אלקטרוליזה של מים: פרוצדורה, טכניקות, לשם מה הם מיועדים - כִּימִיָה - 2025

אלקטרוליזה של מים היא הפירוק של מים לתוך רכיבי היסודות שלה על ידי יישום זרם חשמלי. ככל שהם ממשיכים, מימן וחמצן מולקולרי, H ₂ ו- O ₂ , נוצרים על שני משטחים אינרטיים . שני המשטחים הללו ידועים יותר בשם האלקטרודות.

באופן תיאורטי, נפח H ₂ שנוצר צריך להיות כפול מנפח O ₂ . למה? מכיוון שלמולקולת המים יש יחס H / O השווה ל 2, כלומר שני H עבור כל חמצן. קשר זה מאומת ישירות עם הנוסחה הכימית שלו, H ₂ O. עם זאת, גורמים ניסיוניים רבים משפיעים על הנפחים המתקבלים.

מקור: אנטי ט. ניסינן דרך פליקר

אם האלקטרוליזה מתבצעת בתוך צינורות שקועים במים (תמונה עליונה), עמוד המים התחתון מתאים למימן, מכיוון שיש כמות גדולה יותר של גז המפעיל לחץ על פני הנוזל. הבועות מקיפות את האלקטרודות ובסופו של דבר מתרוממות לאחר שהתגברו על לחץ האדים של המים.

שימו לב שהצינורות מופרדים זה מזה באופן שיש נדידה נמוכה של גזים מאלקטרודה אחת לאחרת. בקנה מידה נמוך זה אינו מהווה סיכון קרוב; אך במאזניים תעשייתיים, התערובת הגזים של H ₂ ו- O ₂ מסוכנת מאוד ונפוצה.

מסיבה זו, התאים האלקטרוכימיים בהם מתבצע אלקטרוליזה של מים יקרים מאוד; הם זקוקים לתכנון ואלמנטים שמבטיחים כי גזים לעולם לא יתערבבו, אספקת חשמל חסכונית, ריכוזים גבוהים של אלקטרוליטים, אלקטרודות מיוחדות (אלקטרקטליסטים) ומנגנונים לאחסון ה- H ₂ המיוצר.

אלקטרו-קטליסטים מייצגים חיכוך ובו זמנית כנפיים לרווחיות האלקטרוליזה של מים. חלקם מורכבים מתחמוצות מתכת אצילות, כמו פלטינה ואירידיום, שמחיריהן גבוהים מאוד. בשלב זה במיוחד החוקרים מאגדים כוחות בתכנון אלקטרודות יעילות, יציבות וזולות.

הסיבה למאמצים אלה היא להאיץ את היווצרותו של O ₂ המתרחש בשיעורים נמוכים יותר בהשוואה ל- H ₂ . האטה זו באמצעות האלקטרודה בה נוצר O ₂ מביאה כתוצאה כללית ליישום פוטנציאל גבוה בהרבה מהנדרש (פוטנציאל יתר); שזה שווה, לביצועים נמוכים יותר ולהוצאות גבוהות יותר.

תגובת אלקטרוליזה

אלקטרוליזה של מים כוללת היבטים מורכבים רבים. עם זאת, באופן כללי, בסיסו נשען על תגובה עולמית פשוטה:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

כפי שניתן לראות במשוואה, שתי מולקולות מים מעורבות: בדרך כלל יש להפחית באחת, או להשיג אלקטרונים, ואילו השנייה חייבת לחמצן או לאבד אלקטרונים.

H ₂ הוא תוצר של הפחתת מים, מכיוון שרווח האלקטרונים מקדם כי הפרוטונים H ⁺ יכולים להיקשר בצורה קוולנטית, וכי החמצן הופך ל- OH ^- . לכן, H ₂ מופקים על הקתודה, המהווה את האלקטרודה שבו ההפחתה מתרחשת.

בעוד O ₂ מגיע מחמצון של מים, שבגללם הוא מאבד את האלקטרונים המאפשרים לו להיקשר למימן, וכתוצאה מכך משחרר פרוטונים H ⁺ . O ₂ מיוצר באנודה, האלקטרודה בה מתרחשת חמצון; ובניגוד לאלקטרודה האחרת, ה- pH סביב האנודה הוא חומצי ולא בסיסי.

