ขั้นตอนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า, เทคนิค, สิ่งที่เหมาะกับการทดลองในบ้าน

น้ำอิเล็กโทรไล เป็นการสลายตัวของน้ำเป็นส่วนประกอบพื้นฐานโดยการใช้กระแสไฟฟ้า เมื่อดำเนินการไฮโดรเจนและโมเลกุลออกซิเจนจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวที่เฉื่อยสอง H₂ และ O₂. พื้นผิวทั้งสองนี้เป็นที่รู้จักกันดีในชื่อของขั้วไฟฟ้า.

ตามทฤษฎีแล้วปริมาตรของ H₂ ที่เกิดขึ้นจะต้องเป็นสองเท่าของ O₂. ทำไม? เนื่องจากโมเลกุลของน้ำมีอัตราส่วน H / O เท่ากับ 2 นั่นคือสอง H ต่อออกซิเจน ความสัมพันธ์นี้ถูกตรวจสอบโดยตรงด้วยสูตรทางเคมีของมัน H₂O. อย่างไรก็ตามปัจจัยการทดลองจำนวนมากมีอิทธิพลต่อปริมาณที่ได้รับ.

หากอิเล็กโทรไลซิสถูกดำเนินการภายในหลอดที่จมอยู่ในน้ำ (ภาพบนสุด) คอลัมน์ของน้ำที่มีความสูงต่ำกว่าจะตรงกับไฮโดรเจนเนื่องจากมีก๊าซจำนวนมากที่ปล่อยก๊าซออกมากดดันบนพื้นผิวของของเหลว ฟองอากาศรอบขั้วไฟฟ้าและจบลงด้วยการเพิ่มขึ้นหลังจากแรงดันไอน้ำของน้ำหมดอายุ.

โปรดทราบว่าหลอดจะถูกแยกออกจากกันในลักษณะที่มีการโยกย้ายของก๊าซในระดับต่ำจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีก ในระดับต่ำสิ่งนี้ไม่ได้แสดงถึงความเสี่ยงที่กำลังจะเกิดขึ้น แต่ในระดับอุตสาหกรรมส่วนผสมของก๊าซ H₂ และ O₂ มันมีอันตรายและระเบิดได้สูง.

ด้วยเหตุนี้เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ทำอิเล็กโทรไลต์น้ำจะมีราคาแพงมาก พวกเขาต้องการการออกแบบและองค์ประกอบที่รับประกันได้ว่าก๊าซไม่เคยผสมการจ่ายกระแสไฟฟ้าที่มีกำไรความเข้มข้นสูงของอิเล็กโทรไลต์อิเล็กโทรดพิเศษ (electrocatalysts) และกลไกในการจัดเก็บ H₂ ผลิต.

Electrocatalyst เป็นตัวแทนของแรงเสียดทานและในเวลาเดียวกันปีกสำหรับการทำกำไรของอิเล็กโทรไลน้ำ บางส่วนประกอบด้วยออกไซด์ของโลหะมีตระกูลเช่นแพลตตินัมและอิริเดียมซึ่งมีราคาสูงมาก มันอยู่ที่จุดนี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่นักวิจัยเข้าร่วมกองกำลังสำหรับการออกแบบขั้วไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพเสถียรและราคาถูก.

เหตุผลสำหรับความพยายามเหล่านี้คือเพื่อเร่งการก่อตัวของ O₂, ซึ่งให้ที่ความเร็วต่ำเมื่อเทียบกับ H₂. สิ่งนี้จะชะลอตัวลงโดยอิเล็กโทรดที่เกิดขึ้น O₂ มันนำมาซึ่งผลที่ตามมาโดยทั่วไปคือการประยุกต์ใช้ศักยภาพที่มากเกินความจำเป็น เหมือนกันคืออะไรเพื่อลดประสิทธิภาพและค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้น.

