إجراء التحليل الكهربائي للماء ، التقنيات ، ماهية الأمر ، التجربة المنزلية

ال التحليل الكهربائي للماء إنه تحلل الماء إلى مكوناته الأولية عن طريق تطبيق تيار كهربائي. عند المتابعة ، يتم تكوين الهيدروجين والأكسجين الجزيئي على سطحين خاملين ، H₂ و يا₂. هذان السطحان معروفان بشكل أفضل باسم الأقطاب الكهربائية.

من الناحية النظرية ، فإن حجم H₂ يجب أن يكون ضعف حجم O₂. لماذا؟ لأن جزيء الماء له نسبة H / O تساوي 2 ، أي 2 H لكل أكسجين. يتم فحص هذه العلاقة مباشرة مع الصيغة الكيميائية ، H₂ومع ذلك ، فإن العديد من العوامل التجريبية تؤثر على الأحجام التي تم الحصول عليها.

إذا تم إجراء التحليل الكهربائي داخل أنابيب مغمورة بالماء (الصورة العليا) ، فإن عمود الماء ذي الارتفاع المنخفض يتوافق مع الهيدروجين ، حيث يوجد قدر أكبر من الغاز الذي يمارس الضغط على سطح السائل. تحيط الفقاعات بالأقطاب الكهربائية وينتهي بها المطاف في الارتفاع بعد انتهاء صلاحية ضغط بخار الماء.

لاحظ أنه يتم فصل الأنابيب عن بعضها البعض بطريقة تكون هناك هجرة منخفضة للغازات من إلكترود إلى آخر. في المقاييس المنخفضة ، لا يمثل هذا خطرًا وشيكًا ؛ ولكن على المقاييس الصناعية ، خليط الغاز من H₂ و يا₂ انها خطيرة للغاية والانفجار.

لهذا السبب ، فإن الخلايا الكهروكيميائية التي يجري فيها التحليل الكهربائي للمياه غالية الثمن ؛ يحتاجون إلى تصميم وعناصر تضمن عدم خلط الغازات أبدًا ، وإمداد تيار مربح ، وتركيزات عالية من الشوارد ، وأقطاب كهربائية خاصة (المحفزات الكهربائية) ، وآليات لتخزين H₂ أنتجت.

تمثل المحفزات الكهربائية الاحتكاك وفي نفس الوقت الأجنحة لربحية التحليل الكهربائي للماء. يتكون البعض من أكاسيد من معادن نبيلة ، مثل البلاتين والإيريديوم ، والتي تكون أسعارها مرتفعة للغاية. عند هذه النقطة ، لا سيما عندما يتحد الباحثون قواهم لتصميم أقطاب كهربائية فعالة ومستقرة ورخيصة.

سبب هذه الجهود هو تسريع تشكيل O₂, التي تعطى بسرعات أقل مقارنة H₂. هذا يتباطأ من القطب حيث يتم تشكيل O₂ يجلب كنتيجة عامة لتطبيق إمكانات أكبر بكثير من اللازم (سعة زائدة) ؛ ما هو نفسه ، لخفض الأداء وارتفاع النفقات.

مؤشر

• 1 رد فعل التحليل الكهربائي
  • 1.1 تفاعلات نصف الخلية
• 2 الإجراء
• 3 تقنيات
  • 3.1 التحليل الكهربائي مع المياه القلوية
  • 3.2 التحليل الكهربائي مع غشاء البوليمر كهربائيا
  • 3.3 التحليل الكهربائي مع أكاسيد صلبة
• 4 ما هو استخدام التحليل الكهربائي للماء؟?
  • 4.1 إنتاج الهيدروجين واستخداماته
  • 4.2 كطريقة لتصحيح الأخطاء
  • 4.3 كما امدادات الاوكسجين
• 5 تجربة المنزل
  • 5.1 متغيرات المنزل
• 6 المراجع

رد فعل التحليل الكهربائي

ينطوي التحليل الكهربائي للماء على العديد من الجوانب المعقدة. ومع ذلك ، بشكل عام ، يكمن أساسه في رد فعل عالمي بسيط:

2H₂O (l) => 2H₂(ز) + يا₂(G)

كما لوحظ في المعادلة ، يتدخل جزيئان من الماء: يجب تقليص أحدهما عادة ، أو اكتساب إلكترونات ، في حين يجب أن يتأكسد الآخر أو يفقد الإلكترونات..

ح₂ إنه ناتج عن تخفيض الماء ، لأن كسب الإلكترونات يعزز البروتونات H⁺ يمكن أن تكون مرتبطة تساهمي ، والأكسجين تتحول إلى OH^-. لذلك ، ح₂ يحدث في الكاثود ، وهو القطب حيث يحدث الحد.