תגובות חצי תאים

ניתן לסכם זאת עם המשוואות הכימיות הבאות לתגובות של חצי תאים:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (קתודה, בסיסית)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (אנודה, חומצה)

עם זאת, מים לא יכולים לאבד יותר אלקטרונים (4e ^- ) ממה שמולקולת המים האחרת מרוויחה בקתודה (2e ^- ); לפיכך, יש להכפיל את המשוואה הראשונה על ידי 2 ואז לחסר עם המשוואה השנייה כדי לקבל את המשוואה נטו:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

אבל 4H ⁺ ו- 4OH ^- יוצרים 4H ₂ O, כך שהם מחסלים ארבע מתוך שש מולקולות H ₂ O ומשאירים שתיים; והתוצאה היא התגובה העולמית שזה עתה הותווה.

תגובות של חצי תאים משתנות עם ערכי pH, טכניקות, ויש להן גם פוטנציאל להפחתה או חמצון, שקובעות כמה זרם צריך לספק כדי שה אלקטרוליזה של מים תתקדם באופן ספונטני.

תהליך

מקור: איבן אקירה, מתוך ויקימדיה

בתמונה למעלה מוצג מתג הופמן של הופמן. הצילינדרים מלאים במים והאלקטרוליטים שנבחרו דרך הזרבובית האמצעית. תפקידם של האלקטרוליטים הללו הוא להגדיל את מוליכות המים, מכיוון שבתנאים רגילים ישנם מעט מאוד יוני H ₃ O ⁺ ו- OH ^- תוצרי היינון העצמי שלהם.

שתי האלקטרודות בדרך כלל עשויות פלטינה, אם כי בתמונה הן הוחלפו על ידי אלקטרודות פחמן. שניהם מחוברים לסוללה, איתה מיושם הפרש פוטנציאל (ΔV) המקדם את חמצון המים (היווצרות O ₂ ).

האלקטרונים נודדים במעגל כולו עד שהם מגיעים לאלקטרודה השנייה, שם המים מנצחים אותם והופכים ל- H ₂ ו- OH ^- . בנקודה זו כבר הוגדרו האנודה והקתודה, אותם ניתן להבדיל בגובה העמודים; זה עם הגובה הנמוך ביותר תואם את הקתודה, בה נוצר H ₂ .

בחלקו העליון של הצילינדרים ישנם מפתחות המאפשרים לשחרר את הגזים שנוצרו. ניתן לבדוק את נוכחותו של H ₂ בזהירות על ידי תגובתו ללהבה, אשר בעירה מייצרת מים גזים.

טכניקות

טכניקות אלקטרוליזה של מים משתנות בהתאם לכמות ה- H ₂ ו- O ₂ המיוצרות. שני הגזים מסוכנים מאוד אם הם מעורבבים זה בזה, וזו הסיבה שתאים אלקטרוליטיים כוללים תכנונים מורכבים כדי למזער את עליית לחצי הגז וההתפשטות שלהם דרך המדיום המימי.

כמו כן, הטכניקות משתנות בהתאם לתא, האלקטרוליט שנוסף למים והאלקטרודות עצמן. מצד שני, יש המשתמעים כי התגובה מתבצעת בטמפרטורות גבוהות יותר, מה שמפחית את צריכת החשמל, ואחרים משתמשים בלחצים עצומים כדי לשמור על ה- H ₂ מאוחסן.

בין כל הטכניקות ניתן להזכיר את השלושה הבאים:

אלקטרוליזה עם מים אלקליין

אלקטרוליזה מתבצעת באמצעות פתרונות בסיסיים של מתכות אלקליות (KOH או NaOH). בעזרת טכניקה זו התגובות מתרחשות:

4H ₂ O (l) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 4OH ^- (aq)

4OH ^- (aq) => O ₂ (g) + 2H ₂ O (l) + 4e ^-

כפי שניתן לראות, הן בקתודה והן באנודה, מים בעלי pH בסיסי; ובנוסף, OH ^- נודדים לכיוון האנודה בה הם מתחמצנים ל- O ₂ .

