- Reaksyon ng elektrolisis
- Half-cell reaksyon
- Proseso
- Mga pamamaraan
- Elektrolisis na may alkalina na tubig
- Elektrolisis na may polymer electrolytic lamad
- Elektrolisis na may solid oxides
- Ano ang electrolysis ng tubig?
- Ang produksyon ng hydrogen at mga gamit nito
- Bilang isang paraan ng pag-debug
- Bilang isang suplay ng oxygen
- Eksperimento sa bahay
- Mga variable ng bahay
- Mga Sanggunian
Ang electrolysis ng tubig ay ang agnas ng tubig sa mga sangkap na sangkap sa pamamagitan ng pag-apply ng isang de-koryenteng kasalukuyang. Habang nagpapatuloy sila, ang hydrogen at molekular na oxygen, H 2 at O 2 , ay nabuo sa dalawang mga butas na ibabaw . Ang dalawang ibabaw na ito ay mas kilala sa pangalan ng mga electrodes.
Sa teoryang ito, ang dami ng H 2 na nabuo ay dapat na dalawang beses sa dami ng O 2 . Bakit? Sapagkat ang molekula ng tubig ay may isang H / O ratio na katumbas ng 2, iyon ay, dalawang H para sa bawat oxygen. Ang ugnayang ito ay direktang napatunayan sa formula ng kemikal na ito, H 2 O. Gayunpaman, maraming mga pang-eksperimentong salik ang nakakaimpluwensya sa mga volume na nakuha.
Pinagmulan: Antti T. Nissinen sa pamamagitan ng Flickr
Kung ang electrolysis ay isinasagawa sa loob ng mga tubo na nalubog sa tubig (itaas na imahe), ang mas mababang haligi ng tubig ay tumutugma sa hydrogen, dahil mayroong isang mas malaking halaga ng presyon ng gas na nagpapataw sa ibabaw ng likido. Ang mga bula ay pumapalibot sa mga electrodes at nagtatapos ng pagtaas pagkatapos ng pagtagumpayan ng singaw na presyon ng tubig.
Tandaan na ang mga tubo ay pinaghiwalay sa bawat isa sa isang paraan na mayroong isang mababang paglipat ng mga gas mula sa isang elektrod hanggang sa isa pa. Sa mababang kaliskis, hindi ito kumakatawan sa isang napipintong panganib; ngunit sa pang-industriya na mga kaliskis, ang gas na halo ng H 2 at O 2 ay lubos na mapanganib at sumasabog.
Para sa kadahilanang ito, ang mga electrochemical cells kung saan isinasagawa ang electrolysis ng tubig ay napakamahal; Kailangan nila ng isang disenyo at mga elemento na ginagarantiyahan na ang mga gas ay hindi kailanman naghahalo, isang kapaki-pakinabang na kasalukuyang supply, mataas na konsentrasyon ng mga electrolyte, mga espesyal na electrodes (electrocatalysts), at mga mekanismo upang maiimbak ang ginawa ng H 2 .
Ang mga electrocatalysts ay kumakatawan sa pagkikiskisan at sa parehong oras na mga pakpak para sa kakayahang kumita ng electrolysis ng tubig. Ang ilan ay binubuo ng mga marangal na metal oxides, tulad ng platinum at iridium, na ang mga presyo ay napakataas. Ito ay sa puntong ito lalo na kung saan ang mga mananaliksik ay sumali sa mga puwersa upang magdisenyo ng mahusay, matatag at murang mga electrodes.
Ang dahilan para sa mga pagsisikap na ito ay upang mapabilis ang pagbuo ng O 2 , na nangyayari sa mas mababang mga rate kumpara sa H 2 . Ang pagbagal ng elektrod na kung saan nabuo ang O 2 ay nagdadala bilang isang pangkalahatang kinahinatnan ang aplikasyon ng isang potensyal na mas mataas kaysa sa kinakailangan (sobrang overpotential); na pantay, sa isang mas mababang pagganap at mas mataas na gastos.
