ELEKTROLÝZA VODY: POSTUP, TECHNIKY, K ČEMU SLOUŽÍ - CHEMIE - 2025

Elektrolýza vody je rozklad vody do svých elementárních složek působením elektrického proudu. Když se postupuje, vodíku a molekulární kyslík, H ₂ a O ₂, jsou vytvořeny na dvou inertním povrchu. Tyto dva povrchy jsou lépe známé pod názvem elektrod.

Teoreticky, objem H ₂ vytvořen by měl být dvojnásobkem objemu O ₂. Proč? Protože molekula vody má poměr H / O rovný 2, tj. Dva H pro každý kyslík. Tento vztah je přímo ověřena jeho chemický vzorec, H ₂ O. Nicméně, mnoho experimentálních faktory ovlivňují objemy získané.

Zdroj: Antti T. Nissinen přes Flickr

Pokud se elektrolýza provádí uvnitř trubek ponořených do vody (horní obrázek), odpovídá spodní sloupec vody vodíku, protože na povrch kapaliny je vyvíjeno větší množství plynu. Bubliny obklopují elektrody a skončí stoupáním po překonání tlaku par ve vodě.

Trubky jsou od sebe odděleny takovým způsobem, že dochází k nízké migraci plynů z jedné elektrody na druhou. V nízkém měřítku to nepředstavuje bezprostřední riziko; ale v průmyslovém měřítku je plynná směs H ₂ a O ₂ vysoce nebezpečná a výbušná.

Z tohoto důvodu jsou elektrochemické články, ve kterých se provádí elektrolýza vody, velmi drahé; Potřebují design a prvky, které zaručeno, že plyny nikdy míchat, ziskový přívod proudu, vysoké koncentrace elektrolytů, speciální elektrody (elektrokatalyzátorů), a mechanismy pro uložení H ₂ vyrobeného.

Elektrokatalyzátory představují tření a současně křídla pro ziskovost elektrolýzy vody. Některé se skládají z oxidů vzácných kovů, jako je platina a iridium, jejichž ceny jsou velmi vysoké. Právě v tomto bodě vědci spojují síly, aby navrhli účinné, stabilní a levné elektrody.

Důvodem tohoto úsilí je urychlit tvorbu O ₂, který se vyskytuje při nižších ve srovnání s H ₂. Toto zpomalení elektrodou, kde se tvoří O _2, přináší jako obecný důsledek použití potenciálu mnohem vyššího, než je nutné (nadměrný); což je stejné, s nižším výkonem a vyššími náklady.

Elektrolytická reakce

Elektrolýza vody zahrnuje mnoho složitých aspektů. Obecně však její základ spočívá v jednoduché globální reakci:

2H ₂ O (l) => 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

Jak je vidět v rovnici, jedná se o dvě molekuly vody: jedna obvykle musí být redukována, nebo získat elektrony, zatímco druhá musí oxidovat nebo ztratit elektrony.

H ₂ je produkt redukce vody, protože zisk elektronů podporuje, že H ⁺ protony mohou vázat kovalentně, a že kyslík se přemění na OH ^-. Z tohoto důvodu, H ₂ je produkován v katodě, což je elektroda, kde dochází k redukci.

Zatímco O ₂ pochází z oxidace vody, díky níž ztrácí elektrony, které mu umožňují vázat se na vodík, a následně uvolňuje H ⁺ protony. O ₂ je produkován na anodě, na elektrodě, kde dochází k oxidaci; A na rozdíl od ostatních elektrod je pH kolem anody kyselé a ne zásadité.

Polobuněčné reakce

To lze shrnout pomocí následujících chemických rovnic pro polobuněčné reakce:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (katoda, základní)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (anoda, kyselina)

Voda však nemůže ztratit více elektronů (4e ^-), než získává jiná molekula vody na katodě (2e ^-); proto musí být první rovnice vynásobena 2 a poté odečtena od druhé rovnice, aby se získala čistá rovnice:

2 (2 H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^-)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2 H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Ale 4H ⁺ a 4OH ^- forma 4H ₂ O, takže se eliminují čtyři ze šesti H ₂ O molekul, odcházející dva; a výsledkem je právě nastínená globální reakce.

Reakce polobuněk se mění s hodnotami pH, technikami a mají také související redukční nebo oxidační potenciály, které určují, kolik proudu musí být dodáno, aby elektrolýza vody probíhala spontánně.