بينما يا₂ يأتي من أكسدة الماء ، لأنه يفقد الإلكترونات التي تسمح له بالربط بالهيدروجين ، وبالتالي يطلق البروتونات H⁺. يا₂ يحدث في القطب الموجب ، حيث يحدث الأكسدة ؛ وعلى عكس القطب الآخر ، فإن الرقم الهيدروجيني حول الأنود حمضي وليس أساسي.

ردود الفعل نصف الخلية

يمكن تلخيص ما سبق مع المعادلات الكيميائية التالية لتفاعلات نصف الخلية:

2H₂O + 2e^- => ح₂ + 2OH^- (الكاثود ، الأساسية)

2H₂يا => يا₂ + 4H⁺ + 4E^- (أنود ، حمض)

ومع ذلك ، لا يمكن أن يفقد الماء المزيد من الإلكترونات (4e^-) التي يفوز بها جزيء الماء الآخر في الكاثود (2e^-)؛ لذلك ، يجب ضرب المعادلة الأولى ب 2 ، ثم طرحها مع المعادلة الثانية للحصول على المعادلة الصافية:

2 (2H₂O + 2e^- => ح₂ + 2OH^-)

2H₂يا => يا₂ + 4H⁺ + 4E^-

6H₂يا => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

لكن 4H⁺ و 4OH^- أنها تشكل 4H₂أو ، لذلك تقضي هذه على أربعة من جزيئات H الستة₂أو ترك اثنين ؛ والنتيجة هي رد الفعل العالمي الذي تم طرحه للتو.

تتغير تفاعلات نصف الخلية مع قيم الأس الهيدروجيني والتقنيات ، وكذلك لها إمكانات تقليل أو أكسدة محتملة ، والتي تحدد مقدار التيار الذي يجب توفيره بحيث يتحول التحليل الكهربائي للماء تلقائيًا.

عملية

تظهر الصورة العليا الفولتميتر هوفمان. تمتلئ الاسطوانات بالماء والكهارل المحدد من خلال فوهة الأوسط. يتمثل دور هذه الشوارد في زيادة توصيلية الماء ، لأنه في ظل الظروف العادية يوجد عدد قليل جدًا من أيونات H₃O⁺ و OH^- منتجات التأين التلقائي الخاص بك.

يكون القطبان عادةً بلاتينيين ، على الرغم من أنه في الصورة تم استبدالهما بأقطاب الكربون. كلاهما متصل ببطارية ، والتي يطبق بها فرق محتمل (ΔV) يعزز أكسدة الماء (تكوين O).₂).

تنتقل الإلكترونات الدائرة بأكملها حتى تصل إلى القطب الآخر ، حيث يفوز الماء ويصبح H₂ و OH^-. عند هذه النقطة ، يتم تعريف الأنود والكاثود بالفعل ، ويمكن التمييز بينهما بارتفاع أعمدة الماء ؛ واحد من ارتفاع أصغر ، يتوافق مع الكاثود ، حيث يتم تشكيل H₂.

في الجزء العلوي من الاسطوانات ، هناك بعض المفاتيح التي تسمح بإطلاق الغازات المتولدة. يمكنك التحقق بعناية من وجود H₂ مما يجعلها تتفاعل مع اللهب ، الذي ينتج احتراقه الماء الغازي.

تقنيات

تختلف تقنيات التحليل الكهربائي للماء حسب كمية H₂ و يا₂ الذي اقترح لتوليد. يكون كلا الغازين خطرين للغاية إذا تم خلطهما معًا ، ولهذا السبب تحمل الخلايا الإلكتروليتية تصميمات معقدة لتقليل الزيادة في الضغوط الغازية وانتشارها من خلال الوسط المائي..

أيضا ، تتأرجح التقنيات اعتمادا على الخلية ، وأضاف بالكهرباء إلى الماء ، والأقطاب الكهربائية نفسها. من ناحية أخرى ، يشير البعض إلى أن التفاعل يتم في درجات حرارة أعلى ، مما يقلل من استهلاك الكهرباء ، والبعض الآخر يستخدم ضغوطًا هائلة للحفاظ على H₂ تخزينها.

