ELECTROLIZA APEI: PROCEDURA, TEHNICILE, PENTRU CE ESTE - CHIMIE - 2025

Electroliza apei este descompunerea apei în componentele sale elementar prin aplicarea unui curent electric. Pe măsură ce trece, hidrogen și oxigen molecular, H ₂ și O ₂ , sunt formate pe două suprafețe inerte . Aceste două suprafețe sunt mai bine cunoscute prin denumirea de electrozi.

Teoretic, volumul H ₂ format ar trebui să fie de două ori volumul de O ₂ . De ce? Deoarece molecula de apă are un raport H / O egal cu 2, adică două H pentru fiecare oxigen. Această relație este verificată în mod direct cu formula sa chimică, H ₂ O. Cu toate acestea, mulți factori experimentali influențează volumele obținute.

Sursa: Antti T. Nissinen prin Flickr

Dacă electroliza se efectuează în interiorul tuburilor imersate în apă (imaginea superioară), coloana inferioară a apei corespunde hidrogenului, deoarece există o cantitate mai mare de gaz care exercită presiune pe suprafața lichidului. Bulele înconjoară electrozii și sfârșesc crescând după depășirea presiunii de vapori a apei.

Rețineți că tuburile sunt separate unele de altele, astfel încât există o migrare scăzută a gazelor de la un electrod la altul. La scară mică, acest lucru nu reprezintă un risc iminent; dar pe cântare industriale, amestecul gazos de H ₂ și O ₂ este foarte periculos și exploziv.

Din acest motiv, celulele electrochimice unde se efectuează electroliza apei sunt foarte scumpe; Au nevoie de un design și elemente care să asigure că gazele nu se amestecă niciodată, o sursă de alimentare eficientă din punct de vedere al costurilor, concentrații mari de electroliți, electrozi speciali (electrocatalizatori) și mecanisme de stocare a produsului H ₂ .

Electrocatalizatorii reprezintă frecarea și în același timp aripi pentru rentabilitatea electrolizei de apă. Unele constau din oxizi de metal nobil, cum ar fi platina și iridiul, ale căror prețuri sunt foarte mari. În acest moment, în special cercetătorii unesc forțe pentru a proiecta electrozi eficienți, stabili și ieftini.

Motivul acestor eforturi este de a accelera formarea de O ₂ , care are loc la rate mai mici , comparativ cu H ₂ . Această încetinire de electrod unde O ₂ este formată aduce ca o consecință generală aplicarea unui potențial mult mai mare decât este necesar (suprapotențialul); ceea ce este egal, cu o performanță mai mică și cheltuieli mai mari.

Reacția de electroliză

Electroliza apei implică multe aspecte complexe. Cu toate acestea, în termeni generali, baza sa se bazează pe o reacție globală simplă:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

După cum se vede în ecuație, sunt implicate două molecule de apă: una de obicei trebuie redusă sau câștigarea electronilor, în timp ce cealaltă trebuie să se oxideze sau să piardă electroni.

H ₂ este un produs de reducere a apei, deoarece câștigul de electroni care promovează H ⁺ protoni se pot alătura covalent, iar oxigenul este transformata in OH ^- . Prin urmare, H ₂ este produs la catod, care este electrodul unde are loc reducerea.

In timp ce O ₂ provine din oxidarea apei, din cauza căreia se pierde electronii care le permit sa se leaga de hidrogen, și , prin urmare , eliberează H ⁺ protoni . O ₂ este produs la anod, electrodul unde are loc oxidarea; Și spre deosebire de celălalt electrod, pH-ul din jurul anodului este acid și nu bazic.

Reacții semicelulare

Acest lucru poate fi rezumat cu următoarele ecuații chimice pentru reacțiile cu jumătate de celule:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (catod, de bază)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (Anod, acid)

Cu toate acestea, apa nu poate pierde mai mulți electroni (4e ^- ) decât câștigă celelalte molecule de apă la catod (2e ^- ); prin urmare, prima ecuație trebuie înmulțită cu 2, apoi scăzută cu a doua ecuație pentru a obține ecuația netă:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Dar 4H ⁺ și 4OH ^- formează 4H ₂ O, astfel încât elimină patru dintre cele șase molecule H ₂ O , lăsând două; iar rezultatul este reacția globală tocmai conturată.

Reacțiile semicelulare se modifică cu valorile pH-ului, tehnicile și, de asemenea, au asociate potențiale de reducere sau de oxidare, care determină cât de mult trebuie să fie furnizat curent pentru ca electroliza apei să se desfășoare spontan.

