Διαδικασία ηλεκτρολύσεως νερού, τεχνικές, τι είναι για το πείραμα στο σπίτι

Το ηλεκτρόλυση νερού είναι η αποσύνθεση του νερού στα στοιχειώδη συστατικά του με την εφαρμογή ενός ηλεκτρικού ρεύματος. Κατά τη διαδικασία, σχηματίζονται υδρογόνο και μοριακό οξυγόνο σε δύο αδρανείς επιφάνειες, Η₂ και Ο₂. Αυτές οι δύο επιφάνειες είναι καλύτερα γνωστές με το όνομα των ηλεκτροδίων.

Θεωρητικά, ο όγκος του Η₂ που σχηματίζεται πρέπει να είναι διπλάσιο του όγκου του Ο₂. Γιατί; Επειδή το μόριο νερού έχει λόγο Η / Ο ίσο με 2, δηλαδή δύο Η για κάθε οξυγόνο. Αυτή η σχέση ελέγχεται άμεσα με τον χημικό τύπο της, H₂O. Ωστόσο, πολλοί πειραματικοί παράγοντες επηρεάζουν τους όγκους που λαμβάνονται.

Εάν η ηλεκτρόλυση διεξάγεται σε σωλήνες εμβαπτίζονται σε νερό (κορυφή), το ύψος της στήλης του νερού που αντιστοιχεί στο κατώτερο του υδρογόνου, καθώς υπάρχουν περισσότερες πίεση του αερίου στην επιφάνεια του υγρού. Φυσαλίδες περιβάλλουν τα ηλεκτρόδια και καταλήγουν αναρρίχηση μετά τη νίκη του πίεση ατμών του νερού.

Σημειώστε ότι οι σωλήνες διαχωρίζονται ο ένας από τον άλλο με τέτοιο τρόπο ώστε να υπάρχει χαμηλή μετανάστευση αερίων από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο. Σε χαμηλές κλίμακες, αυτό δεν αποτελεί άμεσο κίνδυνο. αλλά σε βιομηχανικές κλίμακες, το μείγμα αερίων του Η₂ και Ο₂ Είναι πολύ επικίνδυνο και εκρηκτικό.

Για το λόγο αυτό, τα ηλεκτροχημικά στοιχεία όπου ηλεκτρόλυση του νερού πραγματοποιείται είναι πολύ ακριβά? Χρειάζονται ενός σχεδιασμού στοιχείων για να διασφαλιστεί ότι τα αέρια ποτέ ανακατεύουμε, μία παροχή του τρέχοντος κόστους, υψηλή συγκέντρωση ηλεκτρολύτη, ειδικά ηλεκτρόδια (ηλεκτροκαταλύτη) και μηχανισμούς για την αποθήκευση του H₂ παράγεται.

Οι ηλεκτροκαταλύτες αντιπροσωπεύουν την τριβή και ταυτόχρονα τα πτερύγια για την αποδοτικότητα της ηλεκτρόλυσης νερού. Ορισμένα αποτελούνται από οξείδια ευγενών μετάλλων, όπως η πλατίνα και το ιρίδιο, των οποίων οι τιμές είναι πολύ υψηλές. Σε αυτό το σημείο, ειδικά όταν οι ερευνητές ενώνουν τις δυνάμεις τους για το σχεδιασμό αποδοτικών, σταθερών και φτηνών ηλεκτροδίων.

Ο λόγος αυτών των προσπαθειών είναι να επιταχυνθεί ο σχηματισμός του Ο₂, που δίνεται σε χαμηλότερες ταχύτητες σε σύγκριση με το Η₂. Αυτό επιβραδύνεται από το ηλεκτρόδιο όπου σχηματίζεται το Ο₂ φέρει ως γενική συνέπεια την εφαρμογή μιας δυνατότητας πολύ μεγαλύτερης από την αναγκαία (υπερβολική). τι είναι το ίδιο, με χαμηλότερες επιδόσεις και υψηλότερα έξοδα.

