה הם המניעים את הפיתוח של שיטות חדשות כדי להשיג אלקטרוליזה מים בצורה יעילה יותר ירוק.

של כולם, הרצוי ביותר הוא לשמש תאים אנרגטית להחליף את השימוש של דלקים מאובנים.

ייצור מימן ושימושיו

-מימן המיוצר אלקטרוליזה ניתן להשתמש בתעשייה הכימית מתנהג תגובות התמכרות, בתהליכי הידרוגנציה או כסוכן הפחתת תהליכי צמצום.

-כמו כן, הוא חיוני בפעולות מסוימות בעלות חשיבות מסחרית, כגון: ייצור של חומצה הידרוכלורית, מי חמצן, hydroxylamines, וכו ' מעורב בסינתזה של אמוניה על ידי תגובה קטליטי עם חנקן.

-בשילוב עם חמצן, הוא מייצר להבות עם תוכן הקלורי גבוה, עם טמפרטורות הנעות בין 3000 ו 3500 ק אלה טמפרטורות יכולות לשמש לחיתוך וריתוך בענף המתכת, לצמיחה של גבישים סינטטיים, ייצור קוורץ, וכו '.

-טיפול במים: תכולה גבוהה מדי של ניטרטים במים יכולה להיות מופחתת על ידי חיסול שלהם bioreactors, שבו החיידקים להשתמש במימן כמקור אנרגיה

-מימן מתערב בסינתזה של פלסטיק, פוליאסטר וניילון. בנוסף, הוא חלק מהפקת זכוכית, הגדלת הבעירה במהלך האפייה.

-מגיב עם תחמוצות וכלור של מתכות רבות, ביניהם: כסף, נחושת, עופרת, ביסמוט כספית לייצר מתכות טהור.

-בנוסף, הוא משמש כדלק בניתוח כרומטוגרפי עם גלאי להבה.

כשיטת איתור באגים

אלקטרוליזה של נתרן כלוריד פתרונות משמש לטיהור של בריכת בריכת שחייה. במהלך אלקטרוליזה, מימן מיוצר בקתודה וכלור (Cl2) על האנודה. יש לדבר על אלקטרוליזה במקרה זה כמו כלור מלח.

כלור מתמוסס במים ויוצר חומצה היפוכלורית ונתרן היפוכלוריט. חומצה היפוכלורית ונתרן היפוכלוריט מעקרים מים.

כמו אספקת חמצן

אלקטרוליזה של מים משמש גם כדי לייצר חמצן בתחנת החלל הבינלאומית, אשר משמש כדי לשמור על אווירת חמצן בתחנה.

מימן יכול לשמש בתא דלק, שיטה לאחסון אנרגיה, ולהשתמש במים שנוצר בתא לצריכה על ידי אסטרונאוטים.

ניסוי ביתי

ניסויים אלקטרוליזה במים בוצעו על סולמות מעבדה עם וולטמטר הופמן, או הרכבה אחרים המאפשרים להכיל את כל האלמנטים הדרושים של תא אלקטרוכימי.

מכל מכלולים וציוד אפשרי, הפשוטה ביותר יכולה להיות מיכל מים שקוף גדול, אשר ישמש תא. נוסף על כך, אתה צריך גם בהישג יד כל מתכת או משטח מוליך חשמלית לתפקד כמו אלקטרודות; אחד עבור הקתודה, והשני עבור האנודה.

למטרה זו אפילו עפרונות עם נקודות גרפיט שחדד בשני הקצוות עשוי להיות שימושי. ולבסוף, סוללה קטנה וכמה כבלים המחברים אותה עם האלקטרודות המאולתרות.

אם לא נעשה במיכל שקוף, היווצרות בועות גז לא יכול להיות מוערך.

משתני בית

למרות אלקטרוליזה של מים הוא נושא המכיל היבטים מסקרנים רבים תקווה עבור אלה המחפשים מקורות אנרגיה חלופיים, הניסוי בבית יכול להיות משעמם לילדים וצופים אחרים..

לכן, מתח מספיק ניתן ליישם ליצירת H היווצרות2 ו O2 לסירוגין משתנים מסוימים ולציין את השינויים.

הראשון הוא וריאציה של ה- pH של המים, באמצעות חומץ או כדי לחמצן את המים, או Na2CO3 כדי לבסס אותו מעט. שינוי בכמות הבועות שנצפו חייב להתרחש.

בנוסף, ניתן לחזור על אותו ניסוי במים קרים וחמים. בדרך זו תהיה ההשפעה של הטמפרטורה על התגובה היה שוקל.

לבסוף, כדי להפוך את איסוף הנתונים קצת פחות חסר צבע, אתה יכול לפנות פתרון מאוד מדולל של מיץ כרוב סגול. מיץ זה הוא מחוון חומצה בסיס של מקור טבעי.

הוספת אותו למכל עם האלקטרודות הציג, זה יהיה שם לב כי על האנודה המים יהפכו ורוד (חומצה), ואילו בקתודה, צבע יהיה צהוב (בסיסי).

הפניות

  1. ויקיפדיה. (2018). אלקטרוליזה של מים. מקור: en.wikipedia.org
  2. צ'פלין מ '(16 בנובמבר 2018). אלקטרוליזה של מים. מבנה המים והמדע. מקור: 1.lsbu.ac.uk
  3. יעילות אנרגטית ואנרגיה מתחדשת. (s.f.). ייצור מימן: אלקטרוליזה. מקור: אנרגיה
  4. . (14 בפברואר 2018). יעילות גבוהה, זרז בעלות נמוכה לאלקטרוליזה של מים. מקור: phys.org
  5. כימיה. (18 ביוני 2015). אלקטרוליזה של מים. מקור: chem.libretexts.org
  6. שיאנג סי, מ Papadantonakisab ק ', ו S. לואיס נ' (2016). עקרונות ויישומים של מערכות אלקטרוליזה לחיתוך מים. החברה המלכותית לכימיה.
  7. העוצרים של אוניברסיטת מינסוטה. (2018). אלקטרוליזה של מים 2. אוניברסיטת מינסוטה. מקור: chem.umn.edu