Reaksyon ng elektrolisis
Ang electrolysis ng tubig ay nagsasangkot ng maraming kumplikadong aspeto. Gayunpaman, sa pangkalahatang mga termino, ang batayan nito ay nakasalalay sa isang simpleng pandaigdigang reaksyon:
2H 2 O (l) => 2H 2 (g) + O 2 (g)
Tulad ng nakikita sa equation, ang dalawang molekula ng tubig ay kasangkot: ang isa ay karaniwang dapat mabawasan, o makakuha ng mga electron, habang ang iba ay dapat na mag-oxidize o mawalan ng mga electron.
Ang H 2 ay isang produkto ng pagbawas ng tubig, dahil ang pagkakaroon ng mga electron ay nagtataguyod na ang mga proton H + ay maaaring magbigkis ng covalently, at ang oxygen ay binago sa OH - . Samakatuwid, ang H 2 ay ginawa sa katod, na kung saan ay ang elektrod kung saan nangyayari ang pagbawas.
Habang ang O 2 ay nagmula sa oksihenasyon ng tubig, dahil sa kung saan nawawala nito ang mga electron na pinapayagan itong magbigkis sa hydrogen, at dahil dito ay naglalabas ng mga H + proton . Ang O 2 ay ginawa sa anode, ang elektrod kung saan nangyayari ang oksihenasyon; At hindi katulad ng iba pang elektrod, ang pH sa paligid ng anode ay acidic at hindi pangunahing.
Half-cell reaksyon
Maaari itong mai-summarize ng mga sumusunod na mga equation ng kemikal para sa mga reaksyon ng kalahating cell:
2H 2 O + 2e - => H 2 + 2OH - (Cathode, pangunahing)
2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e - (Anode, acid)
Gayunpaman, ang tubig ay hindi maaaring mawalan ng higit pang mga electron (4e - ) kaysa sa iba pang mga nakuha ng molekula ng tubig sa katod (2e - ); samakatuwid, ang unang equation ay dapat na dumami ng 2, at pagkatapos ay ibawas sa pangalawang equation upang makuha ang net equation:
2 (2H 2 O + 2e - => H 2 + 2OH - )
2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e -
6H 2 O => 2H 2 + O 2 + 4H + + 4OH -
Ngunit ang 4H + at 4OH - form 4H 2 O, kaya tinanggal nila ang apat sa anim na H 2 O na mga molekula, iniwan ang dalawa; at ang resulta ay ang pandaigdigang reaksyon na nakabalangkas lamang.
Ang mga reaksyon ng kalahati ng cell ay nagbabago sa mga halaga ng pH, pamamaraan, at mayroon ding nauugnay na pagbawas o mga potensyal ng oksihenasyon, na tinutukoy kung gaano karaming mga kasalukuyang kinakailangang ipagkaloob para sa electrolysis ng tubig upang magpatuloy nang kusang.
Proseso
Pinagmulan: Ivan Akira, mula sa Wikimedia Commons
Ang isang Hoffman voltameter ay ipinapakita sa imahe sa itaas. Ang mga silindro ay puno ng tubig at ang mga napiling electrolyte sa pamamagitan ng gitnang nozzle. Ang papel ng mga electrolytes na ito ay upang madagdagan ang kondaktibiti ng tubig, dahil sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay napakakaunting mga H 3 O + at OH ion - mga produkto ng kanilang self-ionization.
Ang dalawang electrodes ay karaniwang gawa sa platinum, bagaman sa imahe ay pinalitan sila ng mga electrodes ng carbon. Parehong konektado sa isang baterya, kung saan ang isang potensyal na pagkakaiba (ΔV) ay inilalapat na nagtataguyod ng oksihenasyon ng tubig (pagbuo ng O 2 ).
