Электролиз это воды: Электролиз воды в промышленных генераторах водорода – Статьи компании «АГС»

Прямой электролиз. это важно знать. / Статьи

Схема электролиза без мембраны: два параллельных электрода располагаются на расстоянии в несколько сотен микрометров

Не секрет, что чистый водород — один из наиболее перспективных видов альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду, что может быть прекраснее?

Проблема только в стоимости добычи водорода. Электролиз воды предполагает, что электроды погружаются в воду, а между ними находится полимерная мембрана. Ток идёт от катода к аноду, а на своём пути он (при помощи катализатора) расщепляет воду на кислород и водород. Полимерная мембрана выполняет важную функцию, разделяя получившиеся газы.

На сегодняшний в качестве мембраны с ионной проводимостью практически повсеместно используется нафион или другой тип мембраны. Но все они отличаются дороговизной и ограниченным сроком службы. К тому, мембраны требуют особых условий проведения электролиза. Например, нафион работает в жидкости только с низкой кислотностью и только с определёнными катализаторами.

Изобретение химиков из EPFL под руководством Деметри Псалтиса (Demetri Psaltis) позволяет избавиться от этих ограничений и намного удешевить электролиз воды.

Они провели ряд экспериментов с микроустройством, размещая электроды на разном расстоянии друг от друга и прогоняя между ними воду на разной скорости. Оказалось, что при определённом расстоянии между электродами H₂ и O₂ сами разлетаются в разные стороны, без всякой мембраны!

Причина такого поведения ионов — эффект Сегре-Зильберберга, когда при движении жидкости находящиеся в ней частицы поток уносит в стороны.

Учёные надеются, что им удастся приспособить прибор для работы с любыми видами жидких электролитов и любыми катализаторами, поскольку больше нет риска повреждения хрупкой мембраны. Исчезнут обязательные требования использовать только благородные металлы вроде платины из-за ограничений на кислотность (pH) жидкости.

Если получится масштабировать микроустройство до промышленного образца, то это кардинально снизит стоимость водорода, получаемого при электролизе воды.

Научная работа “A membrane-less electrolyzer for hydrogen production across the pH scale” опубликована в журнале “Energy & Environmental Science”, DOI: 10.1039/C5EE00083A.

Поделитесь в соц сетях:

Рекомендуем так же почитать:

Сравнение щелочных ионизаторов воды Panasonic серии TK- серии «H»

Чистка камеры ионизатора воды FUJIIRYOKI

Сравнение щелочных ионизаторов воды Panasonic TK8051 и TK8032-S

Последние статьи в блоге

Чистка камеры ионизатора воды FUJIIRYOKI
Технологии хранения щелочной воды
Прямой электролиз воды. Обеззараживание воды прямым электролизом
Полное понимание о пластинах в ионизаторах воды
Важно ли количество пластин в ионизаторах воды?

Электролиз расплавов и растворов — схема, правила и уравнения

Электролиз расплавов и растворов встречается в заданиях на ЕГЭ, а значит, если вы планируете сдавать экзамен по химии, эту тему нужно знать на отлично. Наша статья поможет узнать или повторить, что такое электролиз, его правила и схема протекания.

Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает на электродах и основана на пропускании электрического тока через раствор или расплав.

Не менее важными участниками электролиза являются электроды: катод и анод. Если вы вдруг забыли, что такое катод и анод в химии, напомним.

Катод — это отрицательно заряженный электрод, который притягивает положительно заряженные ионы (катионы). А анод — это положительно заряженный электрод, который притягивает к себе отрицательно заряженные ионы (анионы). Таким образом, на катоде всегда происходит процесс восстановления, а на аноде всегда происходит процесс окисления.

Электроды бывают растворимые и инертные. Растворимые изготавливаются из металлов, например, меди и подвергаются химическим превращениям в ходе электролиза. А вот инертные или нерастворимые электроды не подвергаются химическим превращениям и остаются в неизменном виде как до реакции, так и после нее. Как правило, такие электроды изготавливают из графита или платины.

Виды электролиза

Различают два вида электролиза:

1. Электролиз расплава.

2. Электролиз водного раствора.

Прежде чем мы рассмотрим каждый процесс отдельно, давай познакомимся с общими для двух видов процессами на электродах.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Электролиз расплава

Рассмотрим электролиз расплава пищевой соли — хлорида натрия. При сильном нагревании кристаллический твердый хлорид натрия плавится. Полученный расплав содержит подвижные ионы хлора и натрия, освободившиеся из кристаллической решетки, и проводит электрический ток.