אלקטרוליזה עם קרום אלקטרוליטי פולימרי

בטכניקה זו משתמשים בפולימר מוצק המשמש קרום חדיר ל- H ⁺ אך בלתי חדיר לגזים. זה מבטיח בטיחות רבה יותר במהלך אלקטרוליזה.

התגובות של חצי תאים למקרה זה הן:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

2H ₂ O (l) => O ₂ (g) + 4H ⁺ (aq) + 4e ^-

יוני H ⁺ נודדים מהאנודה לקתודה, שם הם מצטמצמים והופכים ל- H ₂ .

אלקטרוליזה עם תחמוצות מוצקות

שונה מאוד מהטכניקות האחרות, זו משתמשת בתחמוצות כאלקטרוליטים, שבטמפרטורות גבוהות (600-900 מעלות צלזיוס) מתפקדות כאמצעי תובלה עבור ה- O ^2- אניון .

התגובות הן:

2H ₂ O (g) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 2O ^2-

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

שימו לב שהפעם אניוני התחמוצת, O ^2- , הם הנוסעים לאנודה.

בשביל מה מיועדת אלקטרוליזה של מים?

אלקטרוליזה של מים מייצרת H ₂ (g) ו- O ₂ (g). בערך 5% מגז המימן המיוצר בעולם נוצר באמצעות אלקטרוליזה של מים.

H ₂ הוא תוצר לוואי של אלקטרוליזה של תמיסות NaCl מימיות. נוכחות של מלח מקלה על אלקטרוליזה על ידי הגדלת המוליכות החשמלית של המים.

התגובה הכוללת שמתרחשת היא:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

כדי להבין את החשיבות העצומה של תגובה זו, יוזכרו כמה משימושים במוצרים גזים; מכיוון שבסופו של יום אלה הם אלה שמניעים פיתוח שיטות חדשות להשגת אלקטרוליזה של מים בצורה יעילה וירוקה יותר.

מבין כולם, הרצוי ביותר הוא לתפקד כתאים המחליפים אנרגטית את השימוש בשריפת דלקים מאובנים.

ייצור מימן והשימושים בו

- אפשר להשתמש בדם המופק באלקטרוליזה בתעשייה הכימית הפועלת בתגובות התמכרות, בתהליכי מימן או כחומר מקטין בתהליכי הפחתה.

זה חיוני גם בפעולות מסוימות בעלות חשיבות מסחרית, כגון: ייצור חומצה הידרוכלורית, מי חמצן, הידרוקסילאמינים וכו '. זה מעורב בסינתזה של אמוניה באמצעות תגובה קטליטית עם חנקן.

בשילוב עם חמצן, הוא מייצר להבות עם תוכן קלורי גבוה, עם טמפרטורות הנע בין 3,000 ל -3,500 K. ניתן להשתמש בטמפרטורות אלה לחיתוך וריתוך בתעשיית המתכת, לגידול גבישים סינתטיים, ייצור קוורץ וכו '. .

-טיפול במים: ניתן להפחית את כמות החנקן הגבוהה ביותר במים על ידי ביטולם בביו-ריאקטורים, בהם חיידקים משתמשים במימן כמקור אנרגיה.

הידרוגן מעורב בסינתזה של פלסטיק, פוליאסטר וניילון. בנוסף, זהו חלק מייצור הזכוכית, מה שמגביר את הבעירה במהלך האפייה.

-מגיב עם תחמוצות וכלוריד של מתכות רבות, ביניהן: כסף, נחושת, עופרת, ביסמוט וכספית לייצור מתכות טהורות.

בנוסף, הוא משמש כדלק בניתוח כרומטוגרפי באמצעות גלאי להבה.

כשיטת ניפוי

אלקטרוליזה של תמיסות נתרן כלורי משמשת לטיהור מי הבריכה. במהלך אלקטרוליזה, מיוצר מימן בקתודה וכלור (Cl ₂ ) באנודה. אלקטרוליזה מכונה במקרה זה כלורניטור מלח.

