Электролитическая диссоциация воды: 44. Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. РН раствора.

Содержание

44. Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. РН раствора.

Электролитическая
диссоциация
– это распад
молекул на заряженные частицы называемые
ионами.
При
распаде одной молекулы воды образуется
два иона; катион
(положительно
заряженный ион) водорода и анион
(отрицательно
заряженный ион) гидроксид:

H₂O
= H⁺
+ OH⁻

Данный
процесс является обратимым, т. е. протекает
как в прямом, так и в обратном направлениях.
В результате этого обратимого процесса
устанавливается равновесное состояние.
При равновесии число молекул, распадающихся
на ионы, равно числу молекул, образующихся
из ионов.

Вещества,
распадающиеся на ионы, называются
электролитами.
К ним относится вода. Распаду на ионы
подвергается лишь небольшая часть
молекул воды (этот электролит является
слабым в отличие от сильных, у которых
практически все молекулы распадаются
на ионы). При температуре 22^oС
из 556 млн. молекул воды лишь одна находится
в диссоциированном состоянии. Однако,
учитывая малые размеры молекул и ионов,
можно легко рассчитать, что в одном
кубическом миллиметре воды содержится
около 60 млрд. ионов H⁺
и столько же ионов ОН⁻.
Это уже внушительное число. В связи с
этим процесс диссоциации воды имеет
важное значение в гидрохимических
процессах.

Установлено,
что в воде, а также в водных растворах
различных веществ, произведение
концентрации ионов водорода (H⁺)
(в моль/л) и концентрации гидроксид-ионов
(ОН⁻)
есть величина постоянная — K_E
и называется ионным
произведением
воды:

KE
= c(H+) •
c(ОН−)
(6)

Значение
К_E
зависит от температуры. При температуре
22^оС
К_E
= 10^{−
14}.
При переходе от чистой воды к водным
растворам (в том числе и к аквариумной
воде) значение К_E
сохраняется. Если при растворении в
воде каких—либо веществ увеличивается
концентрация ионов водорода c(H⁺),
то концентрация гидроксид-ионов c(ОН⁻)
уменьшается до такого значения, чтобы
произведение оставалось постоянным.

Водородный
показатель (рН)
величина, характеризующая активность
или концентрацию ионов водорода в
растворах. Водородный показатель
обозначается рН.
Величина рН впервые была введена датским
химиком С. Серенсоном. Буква “р” —
начальная от датского слова potenz
(степень), “Н” — символ водорода.

Водородный
показатель численно равен отрицательному
десятичному логарифму активности
или концентрации ионов водорода,
выраженной в молях на литр:
pH=-lg[ H⁺
]
В воде концентрация ионов водорода
определяется электролитической
диссоциацией воды по уравнению
H₂O=H⁺+OH^—
Константа диссоциации при 22° С
составляет

Пренебрегая
незначительной долей распавшихся
молекул, можно концентрацию
недиссоциированной части воды принять
равной обшей концентрации воды, которая
составляет: С[H₂O
]=1000/18=55,55моль/л.
Тогда:

C[
H⁺
] ·C[ OH^—
]=K·C[H₂O]=1,8·10-16·55,55=10^-14
Для
воды и ее растворов произведение
концентраций ионов Н+ и ОН- величина
постоянная при данной температуре. Она
называется ионным произведением воды
К_В и
при 25° С составляет 10^-14.
Постоянство
ионного произведения воды дает возможность
вычислить концентрацию ионов H⁺если
известна концентрация ионов OH^—
и
наоборот:

.
Понятия
кислая, нейтральная и щелочная среда
приобретают количественный смысл.
В
случае, если [ H⁺
] =[ OH^—
]эти концентрации (каждая из них)
равны

моль/л,
т.е [ H⁺
] =[ OH^—
]=10^-7моль/л
и среда нейтральная, в этих растворах
pH=-lg[ H⁺
]=7 и рОН=-lg[ OH-]=7
Если [ H⁺
]>10^-7моль/л,
[ OH-]<10^-7моль/л
-среда кислая; рН<7.
Если [ H⁺
]<10^-7 моль/л,
[ OH-]>10^-7моль/л
-среда щелочная; рН>7.
В любом водном
растворе рН + рОН =14, где рОН=-lg[ OH-]
Величина
рН имеет большое значение для биохимических
процессов, для различных производственных
процессов, при изучении свойств природных
вод и возможности их применения и т.д.