К⁻: 2Na⁺ + 2e⁻ = 2Na⁰

А⁺: 2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂

Суммарное уравнение электролиза:

При опускании в расплав угольных (инертных) электродов, присоединенных к источнику тока, ионы приобретают направленное движение: катионы движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), анионы — к положительно заряженному электроду (аноду) и отдают электроны.

Теперь давайте рассмотрим электролиз расплава гидроксида калия.

На катоде происходит восстановление калия за счет принятия электронов. А на аноде протекает более сложная реакция. Гидроксогруппы отдают свой электрон и становятся нейтральными, но такое состояние для них крайне невыгодно, так как неустойчиво, и они объединяются в группы, чтобы потом разложиться с выделением газообразного кислорода и воды

Итог электролиза расплава — металлический калий на катоде, газообразный кислород и пары воды на аноде.

Электролиз раствора

Основным отличием водного раствора от расплава является присутствие молекул воды и ионов H⁺ и OH^— как продуктов диссоциации воды. В связи с этим возле катода и анода скапливаются ионы, которые конкурируют как друг с другом, так и с молекулами воды. Рассмотрим электролиз на примере водного раствора KF:

К⁻: 4H₂O + 4e⁻ = 2H₂⁰ + 4OH⁻

А⁺: 2H₂O − 4e⁻ = O₂ + 4H⁺

Суммарное уравнение электролиза:

Как видно, ни калий, ни фтор не фигурируют в продуктах электролиза. Почему так происходит?

Наиболее активные металлы — сильные восстановители. Калий — как раз такой металл, поэтому обратный процесс восстановления активных металлов из соединений осуществить сложно. При электролизе водных растворов солей активных металлов на катоде протекает восстановление не катионов этих металлов, а воды с образованием водорода.

Разберем порядок восстановления катионов металлов на катоде в зависимости от их активности.

Последовательность разрядки катионов зависит от положения металла в электрохимическом ряду напряжения.

1. Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который находится в ряду напряжения после водорода, то восстанавливаются ионы металла.

2. Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который стоит в начале ряда напряжения от лития до алюминия включительно, то восстанавливаются ионы водорода из молекул воды. Катионы металла не восстанавливаются, остаются в растворе.

3. Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который расположен в ряду напряжения между алюминием и водородом, то восстанавливаются и ионы металла, и частично ионы водорода из молекул воды.

4. Если в растворе находится смесь катионов разных металлов, то сначала восстанавливаются катионы менее активного металла.

5. При электролизе раствора кислоты на катоде восстанавливаются катионы водорода до газообразного водорода.

Для удобства мы собрали информацию об электролизе в таблице:

Теперь разберемся, что происходит с анионами в водных растворах при электролизе. Для начала познакомимся с последовательностью восстановления анионов на аноде:

Чем меньше выражена восстановительная активность, тем хуже анионы могут окисляться на аноде. К тому же процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона.

Если анод инертный или нерастворимый, то на нем протекают следующие реакции:

1. При электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов!), на аноде происходит процесс окисления аниона.

2. При электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде выделяется газообразный кислород вследствие окисления молекул воды. Анион при этом не окисляется, оставаясь в растворе.

3. При электролизе растворов щелочей происходит окисление гидроксид-ионов.

Если анод растворимый, то на нем всегда происходит окисление металла анода — независимо от природы аниона.

Исключением является электролиз солей карбоновых кислот. Таблица выше не описывает происходящее на аноде. Давайте рассмотрим, что же там происходит.

В результате электролиза водных растворов солей щелочных металлов карбоновых кислот происходит образование углеводородов вследствие рекомбинации углеводородных радикалов.

В общем виде электролиз солей карбоновых кислот можно записать так:

На катоде образуется газообразный водород, а на аноде — углекислый газ, углеводород, полученный удвоением радикала. В катодном пространстве накапливается щелочь.

В случае разделения катодного и анодного пространства углекислый газ реагирует со щелочью с образованием гидрокарбоната.

Бесплатные занятия по английскому с носителем

Занимайтесь по 15 минут в день. Осваивайте английскую грамматику и лексику. Сделайте язык частью жизни.

Применение электролиза

А теперь самое главное: зачем вообще нужен электролиз? Рассмотрим применение этого вида ОВР:

1. С помощью электролиза расплавов природных соединений в металлургической промышленности получают активные металлы (калий, натрий, бериллий, кальций, барий). С помощью электролиза растворов солей — цинк, кадмий, кобальт и другие.

2. В химической промышленности электролиз используют для получения фтора, хлора, водорода, кислорода, щелочей, бертолетовой соли и других веществ.

3. Электролиз с растворимым анодом используют для нанесения металлических покрытий (из хрома, золота, никеля, серебра), что предохраняет металлические изделия от коррозии и придает им декоративный вид.