כלור מתמוסס במים ליצירת חומצה היפוכלורית ונתרן היפוכלוריט. חומצה היפוכלורית ונתרן היפוכלוריט מעקרים מים.

כאספקת חמצן

אלקטרוליזה של מים משמשת גם לייצור חמצן בתחנת החלל הבינלאומית, המשמשת לשמירה על אווירת חמצן בתחנה.

ניתן להשתמש במימן בתא דלק, שיטה לאגירת אנרגיה, ולהשתמש במים הנוצרים בתא לצריכה על ידי אסטרונאוטים.

ניסוי ביתי

ניסויים באלקטרוליזה של מים בוצעו במאזני מעבדה עם מד מתח של הופמן, או מכלול אחר המאפשר להכיל את כל האלמנטים הדרושים בתא אלקטרוכימי.

מכל המכלולים והציוד האפשריים, הפשוט ביותר יכול להיות מיכל מים שקוף גדול, שישמש כתא. בנוסף לכל זה, כל משטח מתכת או מוליך חשמלי חייב להיות בהישג יד גם כדי לתפקד כאלקטרודות; אחד לקתודה והשני לאנודה.

למטרה זו אפילו עפרונות עם קצות גרפיט חדים בשני הקצוות יכולים להיות מועילים. ולבסוף, סוללה קטנה וכמה כבלים המחברים אותה לאלקטרודות המאולתרות.

אם לא יבוצע במיכל שקוף, היווצרות בועות גזים לא הייתה מוערכת.

משתנים ביתיים

למרות שהאלקטרוליזה של מים היא נושא המכיל היבטים רבים ומסקרנים ומעודדים עבור אלה המחפשים מקורות אנרגיה חלופיים, הניסוי הביתי יכול להיות משעמם לילדים ועוברי אורח אחרים.

לכן ניתן ליישם מתח מספיק כדי לייצר היווצרות H ₂ ו- O _{2 על ידי} לסירוגין משתנים מסוימים וציון השינויים.

הראשון הוא הווריאציה של רמת החומציות של המים, באמצעות חומץ אחד כדי להחמיר את המים, או Na ₂ CO ₃ כדי לבסס אותם מעט. שינוי במספר בועות שנצפו חייב להתרחש.

בנוסף, ניתן לחזור על אותו ניסוי עם מים חמים וקרים. בדרך זו, ניתן יהיה לחשוב על השפעת הטמפרטורה על התגובה.

לבסוף, כדי להפוך את אוסף הנתונים לקצת פחות חסר צבע, תוכלו להשתמש בפתרון מדולל מאוד של מיץ כרוב סגול. מיץ זה הוא אינדיקטור-בסיס חומצה שמקורו טבעי.

הוספתו למיכל עם האלקטרודות מוכנסות, יצוין כי באנודה המים יהפכו לורודים (חומצה) ואילו בקתודה הצבע יהיה צהוב (בסיסי).

הפניות

1. ויקיפדיה. (2018). אלקטרוליזה של מים. התאושש מ: en.wikipedia.org
2. צ'פלין מ '(16 בנובמבר 2018). אלקטרוליזה של מים. מבנה מים ומדע. התאושש מ: 1.lsbu.ac.uk
3. יעילות אנרגיה ואנרגיה מתחדשת. (sf). ייצור מימן: אלקטרוליזה. התאושש מ: energy.gov
4. Phys.org. (14 בפברואר 2018). זרז יעיל גבוה ובעלות נמוכה לאלקטרוליזה של מים. התאושש מ: phys.org
5. כימיה LibreTexts. (18 ביוני 2015). אלקטרוליזה של מים. התאושש מ: chem.libretexts.org
6. שיאנג סי, מ 'פפאדנטונאקיסאב ק' וס 'לואיס נ' (2016). עקרונות ויישום מערכות אלקטרוליזה לפיזור מים. החברה המלכותית לכימיה.
7. יורשים של אוניברסיטת מינסוטה. (2018). אלקטרוליזה של מים 2. אוניברסיטת מינסוטה. התאושש מ: chem.umn.edu