VEDEN ELEKTROLYYSI: MENETELMÄ, TEKNIIKAT, MIHIN SE ON TARKOITETTU - KEMIA - 2026

Veden elektrolyysi on veden hajoamista sen alkukomponenteiksi käyttämällä sähkövirtaa. Niiden edetessä, vety ja molekulaarista happea, H ₂ ja O ₂, on muodostettu kaksi inertin pinnoille. Nämä kaksi pintaa tunnetaan paremmin nimellä elektrodit.

Teoriassa, tilavuus H ₂ muodostettu pitäisi olla kaksi kertaa suurempi O ₂. Miksi? Koska vesimolekyylin H / O-suhde on yhtä suuri kuin 2, toisin sanoen kaksi H kutakin happea kohti. Tämä suhde on suoraan todennetaan sen kemiallinen kaava, H ₂ O. Kuitenkin monet kokeelliset tekijät vaikuttavat määrät saatu.

Lähde: Antti T. Nissinen Flickrin kautta

Jos elektrolyysi suoritetaan veteen upotettujen putkien sisällä (ylempi kuva), alempi vesipylväs vastaa vetyä, koska nesteen pintaan kohdistuu suurempi määrä kaasua. Kuplat ympäröivät elektrodit ja päätyvät nousemaan ylittäessään veden höyrynpaineen.

Huomaa, että putket on erotettu toisistaan ​​siten, että kaasujen siirto elektrodista toiseen on vähäinen. Pienillä asteikkoilla tämä ei tarkoita välitöntä riskiä; mutta teollisuusvaa'oissa H _{2: n} ja O _2: n kaasumainen seos on erittäin vaarallinen ja räjähtävä.

Tästä syystä sähkökemialliset kennot, joissa veden elektrolyysi suoritetaan, ovat erittäin kalliita; He tarvitsevat suunnittelun ja elementit, jotka takaavat, että kaasut eivät koskaan sekoitu, kannattava virransyöttö, korkeat elektrolyyttipitoisuudet, erikoiselektrodit (sähkökatalyytit) ja mekanismit tuotetun H _{2: n} varastoimiseksi.

Sähkökatalysaattorit edustavat kitkaa ja samalla siipiä veden elektrolyysin kannattavuudelle. Jotkut koostuvat jalometallioksidista, kuten platina ja iridium, joiden hinnat ovat erittäin korkeat. Juuri tässä vaiheessa tutkijat yhdistävät voimansa suunnitellakseen tehokkaita, vakaita ja halpoja elektrodeja.

Syy nämä pyrkimykset on nopeuttaa muodostumista O ₂, joka tapahtuu alhaisemmalla tasolla kuin H ₂. Tämä hidastaa elektrodilla, jossa O ₂ on muodostettu tuo yleisesti seurauksena soveltamista paljon suurempi potentiaali kuin on tarpeen (ylijännite); mikä on yhtä alhaista suorituskykyä ja korkeampia kuluja.

Elektrolyysireaktio

Veden elektrolyysiin liittyy monia monimutkaisia ​​näkökohtia. Yleisesti ottaen sen perusta perustuu kuitenkin yksinkertaiseen globaaliin reaktioon:

2H ₂ O (l) => ₂ H ₂ (g) + O ₂ (g)

Kuten yhtälöstä nähdään, mukana on kaksi vesimolekyyliä: toinen on yleensä pelkistettävä tai saatava elektronia, kun taas toisen on hapetettava tai hävitettävä elektronit.

H ₂ on tuote vähentää veden, koska vahvistus elektronien edistää, että H ⁺ protonit voivat sitoa kovalenttisesti, ja että happi muuntuu OH ^-. Näin ollen, H ₂ tuotetaan katodilla, joka on elektrodi, jossa pelkistyminen tapahtuu.