Proces

Sursa: Ivan Akira, de la Wikimedia Commons

În imaginea de mai sus este afișat un voltimetru Hoffman. Buteliile sunt umplute cu apă și electroliții selectați prin duza din mijloc. Rolul acestor electroliți este de a crește conductivitatea apei, deoarece în condiții normale , există foarte puține H ₃ O ⁺ și OH ioni ^- produse de ionizare lor auto.

Cei doi electrozi sunt de obicei din platină, deși în imagine au fost înlocuiți cu electrozi de carbon. Ambele sunt conectate la o baterie, cu care se aplică o diferență de potențial (ΔV) care promovează oxidarea apei (formarea O ₂ ).

Electronii trec întregul circuit până când ajung la celălalt electrod, unde apa le câștigă și devine H ₂ și OH ^- . În acest moment, anodul și catodul au fost deja definite, care pot fi diferențiate de înălțimea coloanelor de apă; una cu cele mai mici corespunde înălțimii la catod, unde H ₂ este format .

În partea superioară a cilindrilor, există chei care permit eliberarea gazelor generate. Prezența H ₂ poate fi verificată cu atenție prin reacția acestuia cu o flacără, a cărui ardere produce apă gazoasă.

Tehnici

Tehnici de apa electrolizei variază în funcție de cantitatea de H ₂ și O ₂ să fie generată. Ambele gaze sunt foarte periculoase dacă sunt amestecate între ele, motiv pentru care celulele electrolitice implică modele complexe pentru a minimiza creșterea presiunilor gazoase și difuzarea lor prin mediul apos.

De asemenea, tehnicile variază în funcție de celulă, electrolitul adăugat la apă și electrozii înșiși. Pe de altă parte, unii presupun că reacția se desfășoară la temperaturi mai ridicate, reducând consumul de energie electrică, iar alții folosesc presiuni enorme pentru a menține H ₂ .

Dintre toate tehnicile, se pot menționa următoarele trei:

Electroliză cu apă alcalină

Electroliza se realizează cu soluții de bază ale metalelor alcaline (KOH sau NaOH). Cu această tehnică apar reacțiile:

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

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

După cum se poate observa, atât la catod, cât și la anod, apa are un pH de bază; și , în plus, OH ^- migrează spre anod unde sunt oxidați la O ₂ .

Electroliză cu membrană electrolitică polimerică

În această tehnică se folosește un polimer solid care servește ca o membrană care este permeabilă pentru H ⁺ , dar impermeabilă pentru gaze. Acest lucru asigură o siguranță mai mare în timpul electrolizei.

Reacțiile semicelulare pentru acest caz sunt:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

H ⁺ ionii migrează de la anod la catod, unde acestea sunt reduse pentru a deveni H ₂ .

Electroliză cu oxizi solizi

Foarte diferit de alte tehnici, aceasta se utilizează oxizi ca electroliți, care la temperaturi înalte funcții (600-900ºC) ca un mijloc de transport al O ^2- anion .

Reacțiile sunt:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Rețineți că, de data aceasta, anionii de oxid, O ^2- , sunt cei care călătoresc spre anod.

Pentru ce este electroliza apei?

Electroliza apei produce H ₂ (g) și O ₂ (g). Aproximativ 5% din gazul de hidrogen produs în lume este produs prin electroliza apei.

H ₂ este un produs de a electroliza soluțiilor apoase de NaCl. Prezența sării facilitează electroliza prin creșterea conductivității electrice a apei.

Reacția generală care are loc este:

2NaCI + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Pentru a înțelege importanța enormă a acestei reacții, se vor menționa unele dintre utilizările produselor gazoase; Deoarece la sfârșitul zilei, acestea sunt cele care determină dezvoltarea de noi metode pentru a realiza electroliza apei într-un mod mai eficient și mai verde.

Dintre toate, cel mai dorit este să funcționeze ca celule care înlocuiesc energic utilizarea combustibililor fosili care ard.

Producția de hidrogen și utilizările sale

-Hidrogenul produs în electroliză poate fi utilizat în industria chimică care acționează în reacții de dependență, în procese de hidrogenare sau ca agent reducător în procesele de reducere.

-Este esențial și în unele acțiuni de importanță comercială, cum ar fi: producția de acid clorhidric, peroxid de hidrogen, hidroxilamine etc. Este implicat în sinteza amoniacului printr-o reacție catalitică cu azot.