Вопросы для самопроверки

1. Выберите верное продолжение фразы «катод — это…»:

1. Положительно заряженный электрод, к которому притягиваются положительно заряженные ионы.

2. Положительно заряженный электрод, к которому притягиваются отрицательно заряженные ионы.

3. Отрицательно заряженный электрод, к которому притягиваются положительно заряженные ионы.

4. Отрицательно заряженный электрод, к которому притягиваются отрицательно заряженные ионы.

2. Продолжите фразу «электролиз — это…»:

1. ОВР с применением тока.

2. Реакция без изменения степеней окисления с применением тока.

3. ОВР с применением катализаторов.

4. Обменная реакция.

3. Как заряжен анион?

1. Положительно.

2. Отрицательно.

3. Нейтрально.

4. Не имеет заряда.

4. Чем отличается электролиз раствора от электролиза расплава?

1. Ничем.

2. В расплаве плавится твердое.

3. Присутствием молекул воды и продуктов ее диссоциации.

5. Если металл стоит в ряду активности металлов между алюминием и водородом, что выделится на катоде?

1. Этот металл.

2. Водород.

3. Металл и водород.

4. Оксид металла.

При электролиза водного раствора фторида лития что на аноде выделится?

1. Фтор.

2. Водород.

3. Кислород.

4. Вода.

Ответы

1. c

2. a

3. b

4. c

5. c

6. с

Электролиз воды | Энергетические основы для химии в старших классах

• Обзор для учителя
• Подготовка
• Демонстрация
• Обсуждение со студентами
• Пояснение
• Расширения

Краткий обзор учителя

Резюме

В этой демонстрации учащиеся исследуют идею о том, что энергию батареи можно использовать для запуска химической реакции, которая не происходит самопроизвольно, например расщепления молекул воды с образованием водорода и кислорода.

Задача

Учащиеся узнают об использовании внешнего источника энергии для запуска химической реакции.

Безопасность

Убедитесь, что вы и учащиеся носите подходящие защитные очки.

Материалы

• 9-вольтовая батарея
• Две металлические кнопки
• Вода
• Английская соль (MgSO ₄ • 7 H ₂ O)
• Чистая, пустая, прозрачная и бесцветная пластиковая бутылка для воды с крышкой и удаленной этикеткой
• Ножницы
• Черный перманентный маркер
• Химический стакан или пластиковая чашка
• Бумажные полотенца или глина для лепки

Необходимое время

Часть одного урока, примерно 10–15 минут.

Демонстрационные советы

Соль Эпсома можно приобрести в местных аптеках, где она продается как слабительное и как средство для добавления в ванну с теплой водой для лечения боли. Можно использовать пластиковые контейнеры, отличные от бутылки с водой, если у контейнера плоское дно для легкого подключения к контактам батареи, а пластик достаточно тонкий, чтобы легко проталкивать кнопки. Например, можно использовать маленькие пластиковые стаканчики для приправ.

Включение в учебную программу

Эта демонстрация может быть включена в раздел по химическим реакциям или термохимии.

Процедура для учителя

Подготовка

1. Снимите крышку с чистой, пустой, прозрачной и бесцветной пластиковой бутылки для воды. Переверните крышку так, чтобы верхняя часть крышки касалась двух контактов 9-вольтовой батареи. Отцентрируйте крышку над двумя контактами. Используя черный перманентный маркер, сделайте две точки на внутренней стороне крышки, по одной над центром каждого контакта.
2. Поместите крышку на твердую поверхность верхней частью крышки вверх. Вставьте металлическую кнопку в верхнюю часть крышки прямо над одной из точек. Вставьте вторую кнопку в крышку прямо над второй точкой. Две кнопки не должны соприкасаться.
3. С помощью ножниц отрежьте верхнюю половину бутылки, чтобы она выглядела как воронка. Закрутите крышку обратно на бутылку.

Демонстрация

1. Покажите учащимся верхнюю половину бутылки, особенно две металлические кнопки, продетые сквозь крышку.
2. Наполните нижнюю часть разрезанной бутылки водой примерно наполовину. Добавьте примерно чайную ложку английской соли. Помешивать, пока большая часть соли не растворится.
3. Налейте раствор английской соли в верхнюю часть бутылки (держите ее крышкой вниз).
4. Попросите студента-добровольца понаблюдать за решением, особенно за двумя точками металлических кнопок. Есть ли признаки реакции?
5. Поместите две металлические кнопки так, чтобы каждая кнопка касалась одного из контактов на 9-вольтовая батарея. Попросите добровольца еще раз понаблюдать за раствором. Есть ли признаки реакции?
6. Батарейку можно поместить на дно стакана или прозрачного бесцветного пластикового стакана, удерживая вертикально с помощью бумажных полотенец или глины для лепки. Затем верхнюю часть бутылки можно поставить на батарею с большей устойчивостью, если инструктор хочет показать ее поближе к остальной части класса.

