Quy trình điện phân nước, kỹ thuật, dùng để làm gì, thí nghiệm tại nhà

các điện phân nước đó là sự phân hủy nước thành các thành phần cơ bản của nó bằng cách sử dụng dòng điện. Khi tiến hành, hydro và oxy phân tử được hình thành trên hai bề mặt trơ, H₂ và O₂. Hai bề mặt này được biết đến nhiều hơn bằng tên của các điện cực.

Về mặt lý thuyết, thể tích của H₂ hình thành phải gấp đôi thể tích của O₂. Tại sao? Bởi vì phân tử nước có tỷ lệ H / O bằng 2, nghĩa là hai H cho mỗi oxy. Mối quan hệ này được kiểm tra trực tiếp với công thức hóa học của nó, H₂O. Tuy nhiên, nhiều yếu tố thí nghiệm ảnh hưởng đến khối lượng thu được.

Nếu quá trình điện phân được thực hiện bên trong các ống chìm trong nước (ảnh trên cùng), cột nước có chiều cao thấp hơn tương ứng với hydro, do có một lượng khí lớn hơn gây áp lực lên bề mặt chất lỏng. Bong bóng bao quanh các điện cực và cuối cùng tăng lên sau khi áp suất hơi nước hết hạn.

Lưu ý rằng các ống được tách ra khỏi nhau theo cách có sự di chuyển thấp của khí từ điện cực này sang điện cực khác. Ở quy mô thấp, điều này không thể hiện nguy cơ sắp xảy ra; nhưng ở quy mô công nghiệp, hỗn hợp khí của H₂ và O₂ Nó rất nguy hiểm và bùng nổ.

Vì lý do này, các tế bào điện hóa nơi thực hiện điện phân nước rất tốn kém; họ cần một thiết kế và các yếu tố đảm bảo rằng các khí không bao giờ trộn lẫn, nguồn cung cấp có lợi nhuận, nồng độ chất điện phân cao, điện cực đặc biệt (chất điện phân) và cơ chế để lưu trữ H₂ sản xuất.

Các chất điện phân đại diện cho ma sát và đồng thời là đôi cánh cho lợi nhuận của điện phân nước. Một số bao gồm các oxit của kim loại quý, chẳng hạn như bạch kim và iridium, có giá rất cao. Tại thời điểm này, đặc biệt là nơi các nhà nghiên cứu tham gia lực lượng để thiết kế các điện cực hiệu quả, ổn định và giá rẻ.

Lý do cho những nỗ lực này là để đẩy nhanh quá trình hình thành O₂, được đưa ra ở tốc độ thấp hơn so với H₂. Điều này làm chậm lại bởi điện cực nơi O được hình thành₂ nó mang lại kết quả chung là việc áp dụng một tiềm năng lớn hơn nhiều so với mức cần thiết (overpotential); Điều gì là giống nhau, để hiệu suất thấp hơn và chi phí cao hơn.

Chỉ số

• 1 Phản ứng điện phân
  • 1.1 Phản ứng nửa tế bào
• 2 thủ tục
• 3 kỹ thuật
  • 3.1 Điện phân với nước kiềm
  • 3.2 Điện phân với màng điện phân polymer
  • 3.3 Điện phân với các oxit rắn
• 4 Công dụng của điện phân nước là gì??
  • 4.1 Sản xuất hydro và công dụng của nó
  • 4.2 Là một phương pháp sửa lỗi
  • 4.3 Khi cung cấp oxy
• 5 thí nghiệm tại nhà
  • 5.1 Biến nhà
• 6 tài liệu tham khảo

Phản ứng điện phân

Sự điện phân của nước liên quan đến nhiều khía cạnh phức tạp. Tuy nhiên, nói chung, cơ sở của nó nằm trong một phản ứng toàn cầu đơn giản:

2 giờ₂O (l) => 2H₂(g) + O₂(g)

Theo quan sát trong phương trình, hai phân tử nước can thiệp: một người thường phải giảm, hoặc thu được điện tử, trong khi người kia phải oxy hóa hoặc mất electron.