Ang mga elektron ay naglalakbay sa buong circuit hanggang maabot nila ang iba pang elektrod, kung saan ang tubig ay nanalo sa kanila at nagiging H 2 at OH - . Sa puntong ito, ang anode at katod ay natukoy na, na maaaring maiiba sa taas ng mga haligi ng tubig; ang isa na may pinakamababang taas ay tumutugma sa katod, kung saan nabuo ang H 2 .
Sa itaas na bahagi ng mga cylinders, may mga susi na nagpapahintulot sa mga gas na nabuo na ilalabas. Ang pagkakaroon ng H 2 ay maingat na suriin sa pamamagitan ng pag-reaksyon nito ng isang siga, ang pagkasunog ng kung saan gumagawa ng tubig na gas.
Mga pamamaraan
Ang mga pamamaraan ng electrolysis ng tubig ay nag-iiba depende sa dami ng H 2 at O 2 na mabubuo. Ang parehong mga gas ay mapanganib kung ang mga ito ay halo-halong magkasama, at iyon ang dahilan kung bakit ang mga selulang electrolytic ay nagsasangkot ng mga kumplikadong disenyo upang mabawasan ang pagtaas ng mga presyon ng gas at ang kanilang pagsasabog sa pamamagitan ng aqueous medium.
Gayundin, ang mga pamamaraan ay nag-iiba depende sa cell, idinagdag ang electrolyte sa tubig, at ang mga electrodes mismo. Sa kabilang banda, ang ilan ay nagpapahiwatig na ang reaksyon ay isinasagawa sa mas mataas na temperatura, binabawasan ang pagkonsumo ng kuryente, at ang iba ay gumagamit ng napakalaking panggigipit upang mapanatili ang iniimbak ng H 2 .
Sa lahat ng mga pamamaraan, ang sumusunod na tatlo ay maaaring mabanggit:
Elektrolisis na may alkalina na tubig
Ang elektrolisis ay isinasagawa gamit ang mga pangunahing solusyon ng mga metal na alkali (KOH o NaOH). Sa pamamaraang ito nagaganap ang mga reaksyon:
4H 2 O (l) + 4e - => 2H 2 (g) + 4OH - (aq)
4OH - (aq) => O 2 (g) + 2H 2 O (l) + 4e -
Tulad ng nakikita, kapwa sa katod at sa anod, ang tubig ay may pangunahing pH; at bilang karagdagan, ang OH - lumipat patungo sa anode kung saan sila ay na-oxidized sa O 2 .
Elektrolisis na may polymer electrolytic lamad
Sa pamamaraang ito ang isang solidong polimer ay ginagamit na nagsisilbing isang lamad na natatagusan para sa H + , ngunit hindi mahahalata sa mga gas. Tinitiyak nito ang higit na kaligtasan sa panahon ng electrolysis.
Ang mga reaksyon ng kalahating cell para sa kasong ito ay:
4H + (aq) + 4e - => 2H 2 (g)
2H 2 O (l) => O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e -
Ang mga + ion ay lumipat mula sa anode patungo sa katod, kung saan sila ay nabawasan upang maging H 2 .
Elektrolisis na may solid oxides
Iba't ibang naiiba sa iba pang mga diskarte, ang isang ito ay gumagamit ng mga oxides bilang electrolyte, na sa mataas na temperatura (600-900ºC) ay gumana bilang isang paraan ng pagdala ng O 2- anion .
Ang mga reaksyon ay:
2H 2 O (g) + 4e - => 2H 2 (g) + 2O 2-
2O 2- => O 2 (g) + 4e -
Tandaan na sa oras na ito ito ay ang mga oxion anions, O 2- , na paglalakbay sa anode.
Ano ang electrolysis ng tubig?
Ang electrolysis ng tubig ay gumagawa ng H 2 (g) at O 2 (g). Humigit-kumulang 5% ng hydrogen gas na ginawa sa mundo ay ginawa sa pamamagitan ng electrolysis ng tubig.