Электролитическая диссоциация воды — презентация онлайн

Похожие презентации:

Растворы (лекция 2)

Растворы. Теория электролитической диссоциации

Ионное произведение воды. Водородный показатель

Характеристика растворов. Кислоты, основания, соли в свете теории электролитической диссоциации. Гидролиз солей

Теория электролитической диссоциации. Кислотно-основные равновесия в водных растворах

Растворы. Общие свойства растворов

Электролитическая диссоциация

Электролиты и неэлектролиты. Электролитическая диссоциация

Теория электролитической диссоциации. Протолитическая теория кислот и оснований

Процессы в растворах. Электролитическая диссоциация

1. Лекция №8

2.

план

Автопротолиз воды.
Понятие рН растворов.
Индикаторы.
Гидролиз солей. Типы гидролиза.

3. Электролитическая диссоциация воды

Вода типичный амфолит:
h3O H+ + OH-
Автопротолиз – реакции, в которых одна и
та же молекула растворителя может вести
себя как и кислота, и как основание.
Константа диссоциации воды равна:
3
KВ = [H+]·[OH-] = 1·10-14 при 25 ° С
Произведение равновесных
концентраций ионов водорода и
гидроксид-ионов в воде и
разбавленных водных растворах
(при постоянной температуре)
есть величина постоянная –
ионное произведение воды (KВ).

5. Ионное произведение воды

• При увеличении температуры KВ
значительно возрастает:
t, °С
KВ·10-14
0
18
25
0,113
0,5702 1,0008
9
30
50
60
1,469
5,474
9,614
5

6. Ионное произведение воды

KВ = [H+]·[OH-] = 10-14 при 25 ° С
[H+] = [OH-] = 10-7 моль/л
• В кислых растворах :
[H+] > [OH-], т. е.
[H+] > 1·10-7 моль/л
• В щелочных растворах:
[OH-] > [H+],
[H+] < 1·10-7 моль/л

7. Водородный показатель рН

• Для удобства вместо значений [H+]
используют водородный показатель pH.
• Водорoдный показатель есть
отрицательный десятичный
логарифм числового значения
молярной концентрации ионов
водорода:
pH =
+
-lg[H ]
• По аналогии используют гидроксильный
показатель (pOH):
pOH = -lg[OH-]
Поскольку при 25 °С
KВ = [H+]·[OH-] = 1·10-14, то
pH + pOH = -lg KВ
pH + pOH = -lg 1·10-14 = 14
pH = 14 — pOH

9. Водородный показатель рН

Величина pH используется как мера
кислотности, нейтральности или
щёлочности водных растворов:
• в кислой среде pH < 7,
• в нейтральной среде pH = 7,
• в щелочной среде pH > 7.
Расчет равновесной концентрации [Н+] и [ОН-]
1.Пример,
концентрация ионов Н+ в 0,001М р-ре НСl равна
[Н+] =0,001 моль/л,
Концентрация ОН- в 0,01М растворе NаОН равна
[ОН-] =0,01 моль/л.
2. Если концентрация ионов водорода в растворе
равна 10-3 г-ион/л, реакция среды кислая, величину
[ОН-] в таком растворе можно рассчитать из
уравнения ионного произведения воды:
[Н+][ОН-] = 10-14г-ион/л, следовательно,
[ОН-] =10-14/[Н+] = 10-14/10-3=10-11 г-ион/л.
При этом рН=3, а рОН=11

11. Индикаторы

Кислотно-основные индикаторы — слабые
органические кислоты HInd или основания
IndOH, подвергающиеся ионизации в водных
растворах, причем нейтральная и
ионизированная формы индикатора
обладают различной окраской.
Уравнение диссоциации кислотных
индикаторов:
НInd + Н2О ↔ Н3О + + Ind Донор
протона
Окраска 1
Окраска 2
Уравнение диссоциации основных индикаторов:
IndОН + Н+ ↔ Н2О + Ind +
Акцептор
протона
Окраска 1
Окраска 2

