Содержание
Электролиз воды – схема процесса, реакция
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 227.
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 227.
Процесс электролиза – это окислительно-восстановительная реакция, возможная только под действием электричества. Электролиз протекает в расплавах и растворах. В лабораториях для получения чистых газов – водорода и кислорода – проводят электролиз воды.
Что такое электролиз
Для осуществления процесса электролиза в раствор или в расплав помещают два электрода, подключённых к противоположным полюсам источника тока. В качестве электродов чаще всего используется металл или графит, так как эти материалы пропускают электрический ток.
Рис. 1. Электролиты в растворе.
Под действием электричества электрод, подключенный к отрицательному полюсу, становится катодом, а электрод, соединённый с положительным полюсом, превращается в анод. Катод и анод притягивают противоположные ионы: к катоду направляются положительно заряженные катионы, к аноду – отрицательно заряженные анионы.
Катод является окислителем, на нём происходит процесс восстановления катионов. На аноде протекает процесс окисления: анод восстанавливает анионы и окисляется.
Процесс электролиза можно разделить на два этапа. Сначала происходит диссоциация – распад электролита (раствора или расплава) на ионы. Затем протекают реакции на электродах.
Электролиз воды
Если пропустить через воду электрический ток, жидкость начнёт диссоциироваться на составляющие молекулу воды атомы. В результате процесса электролиза воды получают кислород и водород. Однако в зависимости от природы электродов можно получить озон и перекись водорода.
Схема электролиза воды:
Или:
- анод:
3H2O → O3 + 6e– + 6H+;
- катод:
O2 + 2H2O + 2e– → H2O2 + 2OH–.
Общее уравнение:
2H2O → 2H2 + O2.
Рис. 2. Схема электролиза воды.
Вода – слабый электролит, поэтому электролиз чистой, дистиллированной воды протекает медленно или не идёт вовсе. Для ускорения процесса в воду добавляют сильный электролит, увеличивающий проводимость электрического тока.
Электролит выбирается так, чтобы исключить конкуренцию между катионами электролита и катионами воды (H+). В противном случае водород не будет произведён. Чтобы исключить конкуренцию, необходимо подобрать электролит, катионы которого будут иметь меньший электродный потенциал, чем H+ воды. На роль катиона электролита подходят:
- Li+;
- Rb+;
- K+;
- Cs+;
- Ba2+;
- Sr2+;
- Ca2+;
- Na+;
- Mg2+.
Для исключения конкуренции анионов, наоборот, подбирают электролит с анионами большего электродного потенциала, чем анион OH– воды.
В качестве такого электролита применяется щелочь для образования гидроксильного иона OH–.
Рис. 3. Диссоциация щёлочи.
Для электролиза воды используются сильные щелочи: гидроксид калия (KOH) или натрия (NaOH). В некоторых случаях применяется сильная кислота, например, H2SO4.
Что мы узнали?
Электролиз – процесс образования и оседания на электродах ионов вещества под действием электрического тока. Вода разделяется на катионы водорода и анионы кислорода. Положительные катионы движутся к катоду, отрицательные анионы – к аноду. В некоторых случаях вода диссоциируется на озон и перекись водорода. Из-за низкой способности к диссоциации в воду добавляется сильный электролит, не мешающий образованию водорода и кислорода. Чаще всего добавляется щёлочь или сильная кислота.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Ирина Лысых
5/5
Олег Гаврюшкин
5/5
Induction System
5/5
Оценка доклада
4.
4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 227.
А какая ваша оценка?
Химики получили водород на катоде и аноде одновременно
Ученые из США и Китая разработали систему электролиза, в которой на аноде и катоде выделялся водород. При этом протекало две реакции: окисление природного альдегида и восстановление воды. Такая система позволила получать водород при низком напряжении в цепи и небольшом потреблении энергии. Исследование опубликовано в журнале Nature Catalysis.
95 процентов всего производимого водорода получают риформингом ископаемого топлива — дешевым, но вредным для окружающей среды процессом. В качестве альтернативы ученые долгое время предлагают электролиз воды, однако из-за высокого напряжения, требуемого для протекания реакции окисления, получать водород электролизом оказывается слишком дорого.
Еще одна проблема, из-за которой электролиз воды трудно применять в промышленности, заключается в следующем: в результате реакции на аноде выделяется водород, а на катоде — кислород, которые вместе дают очень взрывоопасную смесь.
Из-за этого приходится разделять анодное и катодное пространства, а также тщательно контролировать состав получаемого газа. Кроме того, образующиеся в процессе радикальные частицы могут разрушать мембраны электролизера.
Химики под руководством Дуаня Сянфэня (Duan Xiangfeng) из Калифорнийского университета решили разработать метод электролитического получения водорода из дешевого органического исходного и воды. При этом их целью было провести электролиз при низком напряжении и без выделения побочных газообразных продуктов.