Vaikka O ₂ tulee veden hapettumisesta, jonka seurauksena se menettää elektroneja, joiden avulla se voi sitoutua vetyyn, ja vapauttaa näin ollen H ⁺ -proteoneja. O ₂ on anodilla, elektrodin jossa hapetus tapahtuu; Ja toisin kuin toinen elektrodi, anodin ympärillä oleva pH on hapan eikä emäksinen.

Puolisolureaktiot

Tämä voidaan tiivistää seuraavilla kemiallisilla yhtälöillä puolisolureaktioissa:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (katodi, perus)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (anodi, happo)

Vesi ei kuitenkaan voi menettää enemmän elektroneja (4e ^-) kuin toinen vesimolekyyli saa katodista (2e ^-); siksi ensimmäinen yhtälö on kerrottava kahdella, ja sitten vähennettävä toisella yhtälöllä, jotta saadaan nettoyhtälö:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^-)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Mutta 4H ⁺ ja 4OH ^- muodossa 4H ₂ O, joten ne eliminoivat neljä kuudesta H ₂ O -molekyylit, jättäen kaksi; ja tulos on juuri hahmoteltu globaali reaktio.

Puolikennoreaktiot muuttuvat pH-arvojen, tekniikoiden kanssa, ja niihin liittyy myös pelkistys- tai hapetuspotentiaalia, jotka määräävät, kuinka paljon virtaa täytyy syöttää veden elektrolyysiin spontaanisti tapahtuvaksi.

Prosessi

Lähde: Ivan Akira, Wikimedia Commonsista

Yllä olevassa kuvassa on Hoffman-voltametri. Sylinterit täytetään vedellä ja valitut elektrolyytit keskisuuttimen läpi. Näiden elektrolyyttien tehtävänä on lisätä veden johtavuutta, koska normaaleissa olosuhteissa on hyvin vähän H ₃ O ⁺ ja OH- ioneja ^- niiden itseionisoitumisen tuotteita.

Kaksi elektrodia on yleensä tehty platinasta, vaikka kuvassa ne korvattiin hiilielektrodoilla. Molemmat on kytketty akku, jonka potentiaalieron (AV) on levitetty, joka edistää veden hapettuminen (muodostuminen O ₂).

Elektronit matkustaa koko piiri, kunnes ne saavuttavat toisen elektrodin, jossa vesi voittaa ne yli ja saa H ₂ ja OH ^-. Tässä vaiheessa anodi ja katodi on jo määritelty, jotka voidaan erottaa vesipylväiden korkeudesta; yksi on pienin korkeus vastaa katodi, jossa H ₂ on muodostettu.

Sylinterien yläosassa on avaimet, jotka sallivat syntyvien kaasujen vapautumisen. Kun läsnä on H- ₂ voidaan tarkastaa huolellisesti saattamalla se reagoimaan liekki, palaminen, joka tuottaa kaasumaista vettä.

Tekniikat

Vesi elektrolyysin Tekniikat vaihtelevat riippuen siitä, kuinka paljon H ₂ ja O ₂ generoidaan. Molemmat kaasut ovat erittäin vaarallisia, jos ne sekoitetaan toisiinsa, minkä vuoksi elektrolyyttisiin kennoihin liittyy monimutkaisia ​​rakenteita kaasumaisten paineiden kasvun ja niiden diffuusion minimoimiseksi vesiväliaineen läpi.

Myös tekniikat vaihtelevat solun, veteen lisätyn elektrolyytin ja itse elektrodien mukaan. Toisaalta jotkut ymmärtää, että reaktio suoritetaan korkeammassa lämpötilassa, vähentää sähkönkulutusta, ja toiset käyttävät valtavia paineita pitää H ₂ tallennettu.

Kaikista tekniikoista voidaan mainita seuraavat kolme:

Elektrolyysi alkalisella vedellä

Elektrolyysi suoritetaan alkalimetallien emäksisillä liuoksilla (KOH tai NaOH). Tällä tekniikalla reaktiot tapahtuvat:

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

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

Kuten voidaan nähdä, sekä katodilla että anodilla vedellä on emäksinen pH; ja lisäksi, OH ^- vaeltavat kohti anodia, jossa ne hapetetaan O ₂.

