Waterelektrolyseprocedure, technieken, waar is het voor, home-experiment

de water elektrolyse het is de ontbinding van water in zijn elementaire componenten door de toepassing van een elektrische stroom. Tijdens het proces worden waterstof en moleculaire zuurstof gevormd op twee inerte oppervlakken, H₂ en O₂. Deze twee oppervlakken zijn beter bekend onder de naam van elektroden.

Theoretisch is het volume van H₂ gevormd moet tweemaal het volume van O zijn₂. Waarom? Omdat het watermolecuul een H / O-verhouding heeft die gelijk is aan 2, dat wil zeggen, twee H voor elke zuurstof. Deze relatie wordt direct gecontroleerd met zijn chemische formule, H₂O. Veel experimentele factoren hebben echter invloed op de verkregen volumes.

Als de elektrolyse wordt uitgevoerd in buizen ondergedompeld in water (bovenste afbeelding), correspondeert de kolom met water van lagere hoogte met waterstof, omdat er een grotere hoeveelheid gas is die druk uitoefent op het oppervlak van de vloeistof. Bubbels omringen de elektroden en stijgen omhoog nadat de stoomdruk van het water afloopt.

Merk op dat de buizen op een zodanige manier van elkaar zijn gescheiden dat er een lage migratie van gassen van de ene elektrode naar de andere plaatsvindt. Op lage schalen vertegenwoordigt dit geen onmiddellijk risico; maar op industriële schaal is het gasmengsel van H₂ en O₂ Het is zeer gevaarlijk en explosief.

Om deze reden zijn de elektrochemische cellen waar waterelektrolyse wordt uitgevoerd erg duur; ze hebben een ontwerp en elementen nodig die garanderen dat de gassen nooit vermengen, een winstgevende stroomtoevoer, hoge concentraties elektrolyten, speciale elektroden (elektrokatalysatoren) en mechanismen om de H op te slaan₂ geproduceerd.

Elekrokatalysatoren vertegenwoordigen wrijving en tegelijkertijd de vleugels voor de winstgevendheid van elektrolyse van water. Sommige bestaan ​​uit oxiden van edelmetalen, zoals platina en iridium, waarvan de prijzen erg hoog zijn. Het is op dit punt vooral waar onderzoekers hun krachten bundelen voor het ontwerp van efficiënte, stabiele en goedkope elektroden.

De reden voor deze inspanningen is om de vorming van O te versnellen₂, die wordt gegeven bij lagere snelheden vergeleken met H₂. Dit vertraagt ​​door de elektrode waar de O wordt gevormd₂ het brengt als algemene consequentie de toepassing van een potentieel veel groter dan noodzakelijk (overpotentieel); wat hetzelfde is, om prestaties te verlagen en hogere uitgaven.

index

• 1 Reactie van elektrolyse
  • 1.1 Halfcelreacties
• 2 Procedure
• 3 Technieken
  • 3.1 Elektrolyse met alkalisch water
  • 3.2 Elektrolyse met polymeer elektrolytisch membraan
  • 3.3 Elektrolyse met vaste oxiden
• 4 Wat is het gebruik van waterelektrolyse??
  • 4.1 Productie van waterstof en het gebruik ervan
  • 4.2 Als een foutopsporingsmethode
  • 4.3 Als zuurstoftoevoer
• 5 Thuisexperiment
  • 5.1 Thuisvariabelen
• 6 Referenties

Elektrolyse reactie

De elektrolyse van water brengt vele complexe aspecten met zich mee. In algemene termen ligt de basis echter in een eenvoudige algemene reactie:

2H₂O (l) => 2H₂(g) + O₂(G)

Zoals in de vergelijking wordt waargenomen, komen twee watermoleculen tussenbeide: normaliter moet men verkleinen of elektronen aantrekken, terwijl de andere elektronen moet oxideren of verliezen.

De H₂ Het is een product van waterreductie, omdat de versterking van elektronen de protonen H bevordert⁺ kan covalent worden gebonden en de zuurstof wordt omgezet in OH^-. Daarom is de H₂ komt voor aan de kathode, de elektrode waar de reductie optreedt.

Terwijl de O₂ komt van de oxidatie van water, omdat het de elektronen verliest die het mogelijk maken om aan waterstof te binden, en bijgevolg protonen H vrijgeeft⁺. De O₂ komt voor aan de anode, elektrode waar oxidatie optreedt; en in tegenstelling tot de andere elektrode, is de pH rond de anode zuur en niet basisch.

Halfcelreacties

Het bovenstaande kan worden samengevat met de volgende chemische vergelijkingen voor halfcelreacties:

2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^- (Kathode, basis)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^- (Anode, zuur)

Water kan echter niet meer elektronen verliezen (4e^-) waarvan het andere watermolecuul wint aan de kathode (2e^-); daarom moet de eerste vergelijking worden vermenigvuldigd met 2 en vervolgens worden afgetrokken met de tweede vergelijking om de nettovergelijking te verkrijgen:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^-)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^-

6H₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

Maar 4H⁺ en 4OH^- ze vormen 4H₂Of, dus deze elimineren vier van de zes H-moleculen₂Of twee verlaten; en het resultaat is de net ontstane globale reactie.