ดัชนี

• 1 ปฏิกิริยาของกระแสไฟฟ้า
  • 1.1 ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์
• 2 ขั้นตอน
• 3 เทคนิค
  • 3.1 กระแสไฟฟ้าด้วยน้ำอัลคาไลน์
  • 3.2 กระแสไฟฟ้าด้วยเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์
  • 3.3 อิเล็กโทรไลซิสกับออกไซด์ที่เป็นของแข็ง
• 4 การใช้กระแสไฟฟ้าในน้ำคืออะไร??
  • 4.1 การผลิตไฮโดรเจนและการใช้ประโยชน์
  • 4.2 เป็นวิธีการแก้จุดบกพร่อง
  • 4.3 ในฐานะที่เป็นออกซิเจน
• 5 การทดลองในบ้าน
  • 5.1 ตัวแปรบ้าน
• 6 อ้างอิง

ปฏิกิริยาอิเล็กโทรไล

กระแสไฟฟ้าของน้ำเกี่ยวข้องกับลักษณะที่ซับซ้อนมากมาย อย่างไรก็ตามในแง่ทั่วไปพื้นฐานของมันอยู่ในปฏิกิริยาระดับโลกที่เรียบง่าย:

2H₂O (l) => 2H₂(g) + O₂(G)

ตามที่สังเกตในสมการโมเลกุลของน้ำสองโมเลกุลจะเข้ามา: โดยปกติจะต้องลดลงหรือได้รับอิเล็กตรอนในขณะที่อีกอันจะต้องออกซิไดซ์หรือสูญเสียอิเล็กตรอน.

The H₂ มันเป็นผลมาจากการลดน้ำเพราะการได้รับอิเล็กตรอนจะส่งเสริมโปรตอน H⁺ สามารถถูกพันธะโควาเลนต์และออกซิเจนเปลี่ยนเป็น OH^-. ดังนั้นทาง₂ เกิดขึ้นที่ขั้วลบซึ่งเป็นขั้วไฟฟ้าที่เกิดการลดลง.

ในขณะที่ O₂ มาจากการออกซิเดชันของน้ำเพราะสูญเสียอิเล็กตรอนที่ทำให้มันจับกับไฮโดรเจนและจึงปล่อยโปรตอน H⁺. ต₂ เกิดขึ้นที่ขั้วบวกอิเล็กโทรดที่เกิดออกซิเดชัน; และแตกต่างจากอิเล็กโทรดอื่น ๆ ค่า pH รอบ ๆ ขั้วบวกนั้นเป็นกรดและไม่เป็นพื้นฐาน.

ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์

สามารถสรุปได้ด้วยสมการทางเคมีต่อไปนี้สำหรับปฏิกิริยาครึ่งเซลล์:

2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^- (แคโทดพื้นฐาน)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^- (ขั้วบวก, กรด)

อย่างไรก็ตามน้ำไม่สามารถสูญเสียอิเล็กตรอนได้มากขึ้น (4e^-) ซึ่งโมเลกุลของน้ำอื่น ๆ ชนะที่แคโทด (2e^-); ดังนั้นสมการแรกจะต้องคูณด้วย 2 แล้วจึงลบด้วยสมการที่สองเพื่อให้ได้สมการสุทธิ:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^-)

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^-

6H₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^-

แต่ 4H⁺ และ 4OH^- พวกเขาเป็น 4H₂หรือดังนั้นกำจัดสี่ H หกโมเลกุล₂หรือปล่อยให้สอง และผลลัพธ์ก็คือปฏิกิริยาระดับโลกที่เพิ่งเกิดขึ้น.

ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์จะเปลี่ยนไปตามค่า pH เทคนิคและยังมีศักยภาพในการลดหรือเกิดออกซิเดชันซึ่งกำหนดจำนวนกระแสไฟฟ้าที่จะต้องจัดหาเพื่อให้อิเล็กโทรไลซิสของน้ำเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ.

กระบวนการ

ภาพด้านบนแสดงโวลต์มิเตอร์ Hoffman ไส้กุญแจจะเต็มไปด้วยน้ำและอิเล็กโทรไลต์ที่เลือกผ่านหัวฉีดตรงกลาง บทบาทของอิเล็กโทรไลต์เหล่านี้คือการเพิ่มการนำไฟฟ้าของน้ำเนื่องจากภายใต้สภาวะปกติมีไอออน H น้อยมาก₃O⁺ และโอ้^- ผลิตภัณฑ์ไอออนไนซ์อัตโนมัติของคุณ.

อิเล็กโทรดทั้งสองมักเป็นแพลทตินัมแม้ว่าในภาพจะถูกแทนที่ด้วยอิเล็กโทรดคาร์บอน ทั้งสองเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ซึ่งมีความต่างศักย์ (ΔV) ที่ส่งเสริมการเกิดออกซิเดชันของน้ำ (การก่อ O)₂).

อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งวงจรจนกว่าคุณจะไปถึงอิเล็กโทรดอื่นที่ซึ่งน้ำชนะและกลายเป็น H₂ และโอ้^-. ณ จุดนี้ขั้วบวกและขั้วลบจะถูกกำหนดไว้แล้วซึ่งสามารถแยกความแตกต่างโดยความสูงของคอลัมน์น้ำ; หนึ่งในความสูงที่เล็กลงสอดคล้องกับแคโทดที่ H ถูกสร้างขึ้น₂.

ในส่วนบนของกระบอกสูบมีปุ่มบางอย่างที่อนุญาตให้ปล่อยก๊าซที่สร้างขึ้น คุณสามารถตรวจสอบอย่างรอบคอบสถานะของ H₂ ทำให้ปฏิกิริยากับเปลวไฟซึ่งการเผาไหม้ผลิตน้ำก๊าซ.

เทคนิค

เทคนิคการแยกด้วยน้ำจะแตกต่างกันไปตามปริมาณของ H₂ และ O₂ ที่เสนอให้สร้าง ก๊าซทั้งสองนั้นมีอันตรายมากถ้ามันถูกผสมเข้าด้วยกันและนั่นคือสาเหตุที่เซลล์อิเล็กโทรไลต์มีการออกแบบที่ซับซ้อนเพื่อลดแรงกดดันของก๊าซและการแพร่กระจายของมันผ่านตัวกลางที่เป็นน้ำ.

นอกจากนี้เทคนิคการสั่นขึ้นอยู่กับเซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่เติมลงไปในน้ำและขั้วไฟฟ้าของตัวเอง ในทางตรงกันข้ามบางคนบอกว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้นลดการใช้ไฟฟ้าและอื่น ๆ ใช้แรงกดดันมหาศาลในการรักษา H₂ เก็บไว้.

ในบรรดาเทคนิคต่าง ๆ สามารถกล่าวถึงสามสิ่งต่อไปนี้:

กระแสไฟฟ้าด้วยน้ำอัลคาไลน์

กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสจะดำเนินการด้วยการแก้ปัญหาพื้นฐานของโลหะอัลคาไล ด้วยเทคนิคนี้ปฏิกิริยาเกิดขึ้น:

4H₂O (l) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(Aq)

4OH^-(ac) => O₂(g) + 2H₂O (l) + 4e^-

ดังที่เห็นได้ทั้งที่แคโทดและแอโนดน้ำมีค่า pH พื้นฐาน และนอกจากนี้ OH^- โยกย้ายไปยังขั้วบวกที่พวกเขาออกซิไดซ์ไปที่ O₂.

กระแสไฟฟ้าด้วยเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์

ในเทคนิคนี้ใช้โพลีเมอร์แข็งที่ทำหน้าที่เป็นเมมเบรนซึมผ่านได้สำหรับ H⁺, แต่กันน้ำสำหรับก๊าซ สิ่งนี้รับประกันความปลอดภัยที่มากขึ้นในช่วงกระแสไฟฟ้า.

ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์สำหรับกรณีนี้คือ:

4H⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(G)

2H₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

ไอออน H⁺ พวกเขาย้ายจากขั้วบวกไปยังแคโทดที่พวกเขาจะกลายเป็นเอช₂.

อิเล็กโทรไลซิสกับออกไซด์ที่เป็นของแข็ง

แตกต่างจากเทคนิคอื่น ๆ โดยใช้ออกไซด์เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่อุณหภูมิสูง (600-900ºC) ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในการขนส่งไอออน^2-.

ปฏิกิริยาคือ:

2H₂O (g) + 4e^- => 2H₂(g) + 2O^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

โปรดทราบว่าเวลานี้คือออกไซด์แอนไอออน^2-, ผู้ที่เดินทางไปยังขั้วบวก.

การใช้น้ำไฟฟ้าคืออะไร?

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าทำให้เกิดเอช₂ (g) และ O₂ (G) ประมาณ 5% ของก๊าซไฮโดรเจนที่ผลิตในโลกนั้นผลิตขึ้นด้วยกระแสไฟฟ้าของน้ำ.

The H₂ มันเป็นผลพลอยได้จากกระแสไฟฟ้าของสารละลาย NaCl ที่เป็นน้ำ การมีอยู่ของเกลือช่วยให้อิเล็กโตรไลซิสโดยการเพิ่มการนำไฟฟ้าของน้ำ.