Химикам было известно, что альдегиды можно электрохимически окислять до карбоновых кислот в присутствии металлических катализаторов, при этом на поверхности металла адсорбируются атомы водорода, которые затем окисляются с образованием воды. Исходя из этого, авторы статьи предположили, что можно провести процесс, при котором адсорбированные атомы водорода будут объединяться с образованием молекулярного водорода, а не окисляться.
Для исследования реакции окисления химики выбрали альдегид гидроксиметилфурфураль — он встречается в природе и легко получается из сахаров.
А в качестве катализатора ученые решили использовать металлическую медь с большой площадью поверхности, которую они предварительно получали электрохимическим восстановлением оксида меди Cu2O. Ученым удалось установить, что при проведении реакции анодного окисления ток в цепи возникает уже при напряжении в 0,05 Вольт, а затем повышается, достигая максимума около 0,4 Вольт. Масс-спектрометрический анализ показал, что продукты реакции — газообразный водород и соответствующая карбоновая кислота.
Чтобы получить еще больше водорода, химики попробовали объединить процесс окисления альдегида на аноде и реакцию выделения водорода из воды на катоде. В качестве анода они использовали металлическую медь, а в качестве катода выбрали платину на угле. Реакция началась уже при напряжении менее 0,1 Вольта, а плотность тока достигла 100 миллиампер на квадратный сантиметр при напряжении 0,27 Вольта.
В результате химикам удалось разработать эффективный процесс получения водорода. Рассчитанный выход по току составил 100 процентов и для анодного, и для катодного процесса (то есть на каждый прошедший через цепь электрон выделялась одна молекула водорода).
При одинаковой плотности тока новый процесс позволил получать в два раза больше водорода, чем классический электролиз воды, а потребление энергии оказалось меньше примерно в 14 раз.
Чтобы реакция выделения водорода из воды протекала быстрее, химики используют дорогие платиновые катализаторы. Но недавно им удалось применить для этой цели более дешевые золото-родиевые наночастицы. О необычной роли золота в этом процессе мы рассказывали несколько месяцев назад.
Михаил Бойм
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Electrolysis of Water: Definition and Equation
- Equation
- Alkaline Water Electrolysis
- FAQs
The process of decomposing water (H 2 O) into hydrogen (H + ) and hydroxide (OH – ) ионов при пропускании через них электрического тока называется электролизом. Ионы движутся к противоположным электродам, высвобождая чистый водород (H 2 ) и кислород (O 2 ).
Это несамопроизвольная окислительно-восстановительная (окислительно-восстановительная) реакция. Поскольку тепло в виде электричества поступает в электролизер, это эндотермическая реакция [1-4] .
Чистая вода не проводит электричество и требует избыточной энергии для преодоления барьера активации. Поэтому электролиз проводят в присутствии кислоты для улучшения электропроводности за счет увеличения концентрации ионов водорода (H + ). Такими электролитами являются серная кислота (H 2 SO 4 ) и нитрат натрия (NaNO 3 ).
Уравнение
Электролиз происходит в электролитической ячейке, состоящей из положительно заряженного анода и отрицательно заряженного катода, обычно из платины. Химическую реакцию электролиза воды можно разделить на две полуреакции, происходящие на катоде и аноде 9.0013 [1,2] .
Реакция восстановления происходит на катоде, когда ионы водорода приобретают электроны и превращаются в газообразный водород.
Полуреакция выглядит следующим образом:
2 H + (водн.) + 2 e – → H 2 (г)
Реакция окисления происходит, когда молекулы воды отдают электроны аноду и выделяют кислород газа на аноде. Половина реакции показана ниже.
2 H 2 O (л) → O 2 (g) + 4 H + (водн.) + 4 e –
Суммарная химическая реакция:
Таким образом, реакция электролиза воды показывает выделение водорода и кислорода из воды. На два моля воды выделяется два моля водорода и один моль кислорода. Количество образующихся молей водорода в два раза превышает количество кислорода. Также заряды передаются между электродами и электролитом. На каждый моль водорода с катода в электролит переносится 2 электрона. На каждый моль кислорода из электролита на анод переносится 4 электрона.
Электролиз воды
Электролиз щелочной воды
Электролиз воды можно также проводить в щелочной среде. В этом случае полуреакции следующие [5]:
Катод (восстановление): 2 H 2 O (ж) + 2e – → H 2 (ж) + 2 OH – (водн.
)
Анод (окисление): 4 OH – (водн.) → O 2 (г) + 2 H 2 O (л) + 4 e –
Объединение двух половин -реакции дает уравнение электролиза воды.
2 H 2 O (л) + электрическая энергия → 2 H 2 (g) + O 2 (g)
Часто задаваемые вопросы
Q.1. Опасен ли электролиз соленой воды?
Ответ. Да, электролиз соленой воды опасен. Он производит газообразный хлор, который ядовит.
Q.2. Сколько энергии требуется для электролиза воды?
Ответ. Теоретически для диссоциации одной молекулы воды требуется минимум 237 кДж энергии.
Q.3. Каков стандартный потенциал водного электролизера?