Обсуждение со студентами

1. Какие существуют доказательства того, что реакция происходит, когда контакты батареи касаются металлических кнопок?

   Пузырьки одного или нескольких газов образуются и поднимаются из каждой кнопки.

2. Есть ли разница в количестве газа, образующегося при каждом контакте батареи?

   Да, на одном из соединений образуется больше пузырьков.

3. Может ли разница, описанная в вопросе 2, быть связана с разницей в гвоздях? Что можно сделать с аппаратом, чтобы потенциально подтвердить идею о том, что контакт батареи ответственен за 9?0141 .

   Можно повернуть контакты батареи так, чтобы каждый контакт касался противоположной кнопки. Контакт батареи, который произвел больше пузырьков в первый раз, должен по-прежнему производить больше пузырьков при прикосновении к любой кнопке.

4. Для чего нужен аккумулятор?

   Батарея запускает реакцию, которую мы не наблюдали самопроизвольно без этого дополнительного внешнего источника энергии.

5. Зачем в воду добавляют английскую соль?

Английская соль является электролитом и служит для проведения электричества через раствор. Электричество от батареи может проходить через раствор и между двумя кнопками.

6. Каково сбалансированное уравнение распада молекул воды?

7. Если наблюдаемая нами реакция представляет собой расщепление молекул воды, какой газ может выделяться при контакте батареи и почему?

В результате реакции распада молекул воды образуются два газа: H ₂ и O ₂ . В уравнении получается в два раза больше газообразного водорода, чем газообразного кислорода. Контакт батареи, который производит больше пузырьков, будет производить газообразный водород.

8. Что можно сделать, чтобы собрать дополнительные доказательства того, что образуются два газа и что это H ₂ и O ₂ ?

Можно собирать образующиеся газы и проверять их на известные свойства H ₂ и О ₂ газы.

Пояснение

Разделение слова «электролиз» на составные части обобщает его значение — использование электричества (электро-) для разрушения (-лиза) чего-либо. В этой демонстрации электричество, подаваемое 9-вольтовой батареей, используется для расщепления молекул воды, в результате чего образуются газообразные водород и кислород.

Идея включения энергии в качестве реагента или продукта в химическое уравнение может быть использована для иллюстрации потребности в дополнительной внешней силе энергии для управления реакцией, которая обычно происходит

не происходит самопроизвольно и связать демонстрацию с представлениями об экзотермических и
эндотермических реакциях.

Например, Химия в Сообществе описывает:

…если определенная химическая реакция является экзотермической (с выделением тепловой энергии), то обратная реакция является эндотермической (преобразование тепловой энергии в потенциальную). Например, сжигание газообразного водорода с образованием воды является экзотермическим процессом. Энергия, выделяемая при образовании связей H–O в молекулах воды, больше, чем необходимая для разрыва связей в молекулах h3 и O2:

Следовательно, разделение воды на элементы — обратная реакция — должна быть эндотермической, количество энергии равно количеству выделяющейся при образовании воды из газообразных Н ₂ и О ₂ .

Удлинители

Предложите учащимся разработать метод сбора газов для демонстрации и описать, как их можно проверить, чтобы определить, являются ли они h3 и O2, и какие именно. Стеклянные трубки, наполненные раствором английской соли, можно перевернуть над двумя кнопками для сбора газов; сбор заметного количества газа может занять значительное время.

Демонстрация обратной реакции, реакции смешивания газообразных водорода и кислорода и их сжигания, может быть использована в связи с этой демонстрацией электролиза. Эту взрывоопасную экзотермическую реакцию следует использовать с соответствующими мерами предосторожности и оборудованием.

Другая распространенная установка, используемая для демонстрации электролиза воды, использует два графитовых карандаша, заостренных с обоих концов, в качестве электродов.

Инструкции, написанные для учащихся по проведению этого исследования, доступны бесплатно в учебной программе «Химия для средней школы» Американского химического общества.

Вернуться к началу

Электролиз воды

Электролиз воды

Воду можно разложить, пропуская через нее электрический ток. Когда это
случается, электроны от электрического тока вызывают окислительно-восстановительную реакцию.
На одном электроде, называемом катодом, электроны переходят в раствор и вызывают
снижение. На другом электроде, называемом анодом, электроны покидают раствор.
завершая цепь и вызывая окисление.