De halfcelreacties veranderen met de pH-waarden, de technieken en hebben ook potentiële reductie- of oxidatiepotentialen, die bepalen hoeveel stroom moet worden geleverd, zodat de elektrolyse van het water spontaan verloopt.

procédé

De bovenste afbeelding toont een Hoffman voltmeter. De cilinders worden gevuld met water en de geselecteerde elektrolyten door de middelste spuitmond. De rol van deze elektrolyten is het verhogen van de geleidbaarheid van water, omdat er onder normale omstandigheden zeer weinig H-ionen zijn₃O⁺ en OH^- producten van uw auto-ionisatie.

De twee elektroden zijn meestal platina, hoewel ze in het beeld zijn vervangen door koolstofelektroden. Beide zijn verbonden met een batterij, waarmee een potentiaalverschil (ΔV) dat de oxidatie van water bevordert (O-formatie) wordt toegepast.₂).

De elektronen bewegen het hele circuit totdat je de andere elektrode bereikt, waar het water wint en H wordt₂ en OH^-. Op dit punt zijn de anode en de kathode al gedefinieerd, die kunnen worden onderscheiden door de hoogte van de waterkolommen; die van kleinere hoogte, komt overeen met de kathode, waar de H wordt gevormd₂.

In het bovenste gedeelte van de cilinders zijn er enkele sleutels die het mogelijk maken om de gegenereerde gassen vrij te geven. U kunt de aanwezigheid van H zorgvuldig controleren₂ het laten reageren met een vlam, waarvan de verbranding gasvormig water produceert.

technieken

Waterelektrolysetechnieken variëren afhankelijk van de hoeveelheid H₂ en O₂ dat wordt voorgesteld om te genereren. Beide gassen zijn zeer gevaarlijk als ze met elkaar worden gemengd en daarom dragen de elektrolytische cellen complexe ontwerpen om de toename van gasdrukken en hun diffusie door het waterige medium te minimaliseren..

Ook oscilleren de technieken afhankelijk van de cel, het elektrolyt dat aan het water wordt toegevoegd en de elektroden zelf. Aan de andere kant impliceren sommige dat de reactie wordt uitgevoerd bij hogere temperaturen, waardoor het elektriciteitsverbruik afneemt en andere enorme druk uitoefenen om de H te behouden₂ opgeslagen.

Van alle technieken kunnen de volgende drie worden genoemd:

Elektrolyse met alkalisch water

De elektrolyse wordt uitgevoerd met basische oplossingen van de alkalimetalen (KOH of NaOH). Met deze techniek komen de reacties voor:

4H₂O (l) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(Aq)

4OH^-(ac) => O₂(g) + 2H₂O (l) + 4e^-

Zoals te zien is, heeft water, zowel aan de kathode als aan de anode, een basische pH; en bovendien de OH^- migreren naar de anode waar ze oxideren naar O₂.

Elektrolyse met polymeer elektrolytisch membraan

Bij deze techniek wordt een vast polymeer gebruikt dat dient als een permeabel membraan voor H⁺, maar waterdicht voor gassen. Dit garandeert een grotere veiligheid tijdens elektrolyse.

De half-celreacties voor deze zaak zijn:

4H⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(G)

2H₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

De H-ionen⁺ ze migreren van de anode naar de kathode, waar ze worden gereduceerd tot H₂.

Elektrolyse met vaste oxiden

Zeer verschillend van de andere technieken, gebruikt het oxiden als elektrolyten, die bij hoge temperaturen (600-900ºC) als een anion transportmedium functioneren.^2-.

De reacties zijn:

2H₂O (g) + 4e^- => 2H₂(g) + 2O^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Merk op dat dit de oxide-anionen zijn, OF^2-, degenen die naar de anode reizen.

Wat is het gebruik van waterelektrolyse?

Waterelektrolyse produceert H₂ (g) en O₂ (G). Ongeveer 5% van het waterstofgas dat in de wereld wordt geproduceerd, wordt geproduceerd door de elektrolyse van water.

De H₂ het is een bijproduct van de elektrolyse van waterige NaCl-oplossingen. De aanwezigheid van zout vergemakkelijkt de elektrolyse door de elektrische geleidbaarheid van water te vergroten.

De wereldwijde reactie die plaatsvindt, is:

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

Om het enorme belang van deze reactie te begrijpen, zullen enkele toepassingen van gasvormige producten worden genoemd; omdat dit uiteindelijk de ontwikkeling van nieuwe methoden bevordert om waterelektrolyse op een meer efficiënte en groene manier tot stand te brengen.

Van alle landen is het het meest gewenst om te dienen als cellen die energetisch het gebruik van fossiele brandstoffen vervangen.

Productie van waterstof en zijn toepassingen

-Waterstof geproduceerd in elektrolyse kan worden gebruikt in de chemische industrie die werkt in verslavingsreacties, in hydrogeneringsprocessen of als reductiemiddel in reductieprocessen..