13. Индикаторы

Интервал индикатора — область значений рН, в
которой становится видимым изменение
окраски индиатора.
• Обычно стараются подобрать индикатор с узким
интервалом перехода (не более двух единиц
pH).
Индикатор
Цвет индикатора в различных растворах
кислый р-р
нейтральный р-р
щелочной р-р
Метиловый
оранжевый
красный
рН < 3,1
оранжевый
3,1 < pH < 4,4
желтый
рН > 4,4
Лакмус
красный
рН < 5
фиолетовый
5 < pH < 8
синий
рН > 8
бесцветный
рН < 5
бледномалиновый
8,0 < pH < 9,8
малиновый
рН > 9,8
Фенолфталеин
13

14. Универсальный индикатор

Широко применяются
смеси индикаторов,
позволяющие определить
значение рН растворов в
большом диапазоне
концентраций (1-10; 012). Растворами таких
смесей — «универсальных
индикаторов» обычно
пропитывают полоски
«индикаторной бумаги».

15. рН-метры

• Наиболее точным методом определения pH
является потенциометрический,
основанный на измерении зависимости
потенциала электрода от концентрации
ионов водорода в исследуемом растворе.
рН-метры
15

16.

Буферными системами (буферами)

• называют растворы,
обладающие свойством
достаточно стойко сохранять
постоянство концентрации
ионов водорода как при
добавлении кислот или
щелочей, так и при разведении.

17. Классификация буферных систем

Буферный
раствор
Классификация
буферных систем
Кислотные – состоят из
слабой кислоты и соли этой
кислоты, образованной
сильным основанием.
Ацетатный буфер:
СН3СООН
СН3СООNa
Гидрокарбонатный
буфер:
Аммиачный буфер:
Основные – состоят из
слабого основания и соли
этого основания, образованной
сильной кислотой.
Фосфатный буфер:
Солевые – состоят из
роль слабой к-ты
гидрофосфата и
дигидрофосфата Na или К.
Н2СО3
NaHCO3
Nh5OH
Nh5Cl
Nah3PO4
Na2HPO4

19. Гидролиз солей

При растворении солей в воде
происходит не только диссоциация на
ионы и гидратация этих ионов, но и
взаимодействие молекул воды с ионами,
приводящее к разложению молекул воды
на Н+ и ОН– с присоединением одного из
них к иону соли и освобождением
другого (гидролиз).
Гидролиз солей – это
взаимодействие солей с водой
В результате гидролиза соли в
растворе появляется некоторое
избыточное количество ионов Н⁺ или
ОН⁻
• При этом изменяется рН раствора.
20

21. Гидролизу подвергаются:

• Катион слабого основания
3+
3+
3+
Al ; Fe ; Bi и др.
• Анион слабой кислоты
CO32-; SO32–; NO2–; CN–; S2– и др.

22. Гидролизу НЕ подвергаются:

• Катион сильного основания
Na+; Ca2+; K+ и др.
• Анион сильной кислоты
–
2–
–
Cl ; SO4 ; NO3 ; и др.

23. 1) Гидролиз соли слабого основания и сильной кислоты

Проходит по катиону, при этом рН раствора
уменьшится.
AlCl3 + h3O → Al(OH)Cl2 + HCl
Al3+ + Н+ОН– → Al(OH)2+ + H+
Cl- + h3O → не идет
среда кислая рН<7

24. ПРИМЕР гидролиза по катиону

FeCl3 + h3O → Fe(OH)Cl2 + HCl
3+
Fe
+
+
–
Н ОН
→
2+
Fe(OH)
среда кислая рН<7
+
+
H

25.

2) Гидролиз соли слабой кислоты и сильного основания

Проходит по аниону, при этом может
образоваться слабая кислота или кислая соль.
рН раствора увеличится.
NaSO3 + h3O → NaHSO3 + NaОН
SO32– + Н+ОН– → HSO3– + ОН–
среда щелочная рН>7

26. ПРИМЕР гидролиза по аниону:

Na2CO3 + h3O → NaHCO3 + NaОН
2-
CO3 + Н+ОН– → HCO3– + ОН–
среда щелочная рН>7

27. 3) Гидролиз соли слабой кислоты и слабого основания

Проходит полностью; рН
7:
Al2(SO3)3 + 6h3O 2Al(OH)3 + 3h3SO3
h3SO3 → h3O + SO2↑

28. Гидролиз соли слабой кислоты и слабого основания

Реакция в этом случае идет до конца, так как
при гидролизе катиона образуется Н+:
Al3+ + Н+ОН– → Al(OH)2+ + H+
при гидролизе аниона ОН– :
SO32– + Н+ОН– → HSO3– + ОН–
далее происходит образование из них Н2О (с
выделением энергии), что и смещает
равновесие гидролиза вправо.