Elektrolyysi polymeerielektrolyyttisellä kalvolla

Tässä tekniikassa käytetään kiinteää polymeeriä, joka toimii membraanina, joka on läpäisevä H ^{+: lle}, mutta läpäisemätön kaasuille. Tämä varmistaa suuremman turvallisuuden elektrolyysin aikana.

Puoliristiset reaktiot tässä tapauksessa ovat:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

H ⁺ -ionit siirtyvät anodista katodiin, missä ne pelkistetään muuttumaan H _{2: ksi}.

Elektrolyysi kiinteillä oksideilla

Hyvin erilainen kuin muut tekniikat, tämä käyttötarkoituksiin oksideja elektrolyyttejä, jotka korkeissa lämpötiloissa (600-900ºC) funktio keinona kuljettamiseksi O ^2- anioni.

Reaktiot ovat:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Huomaa, että tällä kertaa se on oksidi anionit, O ^2-, että matka anodiin.

Mihin veden elektrolyysi tapahtuu?

Veden elektrolyysi tuottaa H ₂ (g) ja O ₂ (g). Noin 5% maailman tuotetusta vetykaasusta tuotetaan veden elektrolyysin avulla.

H ₂ on sivutuote elektrolyysin vesipitoisten NaCl-liuoksella. Suolan läsnäolo helpottaa elektrolyysiä lisäämällä veden sähkönjohtavuutta.

Koko tapahtunut reaktio on:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Tämän reaktion valtavan merkityksen ymmärtämiseksi mainitaan joitain kaasumaisten tuotteiden käyttötapoja; Koska päivän päätteeksi nämä ovat ne, jotka auttavat kehittämään uusia menetelmiä veden elektrolyysin saavuttamiseksi tehokkaammalla ja vihreällä tavalla.

Kaikista heistä halutuimpia on toimia soluina, jotka korvaavat palavien fossiilisten polttoaineiden käytön energisesti.

Vetytuotanto ja sen käyttö

- Elektrolyysissä tuotettua vetyä voidaan käyttää kemianteollisuudessa, joka toimii riippuvuusreaktioissa, hydrausprosesseissa tai pelkistimenä pelkistysprosesseissa.

-Se on välttämätöntä myös joissakin kaupallisesti tärkeissä toimissa, kuten suolahapon, vetyperoksidin, hydroksyyliamiinien jne. Tuotannossa. Se osallistuu ammoniakin synteesiin katalyyttisen reaktion avulla typen kanssa.

-Yhdessä hapen kanssa se tuottaa liekkejä, joilla on korkea kaloripitoisuus, lämpötilojen ollessa 3 000 - 3 500 K. Näitä lämpötiloja voidaan käyttää metalliteollisuuden leikkaamiseen ja hitsaamiseen, synteettisten kiteiden kasvattamiseen, kvartsin tuotantoon jne..

-Vedenkäsittely: liian korkea nitraattipitoisuus vedessä voidaan vähentää poistamalla se bioreaktorissa, jossa bakteerit käyttävät vetyä energialähteenä

-Vety on mukana muovien, polyesterin ja nylon synteesissä. Lisäksi se on osa lasin tuotantoa, mikä lisää palamista paistamisen aikana.

- Reagoi monien metallien, muun muassa hopean, kuparin, lyijyn, vismutin ja elohopean, oksidien ja kloridien kanssa puhtaan metallin tuottamiseksi.

- Ja lisäksi sitä käytetään polttoaineena kromatografisessa analyysissä liekinilmaisimella.

Virheenkorjausmenetelmänä

Natriumkloridiliuosten elektrolyysiä käytetään uima-altaan veden puhdistamiseen. Elektrolyysin aikana, vety tuotetaan katodilla ja klooria (Cl ₂) anodilla. Elektrolyysiin viitataan tässä tapauksessa suolakloraattorina.