H₂ Nó là một sản phẩm của quá trình khử nước, bởi vì sự tăng ích của các điện tử thúc đẩy các proton H⁺ có thể liên kết cộng hóa trị và oxy chuyển thành OH^-. Do đó, H₂ xảy ra ở cực âm, là điện cực nơi xảy ra sự khử.

Trong khi O₂ đến từ quá trình oxy hóa nước, vì nó mất các electron cho phép nó liên kết với hydro và do đó giải phóng các proton H⁺. Ô₂ xảy ra ở cực dương, điện cực nơi xảy ra quá trình oxy hóa; và không giống như các điện cực khác, pH xung quanh cực dương có tính axit và không cơ bản.

Phản ứng nửa tế bào

Trên đây có thể được tóm tắt với các phương trình hóa học sau đây cho các phản ứng nửa tế bào:

2 giờ₂O + 2e^- => H₂ + 2 giờ^- (Cathode, cơ bản)

2 giờ₂O => O₂ + 4 giờ⁺ + 4e^- (Cực dương, axit)

Tuy nhiên, nước không thể mất nhiều electron hơn (4e^-) trong đó phân tử nước khác thắng ở cực âm (2e^-); do đó, phương trình thứ nhất phải được nhân với 2, và sau đó trừ đi phương trình thứ hai để có được phương trình thuần:

2 (2 giờ₂O + 2e^- => H₂ + 2 giờ^-)

2 giờ₂O => O₂ + 4 giờ⁺ + 4e^-

6 giờ₂O => 2H₂ + Ôi₂ + 4 giờ⁺ + 4 giờ^-

Nhưng 4 giờ⁺ và 4 giờ^- họ tạo thành 4H₂Hoặc, do đó, loại bỏ bốn trong số sáu phân tử H₂Hoặc để lại hai; và kết quả là phản ứng toàn cầu vừa được đặt ra.

Các phản ứng nửa tế bào thay đổi theo các giá trị pH, các kỹ thuật và cũng có khả năng khử hoặc oxy hóa tiềm năng, xác định mức độ cần cung cấp dòng điện để quá trình điện phân nước diễn ra một cách tự nhiên.

Thủ tục

Hình trên cho thấy một vôn kế Hoffman. Các xi lanh chứa đầy nước và các chất điện phân được chọn thông qua vòi phun giữa. Vai trò của các chất điện giải này là làm tăng độ dẫn của nước, vì trong điều kiện bình thường có rất ít ion H₃Ôi⁺ và OH^- sản phẩm ion hóa tự động của bạn.

Hai điện cực thường là bạch kim, mặc dù trong hình ảnh chúng được thay thế bằng điện cực carbon. Cả hai đều được kết nối với pin, với sự khác biệt tiềm năng (V) thúc đẩy quá trình oxy hóa nước (hình thành O) được áp dụng.₂).

Các electron di chuyển toàn bộ mạch cho đến khi bạn chạm tới điện cực khác, nơi nước thắng và trở thành H₂ và OH^-. Tại thời điểm này, cực dương và cực âm đã được xác định, có thể được phân biệt bởi chiều cao của các cột nước; một chiều cao nhỏ hơn, tương ứng với cực âm, nơi H được hình thành₂.

Ở phần trên của các xi lanh, có một số phím cho phép giải phóng khí được tạo ra. Bạn có thể kiểm tra, cẩn thận, sự hiện diện của H₂ làm cho nó phản ứng với ngọn lửa, sự đốt cháy tạo ra nước khí.

Kỹ thuật

Kỹ thuật điện phân nước khác nhau tùy thuộc vào lượng H₂ và O₂ đó là đề xuất để tạo ra. Cả hai khí đều rất nguy hiểm nếu chúng được trộn lẫn với nhau, và đó là lý do tại sao các tế bào điện phân mang các thiết kế phức tạp để giảm thiểu sự gia tăng áp lực khí và khuếch tán của chúng qua môi trường nước..

Ngoài ra, các kỹ thuật dao động tùy thuộc vào tế bào, chất điện phân được thêm vào nước và chính các điện cực. Mặt khác, một số ngụ ý rằng phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn, làm giảm mức tiêu thụ điện và những người khác sử dụng áp lực rất lớn để duy trì H₂ được lưu trữ.