29. 4) Гидролиз соли сильного основания и сильной кислоты

Na2SO4 + h3O → не идет

30.

Закономерности гидролиза разбавленных растворов солей:

Протекает:
• Гидролиз соли слабого основания и сильной
кислоты
• Гидролиз соли слабой кислоты и сильного
основания
• Гидролиз соли слабой кислоты и слабого
основания
Не протекает:
• Гидролиз соли сильного основания и сильной
кислоты

31. Определение среды в растворах солей

Индикаторы в разных средах
• https://goo.gl/gkh7ip
• Определение среды в растворах солей
https://goo.gl/eSj2XS
• https://goo.gl/LUpBxX

32. Количественные характеристики гидролиза

• Степень гидролиза г (доля
гидролизованных единиц)
• Константа гидролиза — Кг.
Г
КГ
С

33. Степень гидролиза

• Степень гидролиза г – показатель глубины
протекания гидролиза
• На степень гидролиза влияют:
1) природа соли
2) концентрация раствора (чем меньше концентрация,
тем сильнее гидролиз)
3) температура (чем выше температура, тем сильнее
гидролиз)
4) рН среды

34.

Константа гидролиза

Кг характеризует способность соли подвергаться гидролизу:
чем больше константа гидролиза, тем сильнее протекает
гидролиз.
Для соли, образованной слабой кислотой и сильным
основанием:
Для соли, образованной сильной кислотой и слабым
основанием:
Для соли, образованной слабой кислотой и слабым
основанием,
34

English
Русский
Правила

23.9: Электролиз воды — Химия LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 53976

Поскольку ископаемое топливо становится все более дорогим и менее доступным, ученые ищут другие источники энергии. Водород долгое время считался идеальным источником, поскольку при горении он не загрязняет воздух. Проблема заключалась в том, чтобы найти способы экономичного производства водорода. Один из новых подходов, который изучается, — это фотоэлектролиз — производство электричества с использованием фотогальванических элементов для расщепления молекул воды. Этот метод все еще находится на стадии исследований, но, похоже, в будущем он станет очень многообещающим источником энергии.

Электролиз воды

При электролизе воды образуются газообразные водород и кислород. Электролитическая ячейка состоит из пары платиновых электродов, погруженных в воду, к которым добавлено небольшое количество электролита, такого как \(\ce{H_2SO_4}\). Электролит необходим, потому что чистая вода не несет достаточного заряда из-за отсутствия ионов. На аноде вода окисляется до газообразного кислорода и ионов водорода. На катоде вода восстанавливается до газообразного водорода и ионов гидроксида. 90_\text{cell} = -2,06 \: \text{V} \end{array}\nonumber \]

Чтобы получить общую реакцию, полуреакцию восстановления умножили на два, чтобы уравнять электроны. Ионы водорода и гидроксид-ионы, образующиеся в каждой реакции, объединяются, образуя воду. \(\ce{H_2SO_4}\) в реакции не расходуется.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Устройство для производства газообразного водорода и кислорода путем электролиза воды.

Сводка

Эта страница под названием 23.9: Электролиз воды распространяется под лицензией CK-12 и была создана, изменена и/или курирована Фондом CK-12 с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

ЛИЦЕНЗИЯ ПОД

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или Страница
Автор
Фонд СК-12
Лицензия
СК-12
Программа OER или Publisher
СК-12
Показать страницу TOC
№ на стр.
Теги
1. источник@https://flexbooks.ck12.org/cbook/ck-12-chemistry-flexbook-2.0/

Производство водорода: электролиз | Департамент энергетики

Электролиз — многообещающий вариант безуглеродного производства водорода из возобновляемых и ядерных ресурсов. Электролиз — это процесс использования электричества для расщепления воды на водород и кислород. Эта реакция происходит в устройстве, называемом электролизером. Размер электролизеров может варьироваться от небольшого оборудования размером с прибор, которое хорошо подходит для мелкомасштабного распределенного производства водорода, до крупномасштабных центральных производственных объектов, которые могут быть напрямую связаны с возобновляемыми или другими формами энергии, не выделяющими парниковых газов. производство электроэнергии.