-În combinație cu oxigenul, produce flăcări cu un conținut caloric ridicat, cu temperaturi cuprinse între 3.000 și 3.500 K. Aceste temperaturi pot fi utilizate pentru tăierea și sudarea în industria metalelor, pentru creșterea cristalelor sintetice, producția de cuarț etc. .

-Tratarea apei: conținutul excesiv de mare de nitrați în apă poate fi redus prin eliminarea sa în bioreactorii, în care bacteriile folosesc hidrogenul ca sursă de energie

-Hidrogenul este implicat în sinteza materialelor plastice, poliesterului și nylonului. În plus, face parte din producția de sticlă, crescând combustia în timpul coacerii.

-Reacționează cu oxizii și clorura multor metale, printre care: argint, cupru, plumb, bismut și mercur pentru a produce metale pure.

-În plus, este utilizat ca combustibil în analiza cromatografică cu un detector de flacără.

Ca metodă de depanare

Electroliza soluțiilor de clorură de sodiu este utilizată pentru purificarea apei din piscină. In timpul electrolizei, hidrogenul este produs la catod și clor (Cl ₂ ) , la anod. În acest caz, se face referire la electroliză drept cloror de sare.

Clorul se dizolvă în apă pentru a forma acid hipocloros și hipoclorit de sodiu. Acidul hipoclor și hipocloritul de sodiu sterilizează apa.

Ca sursă de oxigen

Electroliza apei este folosită și pentru a genera oxigen pe Stația Spațială Internațională, care servește la menținerea unei atmosfere de oxigen la stație.

Hidrogenul poate fi utilizat într-o celulă de combustibil, o metodă de stocare a energiei și utilizarea apei care este generată în celulă pentru consum de către astronauți.

Experiment acasă

Experimentele de electroliză a apei au fost efectuate la scări de laborator cu voltmetrele Hoffman sau cu un alt ansamblu care permite conținerea tuturor elementelor necesare unei celule electrochimice.

Dintre toate ansamblurile și echipamentele posibile, cel mai simplu poate fi un recipient mare de apă transparent, care va servi ca celulă. În afară de aceasta, orice suprafață metalică sau electrică conductivă trebuie să fie la îndemână pentru a funcționa ca electrozi; unul pentru catod, iar celălalt pentru anod.

În acest scop, pot fi utile chiar și creioane cu vârfuri ascuțite de grafit la ambele capete. Și în final, o baterie mică și câteva cabluri care o conectează la electrozii improvizați.

Dacă nu este efectuat într-un recipient transparent, nu ar fi apreciată formarea de bule gazoase.

Variabilele de acasă

Deși electroliza apei este un subiect care conține multe aspecte interesante și pline de speranță pentru cei care caută surse alternative de energie, experimentul casnic poate fi plictisitor pentru copii și alți participanți.

Prin urmare, se poate aplica o tensiune suficientă pentru a genera formarea de H ₂ și O _{2 prin} alternarea anumitor variabile și notarea modificărilor.

Primul este variația pH - ului apei, folosind fie otet acidifierea apa, sau Na ₂ CO ₃ pentru a se bazifică ușor. Trebuie să apară o schimbare a numărului de bule observate.

În plus, același experiment se poate repeta cu apă caldă și rece. În acest fel, se va avea în vedere efectul temperaturii asupra reacției.

În sfârșit, pentru a face colectarea datelor puțin mai incoloră, puteți utiliza o soluție foarte diluată de suc de varză violet. Acest suc este un indicator acid-bazic de origine naturală.

Adăugându-l în recipient cu electrozii introduceți, se va observa că la anod apa va deveni roz (acid), în timp ce la catod, culoarea va fi galbenă (de bază).

Referințe

1. Wikipedia. (2018). Electroliza apei. Recuperat de la: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16 noiembrie 2018). Electroliza apei. Structura și știința apei. Recuperat din: 1.lsbu.ac.uk
3. Eficiența energetică și energia regenerabilă. (Sf). Producția de hidrogen: electroliză. Recuperat din: energie.gov
4. Phys.org. (14 februarie 2018). Catalizator de înaltă eficiență, cu costuri reduse pentru electroliza apei Recuperat de la: phys.org
5. Chimie LibreTexturi. (18 iunie 2015). Electroliza apei. Recuperat din: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K., și S. Lewis N. (2016). Principii și implementări ale sistemelor de electroliză pentru divizarea apei. Societatea Regală de Chimie.
7. Regenții Universității din Minnesota. (2018). Electroliza apei 2. Universitatea din Minnesota. Recuperat din: chem.umn.edu