Для проведения электролиза раствор должен
проводить электрический ток. Чистая вода — очень плохой проводник. Чтобы сделать
вода проводит лучше, мы можем добавить электролит в воду. Это вводит еще один
проблема однако. Многие электролиты, которые мы добавляем, электролизуются легче, чем
вода. Сульфат-ионы не подвергаются электролизу так же легко, как вода, поэтому сульфаты часто
Используется для повышения проводимости воды. На одном из электродов электроны
(от источника тока, такого как батарея) добавляются к молекулам воды (поскольку электроны
добавляются, это отрицательная клемма аккумулятора). Следующее сокращение
происходит на катоде с образованием газообразного водорода.

На другом электроде электроны удаляются из воды (так что это
положительный конец батареи) и введите электрод. Это завершает цепь так
ток может течь. На этом электроде, называемом анодом, происходит окисление воды:

Поскольку окисление не может происходить без восстановления, эти две реакции
должно происходить одновременно. Если мы сложим их вместе и аннулируем аналогичные
условия, мы получим чистую общую реакцию.

, то же самое, что и

.

Н ₂ О
H ₂ + 1/2O ₂ (г)

Материалы

• Батарея 9 В (или блок питания)
• два карандаша, заточенных с обоих концов (подойдет один карандаш, разрезанный пополам, или используйте старый карандаш
  заглушки
• зажим для аккумулятора (зажимы типа «крокодил» приобретаются отдельно)
• чашка Петри
• вода дистиллированная или деионизированная
• кислотно-основной индикатор (универсальный индикатор, бромкрезоловый зеленый, фенолфталеин, метиловый красный, тимоловый синий или сок краснокочанной капусты)
• сульфат магния (английская соль) или сульфат натрия

Процедура

1. Подготовьте аппарат для электролиза, если он еще не настроен.
Заточите оба конца карандаша. Прикрепите провода зажима аккумулятора к заостренным
карандашный грифель. Если вы не используете зажимы типа «крокодил», зачистите примерно 2 см конца
проволоку и оберните ею карандашный стержень. Закрепите этот провод изолентой или горячим клеем.

2. Приготовьте раствор, насыщенный сульфатом натрия, в деионизированной воде.
Вам понадобится около 100 мл. В качестве альтернативы можно использовать раствор магния.
сульфат.

3. Добавьте несколько капель кислотно-щелочного индикатора в раствор, приготовленный выше.
Ваш раствор должен быть слегка окрашен. Выберите любой из индикаторов, которые
удобный, хотя и универсальный индикатор, индикатор бромкрезоловый зеленый или индикатор краснокочанной капусты.
дайте наиболее очевидное изменение в оба электрода . Залейте этот раствор
в чашку Петри

4. Поместите свободный конец грифеля в чашку Петри, погруженную в воду,
и примерно 2 см друг от друга.

5. Подсоедините батарею и наблюдайте за любыми изменениями в течение нескольких минут. Обратите внимание, какие
конец положительный (красный провод) и отрицательный (черный провод), и какие результаты вы
наблюдать.

Практически невозможно собрать газы, образовавшиеся в ходе этого эксперимента. Пока
кажется, что образуется много пузырьков, на самом деле газа не так много
произведено. Газ можно собирать в другом аппарате, который можно использовать
более высокие токи, чем описанные здесь. Пример этого показан на
видео.

Заключение

1. Электроны перетекают из черного провода (отрицательного) в раствор. Что Вы
наблюдать за изменением цвета на отрицательном электроде? Сравните это с цветовой диаграммой кислотно-щелочного индикатора для индикатора
ты использовал. Объясните с точки зрения происходящей там полуреакции

2. Электроны перетекают из раствора в красный провод (положительный). Что
вы наблюдаете за изменением цвета на положительном электроде? Сравните это с цветовой диаграммой кислотно-щелочного индикатора для индикатора
ты использовал. Объясните с точки зрения протекающей здесь полуреакции.

3. Из видео сравните объемы двух собранных газов. Какой вывод
ты можешь дотянуться?

Дополнительно

На самом деле для производства большого количества кислорода или водорода требуется довольно большой ток.
газ. Например, какой электрический ток потребуется для производства одного моля
кислородный газ? Это масса 32 г, а при комнатной температуре и давлении
займет около 24 литров.

Этап 1: Из сбалансированного уравнения на аноде

видно, что для производства 1 моля газообразного кислорода требуется 4 моля электронов.

Шаг 2: Электрический ток обычно измеряется в амперах. Ток 1 ампер для
1 секунда — это один кулон (Кл) электронов.