-Ook is het essentieel in sommige acties van commercieel belang, zoals: de productie van zoutzuur, waterstofperoxide, hydroxylamines, enz. Betrokken bij de synthese van ammoniak door een katalytische reactie met stikstof.

-In combinatie met zuurstof produceert het vlammen met een hoog calorisch gehalte, met temperaturen tussen 3.000 en 3.500 K. Deze temperaturen kunnen worden gebruikt voor sneden en lassen in de metaalindustrie, voor de groei van synthetische kristallen, de productie van kwarts, enz..

-Waterbehandeling: het te hoge gehalte aan nitraten in water kan worden verminderd door hun eliminatie in bioreactoren, waarbij de bacteriën waterstof als energiebron gebruiken

-Waterstof komt tussen in de synthese van kunststoffen, polyester en nylon. Bovendien maakt het deel uit van de productie van glas, waarbij de verbranding tijdens het bakken toeneemt.

-Reageert met de oxiden en chloride van vele metalen, waaronder zilver, koper, lood, bismut en kwik om zuivere metalen te produceren.

-En bovendien wordt het gebruikt als brandstof in de chromatografische analyses met een vlamdetector.

Als een foutopsporingsmethode

De elektrolyse van natriumchlorideoplossingen wordt gebruikt voor de zuivering van zwembadwater. Tijdens de elektrolyse wordt waterstof geproduceerd in de kathode en chloor (Cl₂) bij de anode. Er is sprake van elektrolyse in dit geval als een zoutchlorinator.

Chloor lost op in watervormend hypochloorzuur en natriumhypochloriet. Hypochloorzuur en natriumhypochloriet steriliseren water.

Als zuurstoftoevoer

De elektrolyse van water wordt ook gebruikt om zuurstof te genereren in het internationale ruimtestation, dat dient om een ​​zuurstofatmosfeer in het station te handhaven.

Waterstof kan worden gebruikt in een brandstofcel, methode om energie op te slaan, en het water dat wordt gegenereerd in de cel gebruiken voor consumptie door astronauten.

Thuisexperiment

Waterelektrolyse-experimenten zijn uitgevoerd op laboratoriumschalen met Hoffman-voltmeters of andere assemblage die het mogelijk maakt om alle noodzakelijke elementen van een elektrochemische cel te bevatten.

Van alle mogelijke samenstellingen en apparatuur, kan de eenvoudigste een grote transparante watercontainer zijn, die als een cel zal dienen. Daar komt nog bij dat u ook een metalen of elektrisch geleidend oppervlak bij de hand moet hebben om als elektroden te functioneren; één voor de kathode en de andere voor de anode.

Voor dit doel kunnen zelfs potloden met aan weerszijden geslepen grafietpunten nuttig zijn. En tot slot, een kleine batterij en enkele kabels die hem verbinden met de geïmproviseerde elektroden.

Als het niet in een transparante container wordt gedaan, kan de vorming van gasbellen niet worden gewaardeerd.

Home variabelen

Hoewel de elektrolyse van water een onderwerp is dat veel intrigerende en hoopvolle aspecten bevat voor diegenen die op zoek zijn naar alternatieve energiebronnen, kan het huisexperiment saai zijn voor kinderen en andere toeschouwers..

Daarom kan voldoende spanning worden toegepast om H-vorming te genereren₂ en O₂ afwisselend bepaalde variabelen en noteren van de veranderingen.

De eerste is de variatie van de pH van het water, met behulp van azijn om het water aan te zuren, of Na₂CO₃ om het enigszins te baseren. Er moet een verandering in de hoeveelheid waargenomen bubbels optreden.

Bovendien kan hetzelfde experiment worden herhaald met koud en warm water. Op deze wijze zou dan het effect van de temperatuur op de reactie worden overwogen.

Tot slot, om de gegevensverzameling iets minder kleurloos te maken, kunt u een zeer verdunde oplossing van paars koolsap gebruiken. Dit sap is een basis zuur indicator van natuurlijke oorsprong.

Wanneer het met de geïntroduceerde elektroden aan de houder wordt toegevoegd, zal het opvallen dat bij de anode het water roze (zuur) wordt, terwijl bij de kathode de verkleuring geel zal zijn (basis)..

referenties

1. Wikipedia. (2018). Elektrolyse van water. Teruggeplaatst van: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16 november 2018). Elektrolyse van water. Waterstructuur en wetenschap. Teruggeplaatst van: 1.lsbu.ac.uk
3. Energie-efficiëntie en hernieuwbare energie. (N.D.). Waterstofproductie: elektrolyse. Teruggeplaatst van: energy.gov
4. Phys.org. (14 februari 2018). Hoogrenderende, goedkope katalysator voor waterelektrolyse. Teruggeplaatst van: phys.org
5. Chemie LibreTexts. (18 juni 2015). Elektrolyse van water. Teruggeplaatst van: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. en S. Lewis N. (2016). Principes en implementaties van elektrolysesystemen voor watersplitsing. The Royal Society of Chemistry.
7. Regenten van de Universiteit van Minnesota. (2018). Elektrolyse van water 2. Universiteit van Minnesota. Teruggeplaatst van: chem.umn.edu