Ang H 2 ay isang by-product ng electrolysis ng may tubig na solusyon sa NaCl. Ang pagkakaroon ng asin ay nagpapadali ng electrolysis sa pamamagitan ng pagdaragdag ng de-koryenteng conductivity ng tubig.
Ang pangkalahatang reaksyon na nagaganap ay:
2NaCl + 2H 2 O => Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Upang maunawaan ang napakalaking kahalagahan ng reaksyon na ito, ang ilan sa mga paggamit ng mga produktong gas ay mababanggit; Dahil sa pagtatapos ng araw, ito ang mga nagtulak sa pagbuo ng mga bagong pamamaraan upang makamit ang electrolysis ng tubig sa mas mahusay at berdeng paraan.
Sa lahat ng mga ito, ang pinaka nais ay gumana bilang mga cell na masiglang palitan ang paggamit ng mga nasusunog na fossil fuels.
Ang produksyon ng hydrogen at mga gamit nito
-Hydrogen na ginawa sa electrolysis ay maaaring magamit sa industriya ng kemikal na kumikilos sa mga reaksyon sa pagkagumon, sa mga proseso ng hydrogenation o bilang isang pagbabawas ng ahente sa mga proseso ng pagbawas.
Ito rin ay mahalaga sa ilang mga aksyon na may kahalagahan sa komersyal, tulad ng: ang paggawa ng hydrochloric acid, hydrogen peroxide, hydroxylamines, atbp. Ito ay kasangkot sa synthesis ng ammonia sa pamamagitan ng isang catalytic reaksyon na may nitrogen.
-Sa pagsasama ng oxygen, gumagawa ito ng mga apoy na may mataas na caloric content, na may mga temperatura na sumasaklaw sa pagitan ng 3,000 at 3,500 K. Ang mga temperatura na ito ay maaaring magamit para sa pagputol at pag-welding sa industriya ng metal, para sa paglago ng synthetic crystals, paggawa ng kuwarts, atbp. .
-Ang paggamot: Ang labis na mataas na nilalaman ng nitrayt sa tubig ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng pag-aalis nito sa mga bioreactors, kung saan ang bakterya ay gumagamit ng hydrogen bilang isang mapagkukunan ng enerhiya
-Hydrogen ay kasangkot sa synthesis ng plastik, polyester at naylon. Bilang karagdagan, ito ay bahagi ng paggawa ng baso, pagtaas ng pagkasunog sa panahon ng pagluluto ng hurno.
-Mga reaksiyon sa mga oksiheno at klorido ng maraming mga metal, bukod sa kanila: pilak, tanso, tingga, bismuth at mercury upang makagawa ng mga purong metal.
-S Bilang karagdagan, ginagamit ito bilang gasolina sa pagtatasa ng chromatographic na may detektor ng apoy.
Bilang isang paraan ng pag-debug
Ang electrolysis ng mga solusyon sa sodium chloride ay ginagamit para sa paglilinis ng tubig sa swimming pool. Sa panahon ng electrolysis, ang hydrogen ay ginawa sa katod at klorin (Cl 2 ) sa anode. Ang elektrolisis ay tinukoy sa kasong ito bilang isang klorinator ng asin.
Ang klorin ay natunaw sa tubig upang makabuo ng hypochlorous acid at sodium hypochlorite. Hypochlorous acid at sodium hypochlorite isterilisis ang tubig.
Bilang isang suplay ng oxygen
Ang electrolysis ng tubig ay ginagamit din upang makabuo ng oxygen sa International Space Station, na nagsisilbi upang mapanatili ang isang oxygen na kapaligiran sa istasyon.
Ang hydrogen ay maaaring magamit sa isang fuel cell, isang paraan ng pag-iimbak ng enerhiya, at gamitin ang tubig na nabuo sa cell para sa pagkonsumo ng mga astronaut.