Proces

Zdroj: Ivan Akira, z Wikimedia Commons

Na obrázku nahoře je zobrazen Hoffmanův voltametr. Válce jsou naplněny vodou a vybrané elektrolyty přes střední trysku. Úlohou těchto elektrolytů je zvýšit vodivost vody, protože za normálních podmínek existuje jen velmi málo H ₃ O ⁺ a OH ionty ^- produkty jejich vlastní ionizací.

Dvě elektrody jsou obvykle vyrobeny z platiny, ačkoli na obrázku byly nahrazeny uhlíkovými elektrodami. Oba jsou připojeny k baterii, s níž je aplikován potenciální rozdíl (A), který podporuje oxidaci vody (tvorba O ₂).

Elektrony cestovat celý obvod až do dosažení druhé elektrody, kde se voda vyhraje je přes a stává H ₂ a OH ^-. V tomto bodě již byla definována anoda a katoda, které lze rozlišit podle výšky vodních sloupců; ten s nejmenší výška odpovídá katody, kde H ₂ je vytvořena.

V horní části válců jsou klíče, které umožňují uvolňování generovaných plynů. Přítomnost H ₂ může být pečlivě kontrolovat reakcí s plamenem, spalování, která produkuje plynné vody.

Techniky

Elektrolýzy vody Postupy se liší v závislosti na množství H ₂ a O ₂, které mají být generovány. Oba plyny jsou velmi nebezpečné, pokud jsou smíchány dohromady, a proto elektrolytické články vyžadují složité konstrukce, aby se minimalizovalo zvýšení tlaků plynů a jejich difúze ve vodném médiu.

Techniky se také liší v závislosti na článku, elektrolytu přidaném do vody a samotných elektrod. Na druhé straně, někteří znamenat, že se reakce provádí při vyšších teplotách, snížení spotřeby elektrické energie, a jiní používají obrovské tlaky udržet H ₂ uložen.

Ze všech technik lze uvést následující tři:

Elektrolýza alkalickou vodou

Elektrolýza se provádí pomocí zásaditých roztoků alkalických kovů (KOH nebo NaOH). S touto technikou dochází k reakcím:

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

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

Jak je vidět, jak na katodě, tak na anodě má voda bazické pH; a kromě toho, OH ^- migrovat směrem k anodě, kde se oxidují na O ₂.

Elektrolýza polymerní elektrolytickou membránou

V této technice se používá pevný polymer, který slouží jako membrána propustná pro H ⁺, ale nepropustná pro plyny. Tím je zajištěna vyšší bezpečnost během elektrolýzy.

Polobuněčné reakce v tomto případě jsou:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2 H ₂ (g)

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

H ⁺ ionty migrují z anody ke katodě, kde se redukují, aby se stal H ₂.

Elektrolýza pevnými oxidy

Velmi odlišný od jiných technik, tento používá oxidy jako elektrolyty, které při vysokých teplotách (600-900 ° C) fungují jako prostředek k transportu O ^2- aniontu.

Reakce jsou:

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

2O ² => O ₂ (g) + 4e ^-

Všimněte si, že tentokrát k anodě cestují oxidové anionty O ^2-.

K čemu je elektrolýza vody?

Elektrolýza vody produkuje H ₂ (g) a O ₂ (g). Přibližně 5% plynného vodíku produkovaného na světě je vyrobeno elektrolýzou vody.

H ₂ je vedlejším produktem elektrolýzy vodného roztoku chloridu sodného. Přítomnost soli usnadňuje elektrolýzu zvýšením elektrické vodivosti vody.

Probíhá celková reakce:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Abychom pochopili obrovský význam této reakce, budou zmíněna některá použití plynných produktů; Protože na konci dne to jsou ty, které řídí vývoj nových metod k dosažení elektrolýzy vody účinnějším a ekologičtějším způsobem.

Ze všech je nejžádanější fungovat jako buňky, které energeticky nahrazují použití spalování fosilních paliv.

Výroba vodíku a jeho použití

-Hydrogen produkovaný při elektrolýze lze použít v chemickém průmyslu působícím v závislosti na reakcích, v hydrogenačních procesech nebo jako redukční činidlo v redukčních procesech.

- Je také nezbytný v některých akcích komerčního významu, jako například: při výrobě kyseliny chlorovodíkové, peroxidu vodíku, hydroxylaminů atd. Podílí se na syntéze amoniaku katalytickou reakcí s dusíkem.