Trong số tất cả các kỹ thuật, ba điều sau đây có thể được đề cập:

Điện phân với nước kiềm

Quá trình điện phân được thực hiện với các dung dịch cơ bản của các kim loại kiềm (KOH hoặc NaOH). Với kỹ thuật này, các phản ứng xảy ra:

4 giờ₂O (l) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(ac)

4 giờ^-(ac) => O₂(g) + 2H₂O (l) + 4e^-

Có thể thấy, cả ở cực âm và cực dương, nước đều có độ pH cơ bản; và ngoài ra, OH^- di chuyển đến cực dương nơi chúng oxy hóa thành O₂.

Điện phân với màng điện phân polymer

Trong kỹ thuật này, một loại polymer rắn được sử dụng làm màng thấm cho H⁺, nhưng không thấm nước cho khí. Điều này đảm bảo an toàn hơn trong quá trình điện phân.

Các phản ứng nửa tế bào cho trường hợp này là:

4 giờ⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(g)

2 giờ₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

Các ion H⁺ chúng di chuyển từ cực dương đến cực âm, nơi chúng bị khử để trở thành H₂.

Điện phân với các oxit rắn

Rất khác so với các kỹ thuật khác, nó sử dụng các oxit làm chất điện phân, ở nhiệt độ cao (600-900 CC) có chức năng như một môi trường vận chuyển anion.^2-.

Các phản ứng là:

2 giờ₂O (g) + 4e^- => 2H₂(g) + 2O^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Lưu ý rằng lần này là các anion oxit, HOẶC^2-, những người đi du lịch đến cực dương.

Công dụng của điện phân nước là gì??

Điện phân nước tạo ra H₂ (g) và O₂ (g) Khoảng 5% lượng khí hydro được sản xuất trên thế giới được tạo ra bởi quá trình điện phân nước.

H₂ nó là sản phẩm phụ của quá trình điện phân dung dịch NaCl. Sự hiện diện của muối tạo điều kiện cho điện phân bằng cách tăng tính dẫn điện của nước.

Phản ứng toàn cầu diễn ra là:

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

Để hiểu được tầm quan trọng to lớn của phản ứng này, một số cách sử dụng các sản phẩm dạng khí sẽ được đề cập; bởi vì vào cuối ngày, đây là những phương pháp thúc đẩy sự phát triển của các phương pháp mới để đạt được sự điện phân nước theo cách hiệu quả và xanh hơn.

Trong số đó, mong muốn nhất là đóng vai trò là các tế bào thay thế năng lượng cho việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đang cháy.

Sản xuất hydro và công dụng của nó

-Hydro được sản xuất trong điện phân có thể được sử dụng trong ngành hóa chất hoạt động trong các phản ứng nghiện, trong các quá trình hydro hóa hoặc như một chất khử trong các quá trình khử.

-Ngoài ra, nó rất cần thiết trong một số hành động có tầm quan trọng thương mại, chẳng hạn như: sản xuất axit hydrochloric, hydro peroxide, hydroxylamines, v.v. Tham gia vào quá trình tổng hợp amoniac bằng phản ứng xúc tác với nitơ.

-Kết hợp với oxy, nó tạo ra ngọn lửa có hàm lượng calo cao, với nhiệt độ từ 3.000 đến 3.500 K. Nhiệt độ này có thể được sử dụng để cắt và hàn trong ngành công nghiệp kim loại, để phát triển tinh thể tổng hợp, sản xuất thạch anh, v.v..

-Xử lý nước: hàm lượng nitrat trong nước quá cao có thể giảm do loại bỏ chúng trong lò phản ứng sinh học, trong đó vi khuẩn sử dụng hydro làm nguồn năng lượng

-Hydrogen can thiệp vào quá trình tổng hợp nhựa, polyester và nylon. Ngoài ra, nó là một phần của việc sản xuất thủy tinh, tăng khả năng đốt cháy trong quá trình nướng.

-Phản ứng với các oxit và clorua của nhiều kim loại, trong số đó: bạc, đồng, chì, bismuth và thủy ngân để tạo ra kim loại nguyên chất.

-Ngoài ra, nó được sử dụng làm nhiên liệu trong các phân tích sắc ký với đầu báo lửa.