Как это работает?

Как и топливные элементы, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом. Различные электролизеры работают по-разному, в основном из-за разного типа используемого электролита и ионных частиц, которые он проводит.

Электролизеры с мембраной из полимерного электролита

В электролизере с мембраной из полимерного электролита (ПЭМ) электролит представляет собой твердый специальный пластиковый материал.

Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через ФЭУ к катоду.
На катоде ионы водорода соединяются с электронами из внешней цепи, образуя газообразный водород. Анодная реакция: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^— Катодная реакция: 4H ⁺ + 4e ^— → 2H
2 _{2 ₂}

Щелочные электролизеры

Щелочные электролизеры работают за счет транспорта ионов гидроксида (OH ^—) через электролит от катода к аноду с образованием водорода на стороне катода. Электролизеры, в которых в качестве электролита используется жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия, уже много лет имеются в продаже. Новые подходы с использованием твердых щелочных обменных мембран (AEM) в качестве электролита показывают многообещающие результаты в лабораторных масштабах.

Электролизеры твердого оксида

Электролизеры твердого оксида, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, избирательно проводящий отрицательно заряженные ионы кислорода (O ^2-) при повышенных температурах генерируют водород несколько другим способом.

Пар на катоде соединяется с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода.
Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде, образуя газообразный кислород и генерируя электроны для внешней цепи.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких для нормального функционирования твердооксидных мембран (около 700–800 °C по сравнению с электролизерами на основе PEM, которые работают при 70–90°C и коммерческие щелочные электролизеры, которые обычно работают при температуре ниже 100°C). Усовершенствованные лабораторные твердооксидные электролизеры на основе протонпроводящих керамических электролитов демонстрируют перспективность снижения рабочей температуры до 500–600°C. Твердооксидные электролизеры могут эффективно использовать тепло, доступное при этих повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь?

Электролиз является ведущим способом производства водорода для достижения цели Hydrogen Energy Earthshot по снижению стоимости чистого водорода на 80% до 1 доллара за 1 килограмм за 1 десятилетие («1 1 1»). Водород, полученный с помощью электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от используемого источника электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая его стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке преимуществ и экономической целесообразности производства водорода с помощью электролиза. Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выбросов парниковых газов и количества необходимого топлива из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Производство водорода с помощью электролиза используется для возобновляемых источников (ветер, солнце, гидро, геотермальная энергия) и ядерной энергии. Эти пути производства водорода приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ; тем не менее, стоимость производства должна быть значительно снижена, чтобы быть конкурентоспособным с более зрелыми способами, основанными на углероде, такими как риформинг природного газа.

Потенциал для синергии с производством энергии из возобновляемых источников
Производство водорода посредством электролиза может предложить возможности для синергии с динамической и прерывистой выработкой энергии, которая характерна для некоторых технологий возобновляемых источников энергии. Например, хотя стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра. Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы в ветряную электростанцию, что позволит гибко переключать производство, чтобы наилучшим образом соответствовать доступности ресурсов с эксплуатационными потребностями системы и рыночными факторами. Кроме того, во времена избыточного производства электроэнергии ветряными электростанциями вместо того, чтобы сокращать электроэнергию, как это обычно делается, можно использовать эту избыточную электроэнергию для производства водорода путем электролиза.

Важно отметить…

Электроэнергия в настоящее время не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Выработка электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергии, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части сети, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода с помощью электролиза.
Министерство энергетики США и другие организации продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии на основе возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе ископаемого топлива с улавливанием, утилизацией и хранением углерода. Производство электроэнергии на основе ветра, например, быстро растет в Соединенных Штатах и во всем мире.

Исследования сосредоточены на преодолении проблем

Достижение целевого показателя стоимости чистого водорода Hydrogen Shot в размере 1 доллара США за кг H ₂ к 2030 г. (и промежуточная цель 2 долл. США/кг H ₂ к 2025 г.) за счет лучшего понимания компромиссов между производительностью, стоимостью и долговечностью электролизных систем при прогнозируемых будущих динамических режимах работы с использованием CO ₂ — бесплатное электричество .
Снижение капитальных затрат электролизной установки и баланса системы.