Ευρετήριο

• 1 Αντίδραση ηλεκτρόλυσης
  • 1.1 Ημι-κυτταρικές αντιδράσεις
• 2 Διαδικασία
• 3 Τεχνικές
  • 3.1 Ηλεκτρόλυση με αλκαλικό νερό
  • 3.2 Ηλεκτρόλυση με πολυμερή ηλεκτρολυτική μεμβράνη
  • 3.3 Ηλεκτρόλυση με στερεά οξείδια
• 4 Ποια είναι η χρήση της ηλεκτρόλυσης νερού;?
  • 4.1 Παραγωγή υδρογόνου και χρήσεις του
  • 4.2 Ως μέθοδος εντοπισμού σφαλμάτων
  • 4.3 Ως παροχή οξυγόνου
• 5 Πείραμα στο σπίτι
  • 5.1 Αρχική μεταβλητές
• 6 Αναφορές

Αντίδραση ηλεκτρολύσεως

Η ηλεκτρόλυση του νερού συνεπάγεται πολλές σύνθετες πτυχές. Ωστόσο, σε γενικές γραμμές, η βάση του έγκειται σε μια απλή παγκόσμια αντίδραση:

2Η₂O (1) => 2Η₂(g) + Ο₂(ζ)

Όπως παρατηρείται στην εξίσωση, δύο μόρια νερού παρεμβαίνουν: κάποιος πρέπει συνήθως να μειωθεί, ή να κερδίσει ηλεκτρόνια, ενώ ο άλλος πρέπει να οξειδώσει ή να χάσει ηλεκτρόνια.

Το Η₂ Είναι ένα προϊόν μείωσης του νερού, επειδή το κέρδος των ηλεκτρονίων προάγει τα πρωτόνια H⁺ μπορεί να συνδεθεί ομοιοπολικά και το οξυγόνο να μετασχηματιστεί σε ΟΗ^-. Επομένως, το Η₂ συμβαίνει στην κάθοδο, η οποία είναι το ηλεκτρόδιο όπου συμβαίνει η μείωση.

Ενώ το O₂ προέρχεται από την οξείδωση του νερού, επειδή χάνει τα ηλεκτρόνια που του επιτρέπουν να δεσμεύεται με το υδρογόνο και επομένως απελευθερώνει τα πρωτόνια Η⁺. Το Ο₂ εμφανίζεται στην άνοδο, το ηλεκτρόδιο όπου συμβαίνει η οξείδωση. και σε αντίθεση με το άλλο ηλεκτρόδιο, το ρΗ γύρω από την άνοδο είναι όξινο και όχι βασικό.

Αντιδράσεις ημι-κυττάρων

Τα παραπάνω μπορούν να συνοψιστούν με τις ακόλουθες χημικές εξισώσεις για αντιδράσεις ημι-κυττάρων:

2Η₂O + 2e^- => Η₂ + 2ΟΗ^- (Κάθοδος, βασική)

2Η₂Ο => Ο₂ + 4Η⁺ + 4ε^- (Άνοδος, οξύ)

Ωστόσο, το νερό δεν μπορεί να χάσει περισσότερα ηλεκτρόνια (4e^-) από τα οποία το άλλο μόριο νερού κερδίζει στην κάθοδο (2e^-) · Επομένως, η πρώτη εξίσωση πρέπει να πολλαπλασιαστεί επί 2 και στη συνέχεια να αφαιρεθεί με τη δεύτερη εξίσωση για να ληφθεί η καθαρή εξίσωση:

2 (2Η₂O + 2e^- => Η₂ + 2ΟΗ^-)

2Η₂Ο => Ο₂ + 4Η⁺ + 4ε^-

6Η₂Ο => 2Η₂ + Ο₂ + 4Η⁺ + 4OH^-

Αλλά 4Η⁺ και 4ΟΗ^- σχηματίζουν 4Η₂Ή, έτσι, αυτά εξαλείφουν τέσσερα από τα έξι Η μόρια₂Ή αφήνοντας δύο? και το αποτέλεσμα είναι η παγκόσμια αντίδραση που τίθεται απλά.