ปฏิกิริยาระดับโลกที่เกิดขึ้นคือ:

2NaCl + 2H₂O => Cl₂     +       H₂      +       2 NaOH

เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญอย่างยิ่งของปฏิกิริยานี้จะมีการกล่าวถึงการใช้งานผลิตภัณฑ์ก๊าซบางอย่าง; เพราะในตอนท้ายของวันเหล่านี้เป็นคนที่ผลักดันการพัฒนาวิธีการใหม่เพื่อให้ได้น้ำอิเล็กโทรไลในวิธีที่มีประสิทธิภาพและเป็นสีเขียว.

ในบรรดาทั้งหมดนั้นสิ่งที่ต้องการมากที่สุดคือทำหน้าที่เป็นเซลล์ที่มีพลังแทนที่การใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลที่เผาไหม้.

การผลิตไฮโดรเจนและการใช้ประโยชน์

-ไฮโดรเจนที่ผลิตในอิเล็กโทรไลซิสสามารถใช้ในอุตสาหกรรมเคมีที่ทำหน้าที่ในปฏิกิริยาการติดในกระบวนการไฮโดรจิเนชันหรือเป็นตัวรีดิวซ์ในกระบวนการลด.

-นอกจากนี้มันเป็นสิ่งสำคัญในการกระทำบางอย่างที่มีความสำคัญในเชิงพาณิชย์เช่น: การผลิตกรดไฮโดรคลอริก, ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์, ไฮดรอกซิลามีน ฯลฯ เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แอมโมเนียโดยปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยากับไนโตรเจน.

-เมื่อรวมกับออกซิเจนจะทำให้เกิดเปลวไฟที่มีปริมาณแคลอรี่สูงโดยมีอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 3,000 ถึง 3,500 K อุณหภูมิเหล่านี้สามารถใช้สำหรับการตัดและเชื่อมในอุตสาหกรรมโลหะเพื่อการเจริญเติบโตของผลึกสังเคราะห์การผลิตควอตซ์เป็นต้น.

-การบำบัดน้ำ: ปริมาณไนเตรตที่สูงเกินไปในน้ำสามารถลดลงได้โดยการกำจัดในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพซึ่งแบคทีเรียใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงาน

-ไฮโดรเจนเข้าแทรกแซงในการสังเคราะห์พลาสติกโพลีเอสเตอร์และไนลอน นอกจากนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของการผลิตแก้วเพิ่มการเผาไหม้ในระหว่างการอบ.

-ทำปฏิกิริยากับออกไซด์และคลอไรด์ของโลหะจำนวนมากในหมู่พวกเขา: เงิน, ทองแดง, ตะกั่ว, บิสมัทและปรอทเพื่อผลิตโลหะบริสุทธิ์.

-นอกจากนี้ยังใช้เป็นเชื้อเพลิงในการวิเคราะห์ด้วยเครื่องตรวจจับเปลวไฟ.

เป็นวิธีการแก้จุดบกพร่อง

อิเล็กโทรไลซิสของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ใช้สำหรับการทำให้บริสุทธิ์ของน้ำในสระว่ายน้ำ ในช่วงกระแสไฟฟ้าไฮโดรเจนจะถูกผลิตขึ้นในแคโทดและคลอรีน (Cl₂) ที่ขั้วบวก มีการพูดถึงอิเล็กโทรไลซิสในกรณีนี้ในฐานะที่เป็นเกลือคลอรีน.

คลอรีนละลายในน้ำก่อให้เกิดกรดไฮโปคลอรัสและโซเดียมไฮโปคลอไรต์ กรดไฮโปคลอรัสและโซเดียมไฮโปคลอไรต์ฆ่าเชื้อในน้ำ.

เป็นแหล่งออกซิเจน

กระแสไฟฟ้าของน้ำยังใช้ในการสร้างออกซิเจนในสถานีอวกาศนานาชาติซึ่งทำหน้าที่รักษาบรรยากาศของออกซิเจนในสถานี.

ไฮโดรเจนสามารถนำมาใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงวิธีการเก็บพลังงานและใช้น้ำที่สร้างขึ้นในเซลล์เพื่อการบริโภคโดยนักบินอวกาศ.

การทดลองหน้าแรก

การทดลองด้วยกระแสไฟฟ้าของน้ำได้ดำเนินการที่เครื่องชั่งในห้องปฏิบัติการด้วยโวลต์มิเตอร์ Hoffman หรือชุดประกอบอื่น ๆ ที่ช่วยให้มีองค์ประกอบที่จำเป็นทั้งหมดของเซลล์ไฟฟ้าเคมี.

