Prosedur elektrolisis air, teknik, apa untuknya, percubaan rumah

The elektrolisis air ia adalah penguraian air ke dalam komponen asasnya dengan penggunaan arus elektrik. Apabila meneruskan, hidrogen dan oksigen molekul terbentuk pada dua permukaan lengai, H₂ dan O₂. Kedua-dua permukaan ini lebih dikenali dengan nama elektrod.

Secara teorinya, jumlah H₂ terbentuk mesti dua kali jumlah O₂. Mengapa? Oleh kerana molekul air mempunyai nisbah H / O sama dengan 2, iaitu dua H untuk setiap oksigen. Hubungan ini diperiksa secara langsung dengan formula kimianya, H₂O. Walau bagaimanapun, banyak faktor percubaan mempengaruhi jumlah yang diperolehi.

Jika elektrolisis dijalankan dalam tiub tenggelam dalam air (atas), ketinggian turus air yang sepadan dengan hidrogen yang lebih rendah kerana terdapat lebih banyak tekanan gas di permukaan cecair. Bubbles mengelilingi elektrod dan akhirnya meningkat selepas tekanan wap air tamat.

Perhatikan bahawa tiub dipisahkan dari satu sama lain dengan cara yang ada penghijrahan gas yang rendah dari satu elektrod ke yang lain. Pada skala yang rendah, ini tidak mewakili risiko yang akan berlaku; tetapi pada skala industri, campuran gas H₂ dan O₂ Ia sangat berbahaya dan meletup.

Atas sebab ini, sel-sel elektrokimia di mana elektrolisis air dijalankan sangat mahal; Mereka memerlukan satu elemen reka bentuk untuk memastikan bahawa gas tidak pernah bergaul, bekalan kos semasa, kepekatan elektrolit tinggi, elektrod khas (electrocatalyst) dan mekanisme untuk menyimpan H₂ dihasilkan.

Electrocatalysts mewakili geseran dan pada masa yang sama sayap untuk keuntungan elektrolisis air. Ada yang terdiri daripada oksida logam mulia, seperti platinum dan iridium, yang harganya sangat tinggi. Pada ketika ini terutamanya di mana para penyelidik bergabung dengan reka bentuk elektrod yang cekap, stabil dan murah.

Sebab-sebab usaha ini adalah untuk mempercepat pembentukan O₂, yang diberikan pada kelajuan yang lebih rendah berbanding dengan H₂. Ini melambatkan oleh elektrod di mana O terbentuk₂ ia membawa sebagai akibat umum penerapan potensi yang lebih besar daripada yang diperlukan (terlalu banyak); apa yang sama, untuk menurunkan prestasi dan perbelanjaan yang lebih tinggi.

Indeks

• 1 Reaksi elektrolisis
  • 1.1 Reaksi sel-sel
• 2 Prosedur
• 3 Teknik
  • 3.1 Elektrolisis dengan air beralkali
  • 3.2 Elektrolisis dengan membran elektrolitik polimer
  • 3.3 Elektrolisis dengan oksida pepejal
• 4 Apakah penggunaan elektrolisis air??
  • 4.1 Pengeluaran hidrogen dan kegunaannya
  • 4.2 Sebagai kaedah debugging
  • 4.3 Sebagai bekalan oksigen
• 5 Percubaan rumah
  • 5.1 Pembolehubah rumah
• 6 Rujukan

Reaksi elektrolisis

Elektrolisis air melibatkan banyak aspek kompleks. Bagaimanapun, secara umum, asasnya terletak pada reaksi global yang mudah:

2H₂O (l) => 2H₂(g) + O₂(g)

Seperti yang diperhatikan dalam persamaan, dua molekul air campur tangan: satu biasanya mesti dikurangkan, atau mendapatkan elektron, manakala yang lain mesti mengoksida atau kehilangan elektron.

