ELEKTROLIZA VODE: POSTUPAK, TEHNIKE, ČEMU SLUŽI - KEMIJA - 2026

Elektrolizom vode je razgradnja vode u svojem elementarnom komponente primjenom električne struje. Kao što su nastavili, vodik i molekularni kisik, H ₂ i O ₂, dobiva se na dvije površine inertnom. Te su dvije površine poznatije po nazivu elektroda.

Teoretski, volumen H ₂ oblikovan trebao biti dvaput volumen O ₂. Zašto? Budući da molekula vode ima omjer H / O jednak 2, to jest dva H za svaki kisik. Ovaj odnos je izravno potvrđena s kemijskom formulom, H ₂ O. Međutim, mnogi eksperimentalni faktori utječu na volumen dobivene.

Izvor: Antti T. Nissinen via Flickr

Ako se elektroliza vrši unutar cijevi uronjenih u vodu (gornja slika), donji stup vode odgovara vodiku, jer postoji veća količina plina koji vrši pritisak na površinu tekućine. Mjehurići okružuju elektrode i nakon porasta tlaka vode vode nadižu se.

Imajte na umu da su cijevi odvojene jedna od druge na način da postoji mala migracija plinova iz jedne elektrode u drugu. U niskim razmjerima, to ne predstavlja neposredni rizik; ali vaga, smjesu plinova H ₂ i O ₂ vrlo opasna i eksplozivan.

Iz tog razloga, elektrokemijske ćelije u kojima se vrši elektroliza vode vrlo su skupe; Trebaju dizajn i elemente koji jamče da plinovi nikada miješati, profitabilan za napajanje strujom, visoke koncentracije elektrolita, posebne elektrode (electrocatalysts), te mehanizmi za pohranjivanje H ₂ proizvedene.

Elektrokatalizatori predstavljaju trenje i istovremeno krila zbog isplativosti elektrolize vode. Neki se sastoje od oksida plemenitih metala, poput platine i iridija, čije su cijene vrlo visoke. Upravo u ovom trenutku, istraživači udružuju snage kako bi dizajnirali učinkovite, stabilne i jeftine elektrode.

Razlog tih napora je da se ubrza formiranje O ₂, koji se javlja na nižim cijenama u odnosu na H ₂. To usporava strane elektrode gdje O ₂ je formiran donosi kao opći posljedica primjene potencijal mnogo veći nego što je potrebno (overpotential); što je jednako, s nižim učinkom i većim troškovima.

Reakcija elektrolize

Elektroliza vode uključuje mnogo složenih aspekata. Međutim, općenito gledano, njegova osnova počiva na jednostavnoj globalnoj reakciji:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Kao što se vidi u jednadžbi, uključene su dvije molekule vode: jedna se obično mora smanjiti ili dobiti elektrone, dok druga mora oksidirati ili izgubiti elektrone.

H ₂ je produkt redukcije vode, jer je dobitak elektrona potiče da H ⁺ protoni mogu vezati kovalentno, a da se kisik pretvara u OH ^-. Stoga, H ₂ je proizveden na katodi, što je elektroda u kojima dolazi do smanjenja.

A O ₂ dolazi oksidacijom vode, zbog čega se gubi elektrone koja je omogućiti da se vežu za vodik, a time i otpušta H ⁺ protoni. O ₂ je proizveden na anodi, elektrode gdje dolazi do oksidacije; A za razliku od druge elektrode, pH oko anode je kiseo i nije bazičan.

Polućelijske reakcije

To se može sažeti sa sljedećim kemijskim jednadžbama za reakcije polu-stanica:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Katoda, osnovni)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (Anoda, kiselina)

Međutim, voda ne može izgubiti više elektrona (4e ^-) od ostalih molekula vode koje dobivaju na katodi (2e ^-); stoga se prva jednadžba mora pomnožiti s 2, a zatim oduzeti s drugom jednadžbom da bi se dobila neto jednadžba:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^-)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Ali 4H ⁺ i 4OH ^- oblik 4H ₂ O, tako da se eliminiraju četiri od šest H ₂ O molekule, ostavljajući dva; a rezultat je upravo navedena globalna reakcija.

Polućelijske reakcije mijenjaju se s pH vrijednostima, tehnikama, a imaju i pridružene potencijale redukcije ili oksidacije, koji određuju koliko struje treba osigurati da bi se elektroliza vode nastala spontano.

Postupak

Izvor: Ivan Akira, iz Wikimedia Commons

Na gornjoj slici prikazan je Hoffmanov voltametar. Cilindri se pune vodom i odabranim elektrolitima kroz srednju mlaznicu. Uloga ovih elektrolita je povećanje vodljivosti vode, jer se u normalnim uvjetima postoji vrlo malo H ₃ O ⁺ i OH ioni ^- proizvodi njihove vlastite ionizacije.