من بين جميع التقنيات ، يمكن ذكر الثلاثة التالية:

التحليل الكهربائي مع المياه القلوية

يتم التحليل الكهربائي باستخدام المحاليل الأساسية للمعادن القلوية (KOH أو NaOH). مع هذه التقنية تحدث ردود الفعل:

4H₂يا (ل) + 4 هـ^- => 2H₂(ز) + 4OH^-(آق)

4OH^-(ac) => O₂(ز) + ساعتان₂يا (ل) + 4 هـ^-

كما يمكن أن يرى ، في الكاثود وفي الأنود ، الماء له درجة حموضة أساسية ؛ وبالإضافة إلى ذلك ، OH^- تهاجر إلى الأنود حيث تتأكسد إلى O₂.

التحليل الكهربائي مع غشاء البوليمر كهربائيا

في هذه التقنية ، يتم استخدام بوليمر صلب يعمل كغشاء قابل للاختراق لـ H⁺, لكن ماء للغازات. هذا يضمن سلامة أكبر أثناء التحليل الكهربائي.

ردود الفعل نصف الخلية لهذه الحالة هي:

4H⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(G)

2H₂O (l) => O₂(ز) + 4 ساعات⁺(ac) + 4e^-

الأيونات H⁺ يهاجرون من الأنود إلى الكاثود ، حيث يتم تقليلهم ليصبحوا H₂.

التحليل الكهربائي مع أكاسيد صلبة

يختلف اختلافًا كبيرًا عن التقنيات الأخرى ، فهو يستخدم الأكاسيد ككهارل ، والتي تعمل في درجات حرارة عالية (600-900 درجة مئوية) كوسيلة لنقل أنيون.^2-.

ردود الفعل هي:

2H₂يا (ز) + 4e^- => 2H₂(ز) + 2O^2-

2O^2- => يا₂(ز) + 4 هـ^-

لاحظ أن هذه المرة هي الأنيونات أكسيد ، أو^2-, أولئك الذين يسافرون إلى الأنود.

ما هو استخدام التحليل الكهربائي للماء?

التحليل الكهربائي للماء ينتج H₂ (ز) و O₂ (G). ينتج حوالي 5٪ من غاز الهيدروجين المنتج في العالم عن طريق التحليل الكهربائي للماء.

ح₂ إنه منتج ثانوي للتحليل الكهربائي لمحاليل كلوريد الصوديوم المائية. وجود الملح يسهل التحليل الكهربائي عن طريق زيادة التوصيل الكهربائي للماء.

رد الفعل العالمي الذي يحدث هو:

2NaCl + 2H₂O => Cl₂     +       H₂      +       2 هيدروكسيد الصوديوم

لفهم الأهمية الهائلة لهذا التفاعل ، سيتم ذكر بعض استخدامات المنتجات الغازية ؛ لأنه في نهاية اليوم ، هذه هي التي تدفع تطوير أساليب جديدة لتحقيق التحليل الكهربائي للماء بطريقة أكثر كفاءة وخضراء.

من بين كل هذه العناصر ، المطلوب هو العمل كخلايا تحل محل نشاط استخدام الوقود الأحفوري المحترق.

إنتاج الهيدروجين واستخداماته

-يمكن استخدام الهيدروجين المنتج في التحليل الكهربائي في الصناعة الكيميائية التي تعمل في تفاعلات الإدمان أو في عمليات الهدرجة أو كعامل اختزال في عمليات الاختزال.

-أيضًا ، من الضروري في بعض الإجراءات ذات الأهمية التجارية ، مثل: إنتاج حمض الهيدروكلوريك ، بيروكسيد الهيدروجين ، هيدروكسيل الأمين ، إلخ. تشارك في تخليق الأمونيا عن طريق التفاعل الحفاز مع النيتروجين.

-في تركيبة مع الأكسجين ، ينتج النيران ذات المحتوى العالي من السعرات الحرارية ، حيث تتراوح درجات الحرارة بين 3000 و 3500 كلفن..

-معالجة المياه: يمكن تقليل المحتوى العالي للغاية من النترات في الماء عن طريق القضاء عليها في المفاعلات الحيوية ، حيث تستخدم البكتيريا الهيدروجين كمصدر للطاقة

-يتدخل الهيدروجين في تصنيع البلاستيك والبوليستر والنايلون. بالإضافة إلى ذلك ، إنه جزء من إنتاج الزجاج ، مما يزيد الاحتراق أثناء الخبز.

-يتفاعل مع أكاسيد وكلوريد العديد من المعادن ، من بينها: الفضة والنحاس والرصاص والبزموت والزئبق لإنتاج المعادن النقية.

-وبالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدامه كوقود في التحليل الكروماتوجرافي مع كاشف اللهب.

كوسيلة لتصحيح الأخطاء

يستخدم التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم لتنقية مياه حمام السباحة. أثناء التحليل الكهربائي ، يتم إنتاج الهيدروجين في الكاثود والكلور (Cl₂) في الأنود. هناك حديث عن التحليل الكهربائي في هذه الحالة باعتباره ملح الكلورة.

يذوب الكلور في الماء مكونًا حمض هيبوكلوريس وهيبوكلوريت الصوديوم. حامض الهيبوكلوروس وهيبوكلوريت الصوديوم يعقمان الماء.

كما امدادات الاوكسجين

يستخدم التحليل الكهربائي للماء أيضًا لتوليد الأكسجين في محطة الفضاء الدولية ، والتي تعمل على الحفاظ على جو الأكسجين في المحطة.

يمكن استخدام الهيدروجين في خلية وقود ، وطريقة لتخزين الطاقة ، واستخدام المياه التي يتم توليدها في الخلية للاستهلاك من قبل رواد الفضاء.

تجربة المنزل

تم إجراء تجارب التحليل الكهربائي للماء على نطاقات المختبرات باستخدام مقاييس الجهد الكهربي Hoffman ، أو أي مجموعة أخرى تسمح باحتواء جميع العناصر الضرورية لخلية كهروكيميائية.

من بين كل التجميعات والمعدات الممكنة ، يمكن أن يكون أبسط حاوية مياه شفافة كبيرة ، والتي ستكون بمثابة خلية. إضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون لديك أيضًا أي سطح معدني أو كهربائي موصل لتعمل كأقطاب كهربائية ؛ واحد للالكاثود ، والآخر للالأنود.

لهذا الغرض ، قد يكون من المفيد استخدام أقلام الرصاص المزودة بنقاط الجرافيت عند كلا الطرفين. وأخيرًا ، بطارية صغيرة وبعض الكابلات التي تربطها بالأقطاب الكهربائية المرتجلة.

إذا لم يتم ذلك في حاوية شفافة ، فلا يمكن تقدير تكوين فقاعات الغاز.

المتغيرات الرئيسية

على الرغم من أن التحليل الكهربائي للماء هو موضوع يحتوي على العديد من الجوانب المثيرة للاهتمام والأمل بالنسبة لأولئك الذين يبحثون عن مصادر بديلة للطاقة ، فإن التجربة المنزلية يمكن أن تكون مملة للأطفال وغيرهم من المتفرجين..

لذلك ، يمكن تطبيق جهد كافي لتكوين H₂ و يا₂ بالتناوب بعض المتغيرات ولاحظ التغييرات.

الأول هو اختلاف درجة الحموضة في الماء ، باستخدام الخل لتحمض الماء ، أو نا₂CO₃ لتبسيطها قليلا. يجب أن يحدث تغيير في مقدار الفقاعات التي تمت ملاحظتها.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تكرار التجربة نفسها بالماء البارد والساخن. وبهذه الطريقة يكون تأثير درجة الحرارة على رد الفعل هو التفكير.

أخيرًا ، لجعل جمع البيانات أقل عديم اللون ، يمكنك اللجوء إلى حل مخفف للغاية من عصير الملفوف الأرجواني. هذا العصير هو مؤشر حمض الأساس من أصل طبيعي.

عند إضافته إلى الحاوية مع الأقطاب الكهربائية المدخلة ، سيتم ملاحظة أن الماء في الأنود سيتحول إلى اللون الوردي (حمض) ، بينما في الكاثود ، سيكون اللون الأصفر (أساسي).

مراجع

1. ويكيبيديا. (2018). التحليل الكهربائي للماء. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
2. شابلن م. (16 نوفمبر 2018). التحليل الكهربائي للماء. هيكل المياه والعلوم. تم الاسترجاع من: 1.lsbu.ac.uk
3. كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة. (بدون تاريخ). إنتاج الهيدروجين: التحليل الكهربائي. تم الاسترجاع من: energy.gov
4. Phys.org. (14 فبراير 2018). محفز ذو كفاءة عالية ومنخفض التكلفة لتحليل الماء الكهربائي. تم الاسترجاع من: phys.org
5. كيمياء LibreTexts. (18 يونيو 2015). التحليل الكهربائي للماء. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
6. Xiang C.، M. Papadantonakisab K.، and S. Lewis N. (2016). مبادئ وتنفيذ نظم التحليل الكهربائي لتقسيم المياه. الجمعية الملكية للكيمياء.
7. حكام جامعة مينيسوتا. (2018). التحليل الكهربائي للمياه 2. جامعة مينيسوتا. تم الاسترجاع من: chem.umn.edu