The H₂ Ia adalah hasil pengurangan air, kerana keuntungan elektron mempromosikan proton H⁺ boleh terikat secara kovalen, dan oksigen berubah menjadi OH^-. Oleh itu, H₂ berlaku di katoda, iaitu elektrod di mana pengurangan terjadi.

Sedang O₂ berasal dari pengoksidaan air, kerana ia kehilangan elektron yang membolehkannya mengikat hidrogen, dan seterusnya melepaskan proton H⁺. The O₂ berlaku di anoda, elektrod di mana pengoksidaan berlaku; dan tidak seperti elektrod lain, pH di sekeliling anoda adalah berasid dan tidak asas.

Reaksi separa sel

Di atas boleh diringkaskan dengan persamaan kimia berikut untuk tindak balas separuh sel:

2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^- (Katoda, asas)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^- (Anod, asid)

Walau bagaimanapun, air tidak dapat kehilangan lebih banyak elektron (4e^-) yang mana molekul air lain menang di katod (2e^-); oleh itu, persamaan pertama mesti didarabkan dengan 2, dan kemudian dikurangkan dengan persamaan kedua untuk mendapatkan persamaan bersih:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^-)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^-

6H₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

Tetapi 4H⁺ dan 4OH^- mereka membentuk 4H₂Atau, jadi ini menghilangkan empat daripada enam molekul H₂Atau meninggalkan dua; dan hasilnya adalah tindak balas global yang hanya ditimbulkan.

Reaksi perubahan sel separuh dengan nilai pH, teknik, dan pengurangan atau pengoksidaan potensi juga telah bersekutu, yang menentukan jumlah keperluan semasa untuk dibekalkan kepada elektrolisis air meneruskan secara spontan.

Prosedur

Imej atas menunjukkan voltmeter Hoffman. Silinder diisi dengan air dan elektrolit yang dipilih melalui muncung tengah. Peranan elektrolit ini adalah untuk meningkatkan kekonduksian air, kerana dalam keadaan normal terdapat sedikit ion H₃O⁺ dan OH^- produk pengionan automatik anda.

Kedua-dua elektrod biasanya platinum, walaupun dalam imej mereka digantikan oleh elektrod karbon. Kedua-duanya disambungkan kepada bateri, yang mana perbezaan potensi (ΔV) yang menggalakkan pengoksidaan air (pembentukan O) digunakan.₂).

Elektron melancarkan seluruh litar sehingga anda mencapai elektrod lain, di mana air itu menang dan menjadi H₂ dan OH^-. Pada ketika ini anod dan katod telah ditentukan, yang boleh dibezakan oleh ketinggian lajur air; salah satu ketinggian yang lebih kecil, sepadan dengan katod, di mana H terbentuk₂.

Di bahagian atas silinder, terdapat beberapa kunci yang membolehkan melepaskan gas yang dihasilkan. Anda boleh menyemak, berhati-hati, kehadiran H₂ menjadikannya bertindak balas dengan api, yang pembakarannya menghasilkan air berair.

Teknik

Teknik elektrolisis air berbeza-beza bergantung kepada jumlah H₂ dan O₂ yang dicadangkan untuk menjana. Kedua-dua gas adalah sangat berbahaya jika dicampur bersama-sama, jadi sel-sel elektrolisis melibatkan reka bentuk kompleks untuk mengurangkan peningkatan dalam tekanan gas dan penyebaran maklumat oleh medium akueus.

Juga, teknik berayun bergantung kepada sel, elektrolit ditambah ke dalam air, dan elektrod itu sendiri. Sebaliknya, ada yang menyatakan bahawa tindak balas itu dilakukan pada suhu yang lebih tinggi, mengurangkan penggunaan elektrik, dan yang lain menggunakan tekanan yang sangat besar untuk mengekalkan H₂ disimpan.

Di antara semua teknik, berikut tiga boleh disebutkan:

Elektrolisis dengan air beralkali

Elektrolisis dijalankan dengan penyelesaian asas logam alkali (KOH atau NaOH). Dengan teknik ini tindak balas berlaku:

4H₂O (l) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(ac)

4OH^-(ac) => O₂(g) + 2H₂O (l) + 4e^-

Seperti yang dapat dilihat, kedua-duanya di katod dan di anod, air mempunyai pH asas; dan di samping itu, OH^- berhijrah ke anod di mana mereka mengoksida ke O₂.