ในการประกอบและอุปกรณ์ที่เป็นไปได้ทั้งหมดสิ่งที่ง่ายที่สุดคือภาชนะบรรจุน้ำโปร่งใสขนาดใหญ่ นอกจากนี้คุณควรมีโลหะหรือพื้นผิวที่เป็นตัวนำไฟฟ้าเพื่อใช้เป็นขั้วไฟฟ้า หนึ่งสำหรับแคโทดและอื่น ๆ สำหรับขั้วบวก.

เพื่อจุดประสงค์นี้แม้กระทั่งดินสอที่มีจุดกราไฟท์ที่ปลายทั้งสองข้างอาจมีประโยชน์ และในที่สุดแบตเตอรี่ขนาดเล็กและสายเคเบิลบางอย่างที่เชื่อมต่อกับขั้วไฟฟ้าชั่วคราว.

หากไม่ได้ทำในภาชนะใสการก่อตัวของฟองก๊าซจะไม่ได้รับการชื่นชม.

ตัวแปรบ้าน

แม้ว่ากระแสไฟฟ้าของน้ำเป็นเรื่องที่มีแง่มุมที่น่าสนใจและมีความหวังมากมายสำหรับผู้ที่แสวงหาแหล่งพลังงานทางเลือก แต่การทดลองใช้ในบ้านอาจทำให้เด็ก ๆ และผู้ชมอื่น ๆ เบื่อหน่าย.

ดังนั้นสามารถใช้แรงดันไฟฟ้าที่เพียงพอในการสร้าง H₂ และ O₂ สลับตัวแปรบางอย่างและสังเกตการเปลี่ยนแปลง.

สิ่งแรกคือการเปลี่ยนแปลงของ pH ของน้ำโดยใช้น้ำส้มสายชูเพื่อทำให้เป็นกรดน้ำหรือนา₂CO₃ เพื่ออ้างอิงมันเล็กน้อย การเปลี่ยนแปลงปริมาณฟองอากาศที่สังเกตต้องเกิดขึ้น.

นอกจากนี้การทดสอบเดียวกันสามารถทำซ้ำได้ด้วยน้ำเย็นและน้ำร้อน ด้วยวิธีนี้ผลกระทบของอุณหภูมิที่มีต่อปฏิกิริยาจะถูกไตร่ตรองไว้.

สุดท้ายเพื่อให้การเก็บข้อมูลไม่มีสีน้อยลงคุณสามารถหันไปใช้สารละลายน้ำกะหล่ำปลีสีม่วงเจือจางมาก น้ำผลไม้นี้เป็นตัวบ่งชี้กรดเบสของแหล่งกำเนิดตามธรรมชาติ.

การเพิ่มลงในคอนเทนเนอร์ด้วยอิเล็กโทรดที่แนะนำนั้นจะสังเกตได้ว่าที่ขั้วบวกน้ำจะเปลี่ยนเป็นสีชมพู (กรด) ในขณะที่แคโทดสีจะเป็นสีเหลือง (พื้นฐาน).

การอ้างอิง

1. วิกิพีเดีย (2018) กระแสไฟฟ้าของน้ำ สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
2. แชปลินเอ็ม (16 พฤศจิกายน 2018) กระแสไฟฟ้าของน้ำ โครงสร้างของน้ำและวิทยาศาสตร์ ดึงจาก: 1.lsbu.ac.uk
3. ประสิทธิภาพการใช้พลังงานและพลังงานทดแทน ( N.d. ) การผลิตไฮโดรเจน: กระแสไฟฟ้า ดึงมาจาก: energy.gov
4. Phys.org (14 กุมภาพันธ์ 2018) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงและต้นทุนต่ำสำหรับการแยกน้ำ สืบค้นจาก: phys.org
5. เคมีเคมี (18 มิถุนายน 2558) กระแสไฟฟ้าของน้ำ ดึงมาจาก: chem.libretexts.org
6. Xiang C. , M. Papadantonakisab K. และ S. Lewis N. (2016) หลักการและการใช้งานระบบอิเล็กโทรไลซิสสำหรับการแยกน้ำ ราชสมาคมเคมี.
7. ผู้สำเร็จราชการแห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตา (2018) กระแสไฟฟ้าของน้ำ 2 มหาวิทยาลัยมินนิโซตา ดึงมาจาก: chem.umn.edu