Ответ. Стандартный потенциал водного электролизера составляет -1,229 В при 25 ˚C и pH = 0.
edu
При подаче энергии от батареи вода (H 2 O) может быть диссоциирована на двухатомные молекулы водорода (H 2 ) и кислорода (O 2 ). Этот процесс является хорошим примером применения четырех термодинамических потенциалов. При электролизе одного моля воды образуется один моль газообразного водорода и полмоль газообразного кислорода в их нормальных двухатомных формах. Детальный анализ процесса использует термодинамические потенциалы и первый закон термодинамики. Предполагается, что этот процесс происходит в 298K и давление в одну атмосферу, а соответствующие значения взяты из таблицы термодинамических свойств.
Процесс должен обеспечивать энергию для диссоциации, а также энергию для расширения образующихся газов. Оба они включены в изменение энтальпии, указанное в таблице выше. При температуре 298К и давлении в одну атмосферу работа системы составляет Поскольку энтальпия H= U+PV, изменение внутренней энергии U равно Это изменение внутренней энергии должно сопровождаться расширением образующихся газов, поэтому изменение энтальпии представляет собой энергию, необходимую для проведения электролиза. Поскольку процесс электролиза приводит к увеличению энтропии, окружающая среда «помогает» процессу, внося свой вклад в величину TΔS. Полезность свободной энергии Гиббса заключается в том, что она говорит вам, какое количество энергии в других формах необходимо предоставить, чтобы процесс продолжался.
| Index Internal energy concepts Electrochemistry concepts Reference | |||||||||||||||||||
| Назад | |||||||||||||||||||
Водород и кислород могут быть объединены в топливном элементе для производства электроэнергии. Обратите внимание, что когда здесь используется дескриптор «эффективный источник энергии», он просто относится к относительной эффективности, с которой энергия применяется к задаче, а не к тому, что это конечный источник этой энергии. Топливный элемент не генерирует энергию, а просто преобразует энергию, содержащуюся в водородном и кислородном топливе, в полезную выходную электрическую энергию. Объединение моля газообразного водорода и полумоля газообразного кислорода из их обычных двухатомных форм дает моль воды. Детальный анализ процесса использует термодинамические потенциалы. Предполагается, что этот процесс происходит при температуре 298 К и давлении в одну атмосферу, а соответствующие значения взяты из таблицы термодинамических свойств.
Энергия обеспечивается объединением атомов и уменьшением объема газов. Оба они включены в изменение энтальпии, указанное в таблице выше. При температуре 298К и давлении в одну атмосферу работа системы составляет Поскольку энтальпия H= U+PV, изменение внутренней энергии U равно Энтропия газов уменьшается на 48,7 кДж в процессе соединения, так как число молекул воды меньше числа соединяющихся молекул водорода и кислорода. В этом идеальном случае энергия топлива преобразуется в электрическую с КПД 237,1/285,8 x 100 % = 83 %! Это намного больше, чем идеальная эффективность генерирующей установки, которая сжигала водород и использовала тепло для питания генератора! Хотя настоящие топливные элементы не приближаются к идеальной эффективности, они все же намного эффективнее любой электростанции, сжигающей топливо. При сравнении процесса топливного элемента с его обратной реакцией, электролизом воды, полезно рассматривать изменение энтальпии как общее изменение энергии. |
5 O 2 
Однако нет необходимости вкладывать всю эту сумму в виде электрической энергии. Поскольку энтропия увеличивается в процессе диссоциации, количество T∆S может быть обеспечено из окружающей среды при температуре T. Количество, которое должно быть выделено батареей, на самом деле является изменением свободной энергии Гиббса:
Топливный элемент использует химическую реакцию для обеспечения внешнего напряжения, как и батарея, но отличается от батареи тем, что топливо постоянно подается в виде газообразного водорода и кислорода. Он может производить электроэнергию с более высокой эффективностью, чем просто сжигание водорода для производства тепла для привода генератора, потому что он не подвержен тепловому узкому месту из второго закона термодинамики. Это единственный продукт — вода, поэтому он не загрязняет окружающую среду. Все эти особенности периодически вызывали большое волнение по поводу его потенциала, но мы все еще находимся в процессе развития этого потенциала как экологически чистого, эффективного источника энергии (см. Карту и Граймса).
Общая практичность топливных элементов зависит от эффективности процесса производства водородного и кислородного топлива, питающего элементы. Получение водородного и кислородного топлива из других, более первичных источников энергии оказалось ограничением применения топливных элементов. Если бы солнечную или ветровую энергию можно было бы эффективно использовать для электролиза воды, практичность топливных элементов повысилась бы.
83 KJ
Поскольку полная энтропия в ходе реакции не уменьшится, избыточная энтропия в количестве T∆S должна быть выделена в окружающую среду в виде тепла при температуре T. Количество энергии на моль водорода, которое может быть выделено в виде электрической энергии, представляет собой изменение Свободная энергия Гиббса: