ELEKTROLYSE VAN WATER: PROCEDURE, TECHNIEKEN, WAAR HET VOOR IS - CHEMIE - 2025

De elektrolyse van water is de ontleding van water in zijn elementaire componenten door een elektrische stroom aan te leggen. Terwijl ze voortschrijden, worden waterstof en moleculaire zuurstof, H ₂ en O ₂ , gevormd op twee inerte oppervlakken . Deze twee oppervlakken zijn beter bekend onder de naam elektroden.

Theoretisch is de hoeveelheid H ₂ dient gevormd dubbele volume O zijn ₂ . Waarom? Omdat het watermolecuul een H / O-verhouding heeft die gelijk is aan 2, dat wil zeggen twee H voor elke zuurstof. Dit verband wordt direct geverifieerd met de chemische formule, H ₂ O. Veel experimentele factoren beïnvloeden echter de verkregen volumes.

Bron: Antti T. Nissinen via Flickr

Als de elektrolyse wordt uitgevoerd in buizen die zijn ondergedompeld in water (bovenste afbeelding), komt de onderste waterkolom overeen met waterstof, omdat er een grotere hoeveelheid gas op het oppervlak van de vloeistof druk uitoefent. De bellen omringen de elektroden en stijgen omhoog nadat ze de dampdruk van het water hebben overwonnen.

Merk op dat de buizen zo van elkaar zijn gescheiden dat er een lage migratie van gassen van de ene elektrode naar de andere is. Op lage schaal is dit geen direct risico; maar op industriële schaal is het gasvormige mengsel van H ₂ en O ₂ zeer gevaarlijk en explosief.

Om deze reden zijn de elektrochemische cellen waar de elektrolyse van water wordt uitgevoerd erg duur; Ze hebben een ontwerp en elementen die ervoor zorgen dat gas mengsels met een kosteneffectieve voeding, hoge concentraties van elektrolyten, speciale elektroden (elektrokatalysatoren) en mechanismen om de H slaan ₂ geproduceerd.

Elektrokatalysatoren vertegenwoordigen wrijving en tegelijkertijd vleugels voor de winstgevendheid van waterelektrolyse. Sommige bestaan ​​uit edelmetaaloxiden, zoals platina en iridium, waarvan de prijzen erg hoog zijn. Vooral op dit punt bundelen onderzoekers hun krachten om efficiënte, stabiele en goedkope elektroden te ontwerpen.

De reden voor deze inspanningen is om de vorming van O ₂ te versnellen , die bij lagere snelheden optreedt in vergelijking met H ₂ . Deze vertraging door de elektrode waarin O ₂ wordt gevormd brengt als algemeen gevolg van de toepassing van een potentieel veel hoger dan nodig (overspanning); wat gelijk is aan een lagere prestatie en hogere kosten.

Elektrolysereactie

Bij de elektrolyse van water komen veel complexe aspecten kijken. In algemene termen berust de basis echter op een eenvoudige algemene reactie:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Zoals te zien is in de vergelijking, zijn er twee watermoleculen bij betrokken: de ene moet meestal worden verminderd of elektronen krijgen, terwijl de andere elektronen moet oxideren of verliezen.

H ₂ is een product van de reductie van water, omdat de winst van elektronen bevordert dat de H ⁺ protonen covalent kunnen binden, en dat de zuurstof wordt omgezet in OH ^- . Daarom H ₂ wordt aan de kathode, die de elektrode waar de reductie plaatsvindt.

Terwijl O ₂ afkomstig is van de oxidatie van water, waardoor het de elektronen verliest die het aan waterstof binden, en bijgevolg H ⁺ -protonen vrijgeeft . O ₂ wordt geproduceerd bij de anode, de elektrode waar oxidatie optreedt; En in tegenstelling tot de andere elektrode is de pH rond de anode zuur en niet basisch.

Halfcelreacties

Dit kan worden samengevat met de volgende chemische vergelijkingen voor halfcelreacties:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Kathode, basisch)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (Anode, zuur)

Water kan echter niet meer elektronen (4e ^- ) verliezen dan het andere watermolecuul aan de kathode (2e ^- ) wint ; daarom moet de eerste vergelijking worden vermenigvuldigd met 2 en vervolgens worden afgetrokken met de tweede vergelijking om de netto vergelijking te krijgen:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Maar 4H ⁺ en 4OH ^- vormen 4H ₂ O, dus elimineren ze vier van de zes H ₂ O- moleculen, waardoor er twee overblijven ; en het resultaat is de zojuist geschetste globale reactie.

Halfcelreacties veranderen met pH-waarden, technieken en hebben ook bijbehorende reductie- of oxidatiepotentialen, die bepalen hoeveel stroom er moet worden geleverd om de elektrolyse van water spontaan te laten verlopen.

Werkwijze

Bron: Ivan Akira, van Wikimedia Commons

Een Hoffman voltameter wordt getoond in de bovenstaande afbeelding. De cilinders worden gevuld met water en de geselecteerde elektrolyten via het middelste mondstuk. De rol van deze elektrolyten is om de geleidbaarheid van het water te verhogen, aangezien er onder normale omstandigheden zeer weinig H ₃ O ^{+ -} en OH- ionen zijn ^- producten van hun zelfionisatie.

De twee elektroden zijn meestal gemaakt van platina, hoewel ze in de afbeelding zijn vervangen door koolstofelektroden. Beiden zijn aangesloten op een accu, waarmee een potentiaalverschil (ΔV) wordt toegepast dat de oxidatie van water (vorming van O ₂ ) bevordert.

De elektronen de gehele schakeling totdat zij de andere elektrode, waarbij het water wint ze keer wordt bereikt H ₂ en OH ^- . Op dit punt zijn de anode en kathode al gedefinieerd, wat kan worden onderscheiden door de hoogte van de waterkolommen; degene met de kleinste holte overeen met de kathode, waarbij H ₂ wordt gevormd .

In het bovenste deel van de cilinders bevinden zich sleutels waarmee de gegenereerde gassen kunnen worden vrijgegeven. De aanwezigheid van H ₂ kan zorgvuldig worden gecontroleerd door reactie met een vlam, verbranding daarvan produceert gasvormige water.

Technieken

Waterelektrolyse technieken variëren afhankelijk van de hoeveelheid H ₂ en O ₂ te genereren. Beide gassen zijn erg gevaarlijk als ze met elkaar worden gemengd, en daarom hebben elektrolytische cellen complexe ontwerpen om de toename van de gasdruk en hun diffusie door het waterige medium te minimaliseren.

Ook variëren de technieken afhankelijk van de cel, de elektrolyt die aan het water wordt toegevoegd en de elektroden zelf. Anderzijds, wat betekent dat de reactie bij hogere temperaturen wordt uitgevoerd, lager elektriciteitsverbruik en anderen gebruiken enorme druk op de H houden ₂ opgeslagen.

Van alle technieken kunnen de volgende drie worden genoemd:

Elektrolyse met alkalisch water

Elektrolyse wordt uitgevoerd met basische oplossingen van de alkalimetalen (KOH of NaOH). Bij deze techniek treden de reacties op:

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

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

Zoals te zien is, heeft water zowel aan de kathode als aan de anode een basische pH; en bovendien migreren de OH ^- naar de anode waar ze worden geoxideerd tot O ₂ .

Elektrolyse met polymeer elektrolytisch membraan

Bij deze techniek wordt een vast polymeer gebruikt dat dient als een membraan dat doorlaatbaar is voor H ⁺ , maar ondoorlaatbaar voor gassen. Dit zorgt voor meer veiligheid tijdens elektrolyse.

De halfcelreacties voor dit geval zijn:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

H ⁺ ionen migreren van de anode naar de kathode, waar zij worden gereduceerd tot H worden ₂ .

Elektrolyse met vaste oxiden

Heel anders dan de andere technieken, gebruikt deze oxides als elektrolyten, die bij hoge temperaturen (600-900ºC) fungeren als transportmedium voor het O ² -anion .

De reacties zijn:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Merk op dat het deze keer de oxide-anionen, O ² , zijn die naar de anode gaan.

Waar is de elektrolyse van water voor?

De elektrolyse van water produceert H ₂ (g) en O ₂ (g). Ongeveer 5% van het waterstofgas dat in de wereld wordt geproduceerd, wordt gemaakt door de elektrolyse van water.

H ₂ is een bijproduct van de elektrolyse van waterige NaCl oplossing. De aanwezigheid van zout vergemakkelijkt elektrolyse door de elektrische geleidbaarheid van het water te vergroten.

De algemene reactie die plaatsvindt is:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Om het enorme belang van deze reactie te begrijpen, zullen enkele toepassingen van gasvormige producten worden genoemd; Omdat dit uiteindelijk degenen zijn die de ontwikkeling van nieuwe methoden stimuleren om de elektrolyse van water op een efficiëntere en groenere manier te bereiken.

Van allemaal is het meest gewenst om te functioneren als cellen die energetisch het gebruik van verbrandende fossiele brandstoffen vervangen.

Waterstofproductie en het gebruik ervan

-Waterstof geproduceerd bij elektrolyse kan worden gebruikt in de chemische industrie die optreedt bij verslavingsreacties, bij hydrogeneringsprocessen of als reductiemiddel bij reductieprocessen.

-Het is ook essentieel bij sommige acties van commercieel belang, zoals: de productie van zoutzuur, waterstofperoxide, hydroxylamines, enz. Het is betrokken bij de synthese van ammoniak door een katalytische reactie met stikstof.

-In combinatie met zuurstof produceert het vlammen met een hoog caloriegehalte, met temperaturen tussen 3.000 en 3.500 K. Deze temperaturen kunnen worden gebruikt voor snijden en lassen in de metaalindustrie, voor de groei van synthetische kristallen, de productie van kwarts, enz. .

-Waterbehandeling: een te hoog nitraatgehalte in water kan worden verminderd door het te verwijderen in bioreactoren, waarin bacteriën waterstof gebruiken als energiebron

-Waterstof is betrokken bij de synthese van kunststoffen, polyester en nylon. Bovendien maakt het deel uit van de productie van glas, waardoor de verbranding tijdens het bakken toeneemt.

-Reageert met de oxiden en chloride van vele metalen, waaronder: zilver, koper, lood, bismut en kwik om zuivere metalen te produceren.

-En bovendien wordt het gebruikt als brandstof bij chromatografische analyse met een vlamdetector.

Als een foutopsporingsmethode

De elektrolyse van natriumchloride-oplossingen wordt gebruikt voor de zuivering van zwembadwater. Bij elektrolyse wordt waterstof geproduceerd aan de kathode en chloor (Cl ₂ ) aan de anode. Elektrolyse wordt in dit geval een zoutchlorinator genoemd.

Chloor lost op in water om hypochloorzuur en natriumhypochloriet te vormen. Hypochloorzuur en natriumhypochloriet steriliseren water.

Als zuurstoftoevoer

De elektrolyse van water wordt ook gebruikt om zuurstof te genereren op het internationale ruimtestation ISS, dat dient om een ​​zuurstofatmosfeer op het station te behouden.

Waterstof kan worden gebruikt in een brandstofcel, een methode om energie op te slaan, en het water dat in de cel wordt opgewekt, kan worden gebruikt voor consumptie door astronauten.

Huis experiment

Waterelektrolyse-experimenten zijn uitgevoerd op laboratoriumschaal met Hoffman voltmeters, of een ander samenstel dat het mogelijk maakt om alle noodzakelijke elementen van een elektrochemische cel te bevatten.

Van alle mogelijke samenstellingen en uitrusting, kan de eenvoudigste een grote transparante waterbak zijn, die als cel zal dienen. Daarnaast moet elk metalen of elektrisch geleidend oppervlak aanwezig zijn om als elektroden te kunnen functioneren; één voor de kathode en de andere voor de anode.

Voor dit doel kunnen zelfs potloden met aan beide uiteinden scherpe grafietpunten nuttig zijn. En tot slot, een kleine batterij en enkele kabels die deze verbinden met de geïmproviseerde elektroden.

Indien niet uitgevoerd in een doorzichtige houder, wordt de vorming van gasvormige bellen niet gewaardeerd.

Home variabelen

Hoewel de elektrolyse van water een onderwerp is dat veel intrigerende en hoopvolle aspecten bevat voor diegenen die op zoek zijn naar alternatieve energiebronnen, kan het huisexperiment saai zijn voor kinderen en andere omstanders.

Derhalve kan voldoende spanning toegepast om de vorming van H genereren ₂ en O _{2 door} afwisselende bepaalde variabelen en de wijzigingen te merken.

De eerste is de variatie van de pH van het water, waarbij azijn wordt gebruikt om het water aan te zuren , of Na ₂ CO ₃ om het licht basisch te maken. Er moet een verandering optreden in het aantal waargenomen bellen.

Bovendien zou hetzelfde experiment kunnen worden herhaald met warm en koud water. Op deze manier zou dan het effect van temperatuur op de reactie worden overwogen.

Om de gegevensverzameling ten slotte iets minder kleurloos te maken, kunt u een zeer verdunde oplossing van paars koolsap gebruiken. Dit sap is een zuur-base-indicator van natuurlijke oorsprong.

Door het toe te voegen aan de container met de geplaatste elektroden, zal worden opgemerkt dat bij de anode het water roze (zuur) wordt, terwijl bij de kathode de kleur geel (basisch) zal zijn.

Referenties

1. Wikipedia. (2018). Elektrolyse van water. Hersteld van: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16 november 2018). Elektrolyse van water. Waterstructuur en wetenschap. Hersteld van: 1.lsbu.ac.uk
3. Energie-efficiëntie en hernieuwbare energie. (sf). Waterstofproductie: elektrolyse. Hersteld van: energy.gov
4. Phys.org. (14 februari 2018). Zeer efficiënte, goedkope katalysator voor waterelektrolyse. Hersteld van: phys.org
5. Chemie LibreTexts. (18 juni 2015). Elektrolyse van water. Hersteld van: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. en S. Lewis N. (2016). Principes en implementaties van elektrolysesystemen voor watersplitsing. De Royal Society of Chemistry.
7. Regenten van de Universiteit van Minnesota. (2018). Elektrolyse van water 2. Universiteit van Minnesota. Hersteld van: chem.umn.edu