SUYUN ELEKTROLIZI: PROSEDÜR, TEKNIKLER, NE IÇIN OLDUĞU - KIMYA - 2025

Suyun elektrolizi, bir elektrik akımı uygulayarak suyun temel bileşenlerine ayrıştırılmasıdır. İlerledikçe, iki inert yüzeyde hidrojen ve moleküler oksijen, H ₂ ve O ₂ oluşur . Bu iki yüzey elektrot adıyla daha iyi bilinir.

Teorik olarak, H, hacmi ₂ oluşturulmuş O iki hacim olması gerekmektedir ₂ . Neden? Çünkü su molekülü 2'ye eşit bir H / O oranına, yani her oksijen için iki H'ye sahiptir. Bu ilişki doğrudan kimyasal formülü H ₂ O ile doğrulanır . Bununla birlikte, birçok deneysel faktör elde edilen hacimleri etkiler.

Kaynak: Flickr aracılığıyla Antti T. Nissinen

Elektroliz, suya batırılmış tüplerin içinde gerçekleştirilirse (üstteki resim), sıvının yüzeyine daha fazla miktarda gaz uygulayan basınç olduğundan, alt su sütunu hidrojene karşılık gelir. Kabarcıklar elektrotları çevreler ve suyun buhar basıncını aştıktan sonra yükselir.

Tüplerin, bir elektrottan diğerine düşük bir gaz geçişi olacak şekilde birbirinden ayrıldığına dikkat edin. Düşük ölçeklerde bu, yakın bir riski temsil etmez; ancak endüstriyel ölçeklerde, H ₂ ve O _2'nin gazlı karışımı oldukça tehlikeli ve patlayıcıdır.

Bu nedenle suyun elektrolizinin yapıldığı elektrokimyasal hücreler çok pahalıdır; Bir tasarım ve gazlar karıştırmak hiç garanti bu, karlı akım besleme, elektrolitler, özel elektrotlar (elektrokatalizörler) yüksek konsantrasyonlarda, ve mekanizma H depolamak için elemanları mi ₂ üretilir.

Elektrokatalizörler sürtünmeyi temsil eder ve aynı zamanda su elektrolizinin karlılığı için kanatları temsil eder. Bazıları, fiyatları çok yüksek olan platin ve iridyum gibi asil metal oksitlerden oluşur. Bu noktada, özellikle araştırmacıların verimli, kararlı ve ucuz elektrotlar tasarlamak için güçlerini birleştirdiği noktadır.

Bu çabaların nedeni O oluşumunu hızlandırmak için ise ₂ H kıyasla daha düşük oranlarda gerçekleşir, ₂ . Bu yağ elektrot tarafından yavaşlatan ₂ oluşturulur çok daha yüksek olduğu görülmektedir (üst potansiyeli) daha genel bir sonucu olarak potansiyel uygulama getiriyor; bu, daha düşük performans ve daha yüksek giderlere eşittir.

Elektroliz reaksiyonu

Suyun elektrolizi birçok karmaşık yönü içerir. Bununla birlikte, genel anlamda, temeli basit bir küresel tepkiye dayanmaktadır:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Denklemde görüldüğü gibi, iki su molekülü söz konusudur: biri genellikle indirgenmeli veya elektron kazanmalı, diğeri ise elektronları oksitlemeli veya kaybetmelidir.

H ₂ elektron kazanç H olduğu teşvik için, suyun bir indirgeme ürünü olan ⁺ proton oksijen OH haline dönüştürülmüştür kovalent olarak bağlanabilen ve ^- . Bu nedenle, H ₂ azalma meydana gelir elektrottur katot, üretilir.

O ₂ suyun oksidasyonundan gelirken, hidrojene bağlanmasına izin veren elektronları kaybetmesi ve sonuç olarak H ⁺ protonlarını serbest bırakması nedeniyle . Oksidasyonun meydana geldiği anotta, elektrotta O ₂ üretilir; Ve diğer elektrotun aksine, anot etrafındaki pH asidiktir ve bazik değildir.

Yarım hücre reaksiyonları

Bu, yarı hücre reaksiyonları için aşağıdaki kimyasal denklemlerle özetlenebilir:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Katot, bazik)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (Anot, asit)

Bununla birlikte, su , katotta (2e ^- ) diğer su molekülü kazandıklarından daha fazla elektron (4e ^- ) kaybedemez ; bu nedenle, net denklemi elde etmek için ilk denklem 2 ile çarpılmalı ve ardından ikinci denklem ile çıkarılmalıdır:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Ancak 4H ⁺ ve 4OH ^- 4H ₂ O oluştururlar, böylece altı H ₂ O molekülünden dördünü ortadan kaldırarak ikisini bırakırlar; ve sonuç, az önce özetlenen küresel tepkidir.