Dvije elektrode obično su izrađene od platine, iako su na slici zamijenjene ugljikovim elektrodama. Oba spojeni na bateriju s kojim se primjenjuje razlika potencijala (AV) koja promiče oksidaciju vode (formiranje O ₂).

Elektroni putuju cijeli krug dok ne dođu do druge elektrode, gdje ih je voda pobjeđuje i postaje H ₂ i OH ^-. U ovom su trenutku već definirane anoda i katoda, koje se mogu razlikovati po visini vodenih stupova; jedan s najnižim visini odgovara katodu gdje H ₂ se formira.

U gornjem dijelu cilindara nalaze se ključevi koji omogućuju ispuštanje nastalih plinova. Prisutnost H ₂ može se provjeriti pažljivo reakcijom s plamenom, čiji proizvodi izgaranja plinovite vode.

Tehnike

Vode elektrolizom Tehnike su jako ovisne o količini H ₂ i O ₂ da se generira. Oba plina su vrlo opasna ako se miješaju zajedno, i zato elektrolitičke ćelije uključuju složene dizajne kako bi se smanjili porasti tlaka plina i njihova difuzija kroz vodeni medij.

Također, tehnike se razlikuju ovisno o stanici, elektrolitu koji se dodaje u vodu i samim elektrodama. S druge strane, neki se podrazumijeva da se reakcija provodi pri višim temperaturama, smanjenje potrošnje električne energije, a drugi koriste ogroman pritisak da bi H ₂ pohranjena.

Među svim tehnikama mogu se spomenuti sljedeće tri:

Elektroliza s alkalnom vodom

Elektroliza se provodi s bazičnim otopinama alkalnih metala (KOH ili NaOH). Ovom tehnikom nastaju reakcije:

4H ₂ O (l) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 4OH ^- (aq)

4OH ^- (aq) => O ₂ (g) + 2H ₂ O (l) + 4e ^-

Kao što se može vidjeti, i na katodi i na anodi voda ima bazični pH; a osim toga, OH ^- migriraju prema anodi gdje oksidirano O ₂.

Elektroliza s polimernom elektrolitičkom membranom

U ovoj se tehnici koristi čvrsti polimer koji služi kao membrana koja je propusna za H ⁺, ali nepropusna za plinove. To osigurava veću sigurnost tijekom elektrolize.

Reakcije pola ćelije za ovaj slučaj su:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

2H ₂ O (l) => O ₂ (g) + 4H ⁺ (aq) + 4e ^-

H ⁺ iona migrirati s anode na katodu gdje se smanjenim postati H ₂.

Elektroliza sa čvrstim oksidima

Vrlo različit od ostalih tehnika, ovaj koristi okside kao elektrolite koji na visokim temperaturama (600-900ºC) djeluju kao sredstvo transporta O ^2- aniona.

Reakcije su:

2H ₂ O (g) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 2O ²

2O ² => O ₂ (g) + 4e ^-

Imajte na umu da su ovoga puta oksidni anioni, O ², koji putuju do anode.

Čemu služi elektroliza vode?

Elektrolizom vode proizvodi H ₂ (g) i O ₂ (g). Otprilike 5% plina vodika proizvedenog u svijetu nastaje elektrolizom vode.

H ₂ je nusproizvod elektrolizom vodene otopine NaCl. Prisutnost soli olakšava elektrolizu povećavajući električnu vodljivost vode.

Ukupna reakcija koja se odvija je:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2 NaOH

Da bismo shvatili ogromnu važnost ove reakcije, spomenut će se neke uporabe plinovitih proizvoda; Jer na kraju dana oni su ti koji pokreću razvoj novih metoda za postizanje elektrolize vode na učinkovitiji i zeleniji način.

Od svih njih najpoželjnije je funkcionirati kao stanice koje energetski zamjenjuju uporabu gorivih fosilnih goriva.

Proizvodnja vodika i njegove uporabe

Vodik dobiven elektrolizom može se koristiti u kemijskoj industriji koja djeluje u reakcijama ovisnosti, u procesima hidrogeniranja ili kao redukcijsko sredstvo u redukcijskim procesima.

-To je također neophodno u nekim komercijalnim radnjama, kao što su: proizvodnja klorovodične kiseline, vodikovog peroksida, hidroksilamina, itd. Sudjeluje u sintezi amonijaka katalitičkom reakcijom s dušikom.