Là một phương pháp sửa lỗi

Việc điện phân dung dịch natri clorua được sử dụng để lọc nước bể bơi. Trong quá trình điện phân, hydro được tạo ra ở cực âm và clo (Cl₂) ở cực dương. Có một cuộc thảo luận về điện phân trong trường hợp này như là một chất khử clo.

Clo hòa tan trong nước tạo thành axit hypochlorous và natri hypochlorite. Hypochlorous acid và natri hypochlorite khử trùng nước.

Là nguồn cung cấp oxy

Việc điện phân nước cũng được sử dụng để tạo ra oxy trong Trạm vũ trụ quốc tế, phục vụ cho việc duy trì bầu không khí oxy trong trạm.

Hydrogen có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu, phương pháp lưu trữ năng lượng và sử dụng nước được tạo ra trong tế bào để tiêu thụ bởi các phi hành gia.

Thí nghiệm tại nhà

Các thí nghiệm điện phân nước đã được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm với vôn kế Hoffman hoặc lắp ráp khác cho phép chứa tất cả các yếu tố cần thiết của một tế bào điện hóa.

Trong tất cả các tổ hợp và thiết bị có thể, đơn giản nhất có thể là một thùng chứa nước lớn trong suốt, sẽ phục vụ như một tế bào. Thêm vào đó, bạn cũng nên có trong tay bất kỳ bề mặt kim loại hoặc dẫn điện nào để hoạt động như các điện cực; Một cho cực âm, và một cho cực dương.

Đối với mục đích này, ngay cả bút chì với các điểm than chì được mài sắc ở cả hai đầu có thể hữu ích. Và cuối cùng, một cục pin nhỏ và một số dây cáp kết nối nó với các điện cực ngẫu hứng.

Nếu không được thực hiện trong một thùng chứa trong suốt, sự hình thành bong bóng khí không thể được đánh giá cao.

Biến nhà

Mặc dù điện phân nước là một chủ đề chứa nhiều khía cạnh hấp dẫn và hy vọng cho những người tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế, thí nghiệm tại nhà có thể gây nhàm chán cho trẻ em và những khán giả khác..

Do đó, điện áp đủ có thể được áp dụng để tạo ra sự hình thành H₂ và O₂ xen kẽ các biến số nhất định và lưu ý các thay đổi.

Đầu tiên là sự thay đổi độ pH của nước, sử dụng giấm để axit hóa nước hoặc Na₂CO₃ để căn bản nó một chút. Phải thay đổi số lượng bong bóng quan sát được.

Ngoài ra, thí nghiệm tương tự có thể được lặp lại với nước lạnh và nóng. Theo cách này, ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng sau đó sẽ được dự tính.

Cuối cùng, để làm cho việc thu thập dữ liệu ít màu hơn một chút, bạn có thể sử dụng dung dịch nước bắp cải tím pha loãng. Nước ép này là một chỉ số axit bazơ có nguồn gốc tự nhiên.

Thêm nó vào thùng chứa với các điện cực được giới thiệu, sẽ nhận thấy rằng ở cực dương, nước sẽ chuyển sang màu hồng (axit), trong khi ở cực âm, màu sẽ có màu vàng (cơ bản).

Tài liệu tham khảo

1. Wikipedia. (2018). Điện phân nước. Lấy từ: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (ngày 16 tháng 11 năm 2018). Điện phân nước. Cấu trúc nước và khoa học. Lấy từ: 1.lsbu.ac.uk
3. Hiệu quả năng lượng & năng lượng tái tạo. (s.f.). Sản xuất hydro: điện phân. Lấy từ: Energy.gov
4. Phys.org. (Ngày 14 tháng 2 năm 2018). Chất xúc tác hiệu quả cao, chi phí thấp cho điện phân nước. Lấy từ: Phys.org
5. Hóa học LibreTexts. (Ngày 18 tháng 6 năm 2015). Điện phân nước. Lấy từ: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. và S. Lewis N. (2016). Nguyên tắc và việc thực hiện các hệ thống điện phân tách nước. Hội hóa học hoàng gia.
7. Sự đồng ý của Đại học Minnesota. (2018). Điện phân nước 2. Đại học Minnesota. Lấy từ: chem.umn.edu