Αντιδράσεις ήμισυ αλλαγή κυττάρου με τιμές ρΗ, τεχνικές, και επίσης έχουν συνδέσει αναγωγή ή οξείδωση δυναμικά, τα οποία καθορίζουν το ποσό των τρεχουσών αναγκών που πρέπει να παρέχονται σε ηλεκτρόλυση νερού προχωρήσει αυθόρμητα.

Διαδικασία

Στην πάνω εικόνα εμφανίζεται ένα βολτόμετρο Hoffman. Οι κύλινδροι είναι γεμάτοι με νερό και οι επιλεγμένοι ηλεκτρολύτες διαμέσου του μεσαίου ακροφυσίου. Ο ρόλος αυτών των ηλεκτρολυτών είναι να αυξήσουν την αγωγιμότητα του νερού, επειδή υπό κανονικές συνθήκες υπάρχουν πολύ λίγα ιόντα Η₃Ο⁺ και OH^- προϊόντα του ιονισμού σας.

Τα δύο ηλεκτρόδια είναι συνήθως πλατίνα, αν και στην εικόνα αντικαταστάθηκαν από ηλεκτρόδια άνθρακα. Και οι δύο συνδέονται με μια μπαταρία, με την οποία εφαρμόζεται μια διαφορά δυναμικού (ΔV) που προάγει την οξείδωση του νερού (σχηματισμός Ο).₂).

Τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν ολόκληρο το κύκλωμα μέχρι να φτάσετε στο άλλο ηλεκτρόδιο, όπου το νερό κερδίζει και γίνεται Η₂ και OH^-. Σε αυτό το σημείο η άνοδος και η κάθοδος είναι ήδη καθορισμένες, οι οποίες μπορούν να διαφοροποιηθούν από το ύψος των κολόνων ύδατος. εκείνη με μικρότερο ύψος, αντιστοιχεί στην κάθοδο, όπου σχηματίζεται το Η₂.

Στο άνω μέρος των κυλίνδρων, υπάρχουν μερικά κλειδιά που επιτρέπουν την απελευθέρωση των παραγόμενων αερίων. Μπορείτε να ελέγξετε προσεκτικά την παρουσία του Η₂ καθιστώντας την αντιδρά με μια φλόγα, της οποίας η καύση παράγει αέριο νερό.

Τεχνικές

Οι τεχνικές ηλεκτρόλυσης νερού ποικίλουν ανάλογα με την ποσότητα του Η₂ και Ο₂ δημιουργούν προκύπτει. Και τα δύο αέρια είναι πολύ επικίνδυνα εάν αναμειγνύονται μαζί, έτσι ώστε τα ηλεκτρολυτικά κελιά περιλαμβάνουν περίπλοκους σχέδια για να ελαχιστοποιηθεί η αύξηση των πιέσεων αερίου και η διάδοση από την υδατικού μέσου.

Επίσης, οι τεχνικές ταλαντώνονται ανάλογα με το κύτταρο, τον ηλεκτρολύτη που προστίθεται στο νερό και τα ίδια τα ηλεκτρόδια. Από την άλλη πλευρά, μερικοί υπονοούν ότι η αντίδραση πραγματοποιείται σε υψηλότερες θερμοκρασίες, μειώνοντας την κατανάλωση ηλεκτρισμού και άλλοι χρησιμοποιούν τεράστιες πιέσεις για να διατηρήσουν το Η₂ αποθήκευση.