Kloori liukenee veteen muodostaen hypokloorihappoa ja natriumhypokloriittia. Hypokloorihappo ja natriumhypokloriitti steriloivat veden.

Hapen lähteenä

Veden elektrolyysiä käytetään myös hapen tuottamiseen kansainvälisellä avaruusasemalla, jonka tehtävänä on ylläpitää happea ilmakehässä asemalla.

Vetyä voidaan käyttää polttokennossa, energian varastointimenetelmänä, ja käyttää solussa syntyvää vettä astronautien kulutukseen.

Kotikoe

Veden elektrolyysikokeet on suoritettu laboratorioasteikolla Hoffman-voltmetrillä tai jollakin muulla kokoonpanolla, joka sallii kaikki tarvittavat sähkökemiallisen kennon elementit.

Kaikista mahdollisista kokoonpanoista ja laitteista yksinkertaisin voi olla iso läpinäkyvä vesisäiliö, joka toimii kennona. Tämän lisäksi minkä tahansa metallisen tai sähköä johtavan pinnan on oltava myös käsillä toimiakseen elektrodina; yksi katodi ja toinen anodi.

Tähän tarkoitukseen voivat olla hyödyllisiä myös lyijykynät, joiden molemmissa päissä on teräviä grafiittivihjeitä. Ja lopuksi pieni paristo ja jotkut kaapelit, jotka liittävät sen improvisoituihin elektrodeihin.

Ellei sitä suoriteta läpinäkyvässä astiassa, kaasumaisten kuplien muodostumista ei oteta huomioon.

Kotimuuttujat

Vaikka veden elektrolyysi on aihe, joka sisältää monia mielenkiintoisia ja toiveikkaita näkökohtia vaihtoehtoisia energialähteitä etsiville, kotikokeilu voi olla tylsää lapsille ja muille sivullisille.

Näin ollen, riittävä jännite voidaan tuottaa muodostumista H ₂ ja O ₂ vuorotellen tiettyjen muuttujien ja huomata muutokset.

Ensimmäinen on vaihtelu veden pH, käyttäen joko etikkaa happamaksi vettä, tai Na ₂ CO ₃ hieman emäksiseksi sitä. Havaittujen kuplien lukumäärässä täytyy muuttua.

Lisäksi sama koe voidaan toistaa kuumalla ja kylmällä vedellä. Tällä tavalla harkitaan lämpötilan vaikutusta reaktioon.

Lopuksi, jotta tiedonkeruu olisi hiukan vähemmän väritöntä, voit käyttää erittäin laimeaa lilakaali-mehuliuosta. Tämä mehu on luonnollista alkuperää oleva happo-emäs-indikaattori.

Lisäämällä se säiliöön, jossa elektrodit on asetettu paikalleen, huomataan, että anodilla vesi muuttuu vaaleanpunaiseksi (hapanksi), kun taas katodilla väri on keltainen (emäksinen).

Viitteet

1. Wikipedia. (2018). Veden elektrolyysi. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16. marraskuuta 2018). Veden elektrolyysi. Veden rakenne ja tiede. Palautettu: 1.lsbu.ac.uk
3. Energiatehokkuus ja uusiutuva energia. (SF). Vetytuotanto: elektrolyysi. Palautettu: energy.gov
4. Phys.org. (14. helmikuuta 2018). Suorituskykyinen ja edullinen katalyytti veden elektrolyysiin. Palautettu osoitteesta: phys.org
5. Kemia LibreTexts. (18. kesäkuuta 2015). Veden elektrolyysi. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. ja S. Lewis N. (2016). Elektrolyysijärjestelmien periaatteet ja toteutukset vedenjakamiseen. Kuninkaallinen kemian yhdistys.
7. Minnesotan yliopiston regenssit. (2018). Veden elektrolyysi 2. Minnesotan yliopisto. Palautettu: kem.umn.edu