-V kombinaci s kyslíkem vytváří plameny s vysokým kalorickým obsahem, s teplotami mezi 3 000 a 3 500 K. Tyto teploty lze použít pro řezání a svařování v kovoprůmyslu, pro růst syntetických krystalů, výrobu křemene atd..

- Úprava vody: příliš vysoký obsah dusičnanů ve vodě může být snížen jeho eliminací v bioreaktorech, ve kterých bakterie používají vodík jako zdroj energie

-Hydrogen se podílí na syntéze plastů, polyesteru a nylonu. Kromě toho je součástí výroby skla, což zvyšuje spalování během pečení.

- Reaguje s oxidy a chloridem mnoha kovů, mezi nimi: stříbro, měď, olovo, bizmut a rtuť za vzniku čistých kovů.

- Navíc se používá jako palivo v chromatografické analýze s detektorem plamene.

Jako metoda ladění

Elektrolýza roztoků chloridu sodného se používá k čištění vody v bazénu. V průběhu elektrolýzy, vodík se vyrábí na katodě a chlór (Cl ₂) na anodě. Elektrolýza se v tomto případě označuje jako chlorid chloru.

Chlor se rozpustí ve vodě za vzniku kyseliny chlorné a chlornanu sodného. Kyselina chlornanová a chlornan sodný sterilizují vodu.

Jako přívod kyslíku

Elektrolýza vody se také používá k výrobě kyslíku na Mezinárodní vesmírné stanici, která slouží k udržování kyslíkové atmosféry na stanici.

Vodík může být použit v palivovém článku, způsobu ukládání energie a využití vody, která je v buňce vytvářena, ke spotřebě astronauty.

Domácí experiment

Experimenty s elektrolýzou vody byly prováděny v laboratorních měřítcích pomocí voltmetrů Hoffman nebo jiné sestavy, která umožňuje obsahovat všechny potřebné prvky elektrochemického článku.

Ze všech možných sestav a zařízení může být nejjednodušší velký průhledný zásobník na vodu, který bude sloužit jako buňka. Kromě toho musí být po ruce jakýkoli kovový nebo elektricky vodivý povrch, aby fungoval jako elektrody; jeden pro katodu a druhý pro anodu.

Pro tento účel mohou být užitečné i tužky s ostrými grafitovými hroty na obou koncích. A konečně malá baterie a některé kabely, které ji připojují k improvizovaným elektrodám.

Pokud by se neprovádělo v průhledné nádobě, tvorba plynných bublin by nebyla oceněna.

Domácí proměnné

Ačkoli elektrolýza vody je předmětem, který obsahuje mnoho zajímavých a povzbuzujících aspektů pro ty, kteří hledají alternativní zdroje energie, domácí experiment může být pro děti a jiné kolemjdoucí nudný.

Z tohoto důvodu dostatečné napětí mohou být použity ke generování tvorbu H ₂ a O _{2 od} střídavého určité proměnné a všímat změny.

První z nich je změna pH vody, za použití buď ocet okyselit vodu, nebo Na ₂ CO ₃ jej mírně zalkalizuje. Musí dojít ke změně počtu pozorovaných bublin.

Stejný experiment lze navíc opakovat s horkou a studenou vodou. Tímto způsobem by se potom uvažoval vliv teploty na reakci.

A konečně, aby byl sběr dat o něco méně bezbarvý, můžete použít velmi zředěný roztok fialové zelné šťávy. Tato šťáva je kyselinovým indikátorem přírodního původu.

Přidáním do nádoby se zasunutými elektrodami je třeba poznamenat, že na anodě se barva vody změní na růžovou (kyselá), zatímco na katodě bude barva žlutá (základní).

Reference

1. Wikipedia. (2018). Elektrolýza vody. Obnoveno z: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16. listopadu 2018). Elektrolýza vody. Struktura vody a věda. Obnoveno z: 1.lsbu.ac.uk
3. Energetická účinnost a obnovitelná energie. (sf). Výroba vodíku: elektrolýza. Obnoveno z: energy.gov
4. Phys.org. (14. února 2018). Vysoce účinný, nízkonákladový katalyzátor pro elektrolýzu vody. Obnoveno z: phys.org
5. Chemistry LibreTexts. (18. června 2015). Elektrolýza vody. Obnoveno z: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. a S. Lewis N. (2016). Principy a implementace elektrolytických systémů pro dělení vody. Královská společnost chemie.
7. Vladaři University of Minnesota. (2018). Elektrolýza vody 2. University of Minnesota. Obnoveno z: chem.umn.edu