Μεταξύ όλων των τεχνικών, μπορούν να αναφερθούν οι εξής τρεις:

Ηλεκτρόλυση με αλκαλικό νερό

Η ηλεκτρόλυση διεξάγεται με βασικά διαλύματα αλκαλικών μετάλλων (ΚΟΗ ή ΝαΟΗ). Με αυτή την τεχνική συμβαίνουν οι αντιδράσεις:

4Η₂O (1) + 4ε^- => 2Η₂(g) + 4ΟΗ^-(ac)

4OH^-(ac) => 0₂(g) + 2Η₂O (1) + 4ε^-

Όπως μπορεί να φανεί, τόσο στην κάθοδο όσο και στην άνοδο, το νερό έχει ένα βασικό ρΗ. και επιπλέον, το OH^- μεταναστεύουν στην άνοδο όπου οξειδώνονται στο Ο₂.

Ηλεκτρόλυση με πολυμερική ηλεκτρολυτική μεμβράνη

Στην τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ένα στερεό πολυμερές το οποίο χρησιμεύει ως διαπερατή μεμβράνη για το Η⁺, αλλά αδιάβροχο για αέρια. Αυτό εγγυάται μεγαλύτερη ασφάλεια κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης.

Οι ημι-κυτταρικές αντιδράσεις για την περίπτωση αυτή είναι:

4Η⁺(ac) + 4e^- => 2Η₂(ζ)

2Η₂O (1) => 0₂(g) + 4Η⁺(ac) + 4e^-

Τα ιόντα Η⁺ μεταναστεύουν από την άνοδο στην κάθοδο, όπου μειώνονται για να γίνουν Η₂.

Ηλεκτρόλυση με στερεά οξείδια

Πολύ διαφορετική από τις άλλες τεχνικές, χρησιμοποιεί οξείδια ως ηλεκτρολύτες, οι οποίοι σε υψηλές θερμοκρασίες (600-900οC) λειτουργούν ως μέσο μεταφοράς ανιόντων.^2-.

Οι αντιδράσεις είναι:

2Η₂O (g) + 4e^- => 2Η₂(g) + 20^2-

2Ο^2- => Ο₂(g) + 4e^-

Σημειώστε ότι αυτή τη φορά είναι τα ανιόντα οξειδίου, OR^2-, όσοι ταξιδεύουν στην άνοδο.

Ποια είναι η χρήση της ηλεκτρόλυσης στο νερό?

Η ηλεκτρόλυση νερού παράγει Η₂ (g) και Ο₂ (ζ) Περίπου το 5% του αερίου υδρογόνου που παράγεται στον κόσμο παράγεται από την ηλεκτρόλυση του νερού.

Το Η₂ είναι ένα παραπροϊόν της ηλεκτρόλυσης υδατικών διαλυμάτων NaCl. Η παρουσία αλατιού διευκολύνει την ηλεκτρόλυση αυξάνοντας την ηλεκτρική αγωγιμότητα του νερού.

Η παγκόσμια αντίδραση που συμβαίνει είναι:

2NaCl + 2Η₂Ο => Cl₂     +       H₂      +       2ΝaΟΗ

Για να κατανοήσουμε την τεράστια σημασία αυτής της αντίδρασης, θα αναφερθούν ορισμένες χρήσεις αερίων προϊόντων. διότι στο τέλος της ημέρας αυτοί είναι αυτοί που οδηγούν στην ανάπτυξη νέων μεθόδων για την επίτευξη ηλεκτρολύσεως νερού με πιο αποτελεσματικό και πράσινο τρόπο.

Από όλα αυτά, το πιο επιθυμητό είναι να χρησιμεύσουν ως κύτταρα που αντικαθιστούν ενεργά τη χρήση καύσης ορυκτών καυσίμων.

Παραγωγή υδρογόνου και χρήσεις του

-Το υδρογόνο που παράγεται στην ηλεκτρόλυση μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη χημική βιομηχανία που δρα σε αντιδράσεις εθισμού, σε διαδικασίες υδρογόνωσης ή ως αναγωγικό παράγοντα σε διαδικασίες αναγωγής.