Elektrolisis dengan membran elektrolitik polimer

Dalam teknik ini polimer pepejal digunakan sebagai berfungsi sebagai membran yang telap untuk H⁺, tetapi kalis air untuk gas. Ini menjamin keselamatan yang lebih tinggi semasa elektrolisis.

Reaksi separuh sel untuk kes ini adalah:

4H⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(g)

2H₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

Ion H⁺ mereka berhijrah dari anoda ke katod, di mana mereka dikurangkan menjadi H₂.

Elektrolisis dengan oksida pepejal

Sangat berbeza dengan teknik lain, ia menggunakan oksida sebagai elektrolit, yang pada suhu tinggi (600-900ºC) berfungsi sebagai medium pengangkutan anion.^2-.

Reaksi adalah:

2H₂O (g) + 4e^- => 2H₂(g) + 2O^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Perhatikan bahawa kali ini adalah anion oksida, ATAU^2-, mereka yang pergi ke anod.

Apakah penggunaan elektrolisis air??

Elektrolisis air menghasilkan H₂ (g) dan O₂ (g) Kira-kira 5% daripada gas hidrogen yang dihasilkan di dunia dihasilkan oleh elektrolisis air.

The H₂ ia adalah hasil sampingan daripada elektrolisis penyelesaian NaCl akueus. Kehadiran garam memudahkan elektrolisis dengan meningkatkan kekonduksian elektrik air.

Reaksi global yang berlaku ialah:

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

Untuk memahami pentingnya reaksi ini, beberapa kegunaan produk gas akan disebutkan; kerana pada penghujung hari, ini adalah yang mendorong pembangunan kaedah baru untuk mencapai elektrolisis air dengan cara yang lebih efisien dan hijau.

Daripada mereka semua, yang paling dikehendaki adalah sebagai sel yang menggantikan penggunaan bahan bakar fosil yang membakar.

Pengeluaran hidrogen dan kegunaannya

-Hidrogen yang dihasilkan dalam elektrolisis boleh digunakan dalam industri kimia yang bertindak dalam tindak balas ketagihan, dalam proses hidrogenasi atau sebagai agen pengurangan dalam proses pengurangan.

-Juga penting dalam beberapa tindakan penting komersial, seperti: pengeluaran asid hidroklorik, hidrogen peroksida, hidrokslamin, dan lain-lain. Terlibat dalam sintesis amonia oleh tindak balas katalitik dengan nitrogen.

-Dalam kombinasi dengan oksigen, ia menghasilkan api dengan kandungan kalori yang tinggi, dengan suhu antara antara 3000 dan 3500 K. Suhu yang boleh digunakan untuk memotong dan kimpalan dalam industri logam, untuk pertumbuhan kristal tiruan, pengeluaran kuarza, dan lain-lain.

-Rawatan air: kandungan nitrat yang terlalu tinggi dalam air boleh dikurangkan dengan penghapusan mereka dalam bioreaktor, di mana bakteria menggunakan hidrogen sebagai sumber tenaga

-Hidrogen campur tangan dalam sintesis plastik, poliester dan nilon. Di samping itu, ia adalah sebahagian daripada pengeluaran kaca, meningkatkan pembakaran semasa penaik.

-Merespon dengan oksida dan klorida banyak logam, antaranya: perak, tembaga, plumbum, bismut dan raksa untuk menghasilkan logam tulen.

-Selain itu, ia digunakan sebagai bahan api dalam analisis kromatografi dengan pengesan api.

Sebagai kaedah debugging

Elektrolisis larutan natrium klorida digunakan untuk pemurnian air kolam renang. Semasa elektrolisis, hidrogen dihasilkan dalam katod dan klorin (Cl₂) di anod. Terdapat ceramah tentang elektrolisis dalam kes ini sebagai chlorinator garam.

Klorin larut dalam air membentuk asid hypochlorous dan natrium hipoklorit. Hypochlorous acid dan natrium hipoklorit mensterilkan air.

Sebagai bekalan oksigen

Elektrolisis air juga digunakan untuk menghasilkan oksigen di Stesen Angkasa Antarabangsa, yang berfungsi untuk mengekalkan suasana oksigen di stesen.

Hidrogen boleh digunakan dalam sel bahan bakar, kaedah untuk menyimpan tenaga, dan menggunakan air yang dihasilkan dalam sel untuk digunakan oleh angkasawan.

Eksperimen rumah

Eksperimen elektrolisis air telah dilakukan pada skala makmal dengan voltmeters Hoffman, atau perhimpunan lain yang membolehkan mengandungi semua elemen yang diperlukan sel elektrokimia.

Daripada semua perkumpulan dan peralatan yang mungkin, yang paling mudah boleh menjadi bekas air telus yang besar, yang akan berfungsi sebagai sel. Ditambah kepada ini, anda juga harus mempunyai sebarang permukaan logam atau permukaan konduktif elektrik berfungsi sebagai elektrod; satu untuk katod, dan satu lagi untuk anod.

Untuk tujuan ini walaupun pensil dengan titik grafit yang diasah pada kedua-dua hujung mungkin berguna. Dan akhirnya, bateri kecil dan beberapa kabel yang menghubungkannya dengan elektrod yang diperbaiki.

Sekiranya tidak dilakukan dalam bekas telus, pembentukan gelembung gas tidak dapat dihargai.

Pembolehubah rumah

Walaupun elektrolisis air adalah subjek yang mengandungi banyak aspek yang menarik dan diharapkan bagi mereka yang mencari sumber tenaga alternatif, eksperimen rumah boleh membosankan kepada kanak-kanak dan penonton lain..

Oleh itu, voltan yang mencukupi boleh digunakan untuk menjana pembentukan H₂ dan O₂ bergantian pembolehubah tertentu dan mencatat perubahan.

Yang pertama adalah variasi pH air, menggunakan cuka untuk mengasalkan air, atau Na₂CO₃ untuk membasuh sedikit. Perubahan dalam jumlah gelembung yang diperhatikan mesti berlaku.

Di samping itu, eksperimen yang sama boleh diulang dengan air sejuk dan panas. Dengan cara ini, kesan suhu pada tindak balas akan dipertimbangkan.

Akhir sekali, untuk membuat pengumpulan data sedikit kurang berwarna, anda boleh menggunakan penyelesaian jus kubis ungu yang sangat cair. Jus ini adalah penunjuk asid asas asal semula jadi.

Menambahnya ke dalam bekas dengan elektrod yang diperkenalkan, akan dapati bahawa di anoda air akan berubah menjadi merah jambu (asid), manakala pada katod, warna akan menjadi kuning (asas).

Rujukan

1. Wikipedia. (2018). Elektrolisis air. Diperolehi daripada: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16 November 2018). Elektrolisis air. Struktur dan sains air. Diperolehi daripada: 1.lsbu.ac.uk
3. Kecekapan Tenaga & Tenaga Boleh Diperbaharui. (s.f.). Pengeluaran hidrogen: elektrolisis. Diperolehi daripada: energy.gov
4. Phys.org. (14 Februari 2018). Kecekapan tinggi, pemangkin kos rendah untuk elektrolisis air. Diperolehi daripada: phys.org
5. Chemistry FreeTexts. (18 Jun 2015). Elektrolisis air. Diperolehi daripada: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K., dan S. Lewis N. (2016). Prinsip dan pelaksanaan sistem elektrolisis untuk pemisahan air. Persatuan Diraja Kimia.
7. Bupati Universiti Minnesota. (2018). Elektrolisis Air 2. Universiti Minnesota. Diperolehi daripada: chem.umn.edu