-U kombinaciji s kisikom stvara plamen s visokim udjelom kalorija, a temperature se kreću između 3.000 i 3.500 K. Te se temperature mogu koristiti za rezanje i zavarivanje u metalnoj industriji, za rast sintetskih kristala, proizvodnju kvarca itd., - Obrada vode: prekomjerno visok udio nitrata u vodi može se smanjiti uklanjanjem u bioreaktorima, gdje bakterije koriste vodik kao izvor energije

-V vodik je uključen u sintezu plastike, poliestera i najlona. Osim toga, dio je proizvodnje stakla, povećavajući izgaranje tijekom pečenja.

-Podnosi s oksidima i kloridom mnogih metala, među kojima su: srebro, bakar, olovo, bizmut i živa, da bi se dobili čisti metali.

- Uz to se koristi kao gorivo u kromatografskoj analizi s detektorom plamena.

Kao metodu za uklanjanje pogrešaka

Elektroliza otopine natrijevog klorida koristi se za pročišćavanje vode u bazenu. Vrijeme elektrolize, vodik, proizveden na katodu i klor (Cl ₂) na anodu. Elektroliza se u ovom slučaju naziva klorator soli.

Klor se rastvara u vodi kako bi tvorio hipokloroznu kiselinu i natrijev hipoklorit. Hipoklorna kiselina i natrijev hipoklorit steriliziraju vodu.

Kao opskrba kisikom

Elektroliza vode koristi se i za stvaranje kisika na Međunarodnoj svemirskoj stanici koja služi za održavanje atmosfere s kisikom na stanici.

Vodik se može koristiti u gorivnoj ćeliji, metodu skladištenja energije i koristiti vodu koju u ćeliji stvaraju astronauti za potrošnju.

Kućni eksperiment

Eksperimenti vodene elektrolize provedeni su na laboratorijskim mjerama s Hoffmanovim voltmetrima ili drugim sklopom koji omogućuje sadržavanje svih potrebnih elemenata elektrokemijske ćelije.

Od svih mogućih sklopova i opreme, najjednostavnija može biti velika prozirna posuda za vodu, koja će služiti kao ćelija. Pored toga, svaka metalna ili električno provodljiva površina mora biti pri ruci kako bi mogla funkcionirati kao elektrode; jedan za katodu, a drugi za anodu.

U tu svrhu mogu biti korisne čak i olovke s oštrim grafitnim vrhovima na oba kraja. I na kraju, mala baterija i neki kablovi koji ga povezuju s improviziranim elektrodama.

Ako se ne provede u prozirnom spremniku, stvaranje plinovanih mjehurića ne bi se shvatilo.

Kućne varijable

Iako je elektroliza vode tema koja sadrži mnogo intrigantnih i nadajućih aspekata za one koji traže alternativne izvore energije, kućni eksperiment može biti dosadan djeci i drugim prolaznicima.

Stoga dovoljno napona može se primijeniti za proizvodnju formiranje H ₂ i O _{2 pomoću} izmjenične određenih varijabli i spomenuti promjene.

Prva je varijacija pH vode, koristeći ocat zakiseli vodu, ili Na ₂ CO ₃ do lagano se zaluži. Mora se dogoditi promjena u broju promatranih mjehurića.

Uz to se isti eksperiment mogao ponoviti s vrućom i hladnom vodom. Na taj bi se način razmatrao utjecaj temperature na reakciju.

Na kraju, kako biste prikupljanje podataka učinili manje bezbojnim, možete koristiti vrlo razrijeđenu otopinu soka ljubičastog kupusa. Ovaj sok je kiselo-bazni pokazatelj prirodnog podrijetla.

Dodajući je u spremnik s umetnutim elektrodama, primijetit će se da će na anodi voda postati ružičasta (kiselina), dok je na katodi boja žuta (osnovna).

Reference

1. Wikipedia. (2018.). Elektroliza vode. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16. studenog 2018.). Elektroliza vode. Struktura vode i znanost. Oporavak od: 1.lsbu.ac.uk
3. Energetska učinkovitost i obnovljivi izvori energije. (SF). Proizvodnja vodika: elektroliza. Oporavak od: energija.gov
4. Phys.org. (14. veljače 2018.). Visoko učinkovit, jeftin katalizator za elektrolizu vode. Oporavilo sa: phys.org
5. Kemija LibreTexts. (18. lipnja 2015.). Elektroliza vode. Oporavak od: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. i S. Lewis N. (2016). Načela i primjene sustava elektrolize za cijepanje vode. Kraljevsko društvo za kemiju.
7. Regenti Sveučilišta u Minnesoti. (2018.). Elektroliza vode 2. University of Minnesota. Oporavak od: chem.umn.edu