-Επίσης, είναι απαραίτητο σε ορισμένες δράσεις εμπορικής σημασίας, όπως: η παραγωγή υδροχλωρικού οξέος, υπεροξειδίου του υδρογόνου, υδροξυλαμινών, κλπ. Συμμετέχει στη σύνθεση αμμωνίας με καταλυτική αντίδραση με άζωτο.

-Σε συνδυασμό με οξυγόνο, παράγει φλόγες με υψηλή περιεκτικότητα σε θερμίδες, με θερμοκρασίες που κυμαίνονται μεταξύ 3.000 και 3.500 Κ Αυτές οι θερμοκρασίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κοπή και συγκόλληση στη βιομηχανία μετάλλων, για την ανάπτυξη συνθετικών κρυστάλλων, παραγωγή χαλαζία, κλπ.

-Επεξεργασία νερού: οι υπερβολικά υψηλές περιεκτικότητες νιτρικών στο νερό μπορούν να μειωθούν με την εξάλειψή τους σε βιοαντιδραστήρες, στους οποίους τα βακτήρια χρησιμοποιούν υδρογόνο ως πηγή ενέργειας

-Το υδρογόνο παρεμβαίνει στη σύνθεση πλαστικών, πολυεστέρα και νάιλον. Επιπλέον, αποτελεί μέρος της παραγωγής γυαλιού, αυξάνοντας την καύση κατά το ψήσιμο.

-Αντιδρά με πολλά μέταλλα οξείδια και χλωριούχο, συμπεριλαμβανομένων: άργυρο, χαλκό, μόλυβδο, βισμούθιο και υδράργυρο να παράγει καθαρά μέταλλα.

-Επιπλέον, χρησιμοποιείται ως καύσιμο στις αναλύσεις χρωματογραφίας με ανιχνευτή φλόγας.

Ως μέθοδος εντοπισμού σφαλμάτων

Η ηλεκτρόλυση διαλυμάτων χλωριούχου νατρίου χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό του νερού της πισίνας. Κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης, παράγεται υδρογόνο στην κάθοδο και το χλώριο (Cl₂) στην άνοδο. Υπάρχει λόγος για ηλεκτρόλυση στην περίπτωση αυτή ως χλωριωτής άλατος.

Το χλώριο διαλύεται σε νερό σχηματίζοντας υποχλωριώδες οξύ και υποχλωριώδες νάτριο. Το υποχλωριώδες οξύ και το υποχλωριώδες νάτριο αποστειρώνουν το νερό.

Ως παροχή οξυγόνου

Η ηλεκτρόλυση του νερού χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή οξυγόνου στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, ο οποίος χρησιμεύει για τη διατήρηση μιας ατμόσφαιρας οξυγόνου στο σταθμό.

Το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια κυψέλη καυσίμου, η μέθοδος για την αποθήκευση ενέργειας και τη χρήση νερού που παράγεται στο κύτταρο να αστροναύτες κατανάλωση.

Αρχική πείραμα

Έχουν πραγματοποιηθεί πειράματα ηλεκτρολύσεως ύδατος σε εργαστηριακές κλίμακες με βολτόμετρα Hoffman ή άλλη διάταξη που επιτρέπει να περιέχονται όλα τα απαραίτητα στοιχεία ενός ηλεκτροχημικού κυττάρου.

Από όλες τις πιθανές συναρμολογήσεις και εξοπλισμό, το απλούστερο μπορεί να είναι ένα μεγάλο διαφανές δοχείο νερού, το οποίο θα χρησιμεύσει ως κύτταρο. Επιπλέον, θα πρέπει να έχετε στο χέρι οποιαδήποτε μεταλλική ή ηλεκτρικά αγώγιμη επιφάνεια για να λειτουργεί ως ηλεκτρόδια. ένα για την κάθοδο και το άλλο για την άνοδο.