Eksperimento sa bahay
Ang mga eksperimento sa electrolysis ng tubig ay isinasagawa sa mga kaliskis sa laboratoryo na may mga Hoffman voltmeter, o isa pang pagpupulong na nagpapahintulot na maglaman ng lahat ng kinakailangang mga elemento ng isang electrochemical cell.
Sa lahat ng mga posibleng pagtitipon at kagamitan, ang pinakasimpleng maaaring isang malaking transparent na lalagyan ng tubig, na magsisilbing isang cell. Bilang karagdagan sa ito, ang anumang metal o electrically conductive na ibabaw ay dapat ding nasa kamay upang gumana bilang mga electrodes; ang isa para sa katod, at ang isa para sa anode.
Para sa layuning ito kahit na ang mga lapis na may matalim na mga tip sa grapayt sa parehong mga dulo ay maaaring maging kapaki-pakinabang. At sa wakas, isang maliit na baterya at ilang mga cable na kumonekta ito sa mga improvised na electrodes.
Kung hindi isinasagawa sa isang transparent na lalagyan, ang pagbuo ng mga gas na bula ay hindi mapapahalagahan.
Mga variable ng bahay
Bagaman ang electrolysis ng tubig ay isang paksa na naglalaman ng maraming nakakaintriga at umaasa na mga aspeto para sa mga naghahanap ng mga alternatibong mapagkukunan ng enerhiya, ang eksperimento sa bahay ay maaaring maging boring para sa mga bata at iba pang mga bystander.
Samakatuwid, ang sapat na boltahe ay maaaring mailapat upang mabuo ang pagbuo ng H 2 at O 2 sa pamamagitan ng pag- alternate ng ilang mga variable at tandaan ang mga pagbabago.
Ang una ay ang pagkakaiba-iba ng pH ng tubig, gamit ang alinman sa suka upang maasahin ang tubig, o Na 2 CO 3 upang bahagyang basahin ito. Ang pagbabago sa bilang ng mga bula na sinusunod ay dapat mangyari.
Bilang karagdagan, ang parehong eksperimento ay maaaring maulit sa mainit at malamig na tubig. Sa ganitong paraan, ang epekto ng temperatura sa reaksyon ay pagkatapos ay pagninilayan.
Sa wakas, upang makagawa ang koleksyon ng data ng kaunting hindi gaanong kulay, maaari kang gumamit ng isang napaka-dilute solution ng lila ng repolyo na juice. Ang katas na ito ay isang tagapagpahiwatig ng acid-base ng likas na pinagmulan.
Pagdaragdag nito sa lalagyan na may mga nakapasok na electrodes, mapapansin na sa anode ang tubig ay magiging kulay rosas (acid), habang nasa katod, ang kulay ay magiging dilaw (pangunahing).
Mga Sanggunian
- Wikipedia. (2018). Elektrolisis ng tubig. Nabawi mula sa: en.wikipedia.org
- Chaplin M. (Nobyembre 16, 2018). Elektrolisis ng tubig. Ang istruktura ng tubig at agham. Nabawi mula sa: 1.lsbu.ac.uk
- Enerhiya kahusayan at Renewable Energy. (sf). Ang produksyon ng haydrogen: electrolysis. Nabawi mula sa: energy.gov
- Phys.org. (Pebrero 14, 2018). Mataas na kahusayan, mababang halaga ng katalista para sa electrolysis ng tubig. Nabawi mula sa: phys.org
- Chemistry LibreTexts. (Hunyo 18, 2015). Elektrolisis ng tubig. Nabawi mula sa: chem.libretexts.org
- Xiang C., M. Papadantonakisab K., at S. Lewis N. (2016). Mga prinsipyo at pagpapatupad ng mga electrolysis system para sa paghahati ng tubig. Ang Royal Society of Chemistry.
- Mga rehistro ng Unibersidad ng Minnesota. (2018). Elektrolisis ng Tubig 2. Unibersidad ng Minnesota. Nabawi mula sa: chem.umn.edu