Για το σκοπό αυτό μπορεί να είναι χρήσιμα ακόμη και μολύβια με σημεία γραφίτη ακονισμένα και στα δύο άκρα. Τέλος, μια μικρή μπαταρία και μερικά καλώδια που την συνδέουν με τα αυτοσχέδια ηλεκτρόδια.

Αν δεν γίνει σε ένα διαφανές δοχείο, ο σχηματισμός φυσαλίδων αερίου δεν θα μπορούσε να εκτιμηθεί.

Αρχική μεταβλητές

Αν και η ηλεκτρόλυση του νερού είναι ένα θέμα που περιέχει πολλές ενδιαφέρουσες και ελπιδοφόρες πτυχές για όσους αναζητούν εναλλακτικές πηγές ενέργειας, το πείραμα στο σπίτι μπορεί να είναι βαρετό σε παιδιά και άλλους θεατές..

Επομένως, μπορεί να εφαρμοστεί επαρκής τάση για τη δημιουργία σχηματισμού Η₂ και Ο₂ εναλλασσόμενες ορισμένες μεταβλητές και σημειώνοντας τις αλλαγές.

Η πρώτη είναι η διακύμανση του pH του νερού, χρησιμοποιώντας είτε ξύδι για να οξινίσει το νερό, είτε Na₂CO₃ για να το βάψουμε ελαφρώς. Πρέπει να εμφανιστεί μια αλλαγή στην ποσότητα φυσαλίδων που παρατηρήθηκε.

Επιπλέον, το ίδιο πείραμα θα μπορούσε να επαναληφθεί με κρύο και ζεστό νερό. Με τον τρόπο αυτό θα εξεταζόταν τότε η επίδραση της θερμοκρασίας στην αντίδραση.

Τέλος, για τα δεδομένα λαμβάνοντας λίγο λιγότερο άχρωμο, μπορούν να χρησιμοποιούν ένα πολύ αραιό διάλυμα κόκκινο χυμό λάχανο. Αυτός ο χυμός είναι δείκτης βασικής οξύτητας φυσικής προέλευσης.

Είναι προσθέτοντας στο δοχείο με ηλεκτρόδια εισήχθησαν θα σημειωθεί ότι στο νερό άνοδος θα μετατρέπονται σε ροζ (οξύ), ενώ στην κάθοδο, το χρώμα θα είναι κίτρινο (βασική).

Αναφορές

1. Wikipedia. (2018). Ηλεκτρόλυση νερού. Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org
2. Chaplin Μ. (16 Νοεμβρίου 2018). Ηλεκτρόλυση νερού. Δομή και επιστήμη του νερού. Ανακτήθηκε από: 1.lsbu.ac.uk
3. Ενεργειακή Απόδοση & Ανανεώσιμη Ενέργεια. (s.f.). Παραγωγή υδρογόνου: ηλεκτρόλυση. Ανακτήθηκε από: energy.gov
4. Phys.org. (14 Φεβρουαρίου 2018). Καταλύτης υψηλής απόδοσης, χαμηλού κόστους για ηλεκτρόλυση νερού. Ανακτήθηκε από: phys.org
5. Χημεία LibreTexts. (18 Ιουνίου 2015). Ηλεκτρόλυση νερού. Ανακτήθηκε από: chem.libretexts.org
6. Xiang C., Μ. Papadantonakisab Κ., And S. Lewis Ν. (2016). Αρχές και εφαρμογές συστημάτων ηλεκτρόλυσης για διαίρεση νερού. Η Βασιλική Εταιρεία Χημείας.
7. Regents του Πανεπιστημίου της Μινεσότα. (2018). Ηλεκτρόλυση του νερού 2. Πανεπιστήμιο της Μινεσότα. Ανακτήθηκε από: chem.umn.edu