Yarım hücre reaksiyonları pH değerleri, teknikleri ile değişir ve ayrıca, suyun elektrolizinin kendiliğinden ilerlemesi için ne kadar akım sağlanması gerektiğini belirleyen ilişkili indirgeme veya oksidasyon potansiyellerine sahiptir.

süreç

Kaynak: Ivan Akira, Wikimedia Commons'tan

Yukarıdaki resimde bir Hoffman voltmetresi gösterilmektedir. Silindirler orta nozuldan su ve seçilen elektrolitlerle doldurulur. Bu elektrolitlerin rolü, suyun iletkenliğini arttırmaktır, çünkü normal koşullar altında çok az H ₃ O ⁺ ve OH iyonları vardır ^- bunların kendi iyonlaşmalarının ürünleri.

Görüntüde karbon elektrotlarla değiştirilmiş olsalar da, iki elektrot genellikle platinden yapılmıştır. Her ikisi de, suyun oksidasyonunu (O ₂ oluşumu ) destekleyen bir potansiyel farkın (ΔV) uygulandığı bir aküye bağlıdır .

Elektronlar, suyun onları kazandığı ve H ₂ ve OH ^- haline geldiği diğer elektroda ulaşana kadar tüm devre boyunca hareket eder . Bu noktada, anot ve katot halihazırda tanımlanmıştır ve bu, su kolonlarının yüksekliğiyle ayırt edilebilir; H katot, en düşük yüksekliği tekabül bir kez ₂ oluşturulur .

Silindirlerin üst kısmında oluşan gazların salınmasını sağlayan tuşlar bulunmaktadır. Bir H atomunun varlığı ₂ dikkatli bir şekilde kontrol edilebilir , gaz halindeki su üretir yanma olan bir alev ile reaksiyona sokularak.

Teknikler

Su elektroliz teknikleri, üretilecek H ₂ ve O ₂ miktarına bağlı olarak değişir . Her iki gaz birlikte karıştırılırsa çok tehlikelidir, bu nedenle elektrolitik hücreler, gazlı basınçlardaki artışı ve bunların sulu ortamda difüzyonunu en aza indirmek için karmaşık tasarımlar içerir.

Ayrıca, teknikler hücreye, suya eklenen elektrolite ve elektrotların kendisine bağlı olarak değişir. Öte yandan, bazıları reaksiyonun daha yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirildiğini, elektrik tüketimini azalttığını ima eder ve diğerleri H _2'yi depolamak için muazzam basınçlar kullanır .

Tüm teknikler arasında aşağıdaki üçünden bahsedilebilir:

Alkali su ile elektroliz

Alkali metallerin (KOH veya NaOH) bazik çözeltileri ile elektroliz yapılır. Bu teknikle reaksiyonlar meydana gelir:

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

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

Görülebileceği gibi, hem katotta hem de anotta su bazik bir pH'a sahiptir; ve ek olarak, OH ^- O _2'ye oksitlendikleri anoda doğru göç eder .

Polimer elektrolitik membran ile elektroliz

Bu teknikte, H ⁺ için geçirgen , ancak gazlar için geçirimsiz bir zar görevi gören katı bir polimer kullanılır . Bu, elektroliz sırasında daha fazla güvenlik sağlar.

Bu durum için yarım hücre reaksiyonları:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

H ⁺ iyonları da H olmak üzere düşük katot, anottan göç ₂ .

Katı oksitlerle elektroliz

Diğer tekniklerden çok farklı, elektrolit olarak bir kullanım oksitler, O taşıma vasıtası olarak yüksek sıcaklıklarda (600-900ºC) işlevi ^2- anyonu .

Tepkiler:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Bu sefer anoda giden oksit anyonları O ^2- olduğuna dikkat edin.

Suyun elektrolizi ne için?

Su elektroliz H üreten ₂ (g) ve O ₂ (g) eklenmiştir. Dünyada üretilen hidrojen gazının yaklaşık% 5'i suyun elektrolizi ile yapılmaktadır.

H ₂ sulu NaCI çözeltilerin elektrolizinde bir yan üründür. Tuzun varlığı, suyun elektriksel iletkenliğini artırarak elektrolizi kolaylaştırır.

Gerçekleşen genel reaksiyon şudur:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Bu reaksiyonun muazzam önemini anlamak için, gazlı ürünlerin bazı kullanımlarından bahsedilecektir; Çünkü günün sonunda suyun elektrolizini daha verimli ve çevreci bir şekilde elde etmek için yeni yöntemlerin geliştirilmesine yön verenler bunlar.

Hepsinden en çok istenen, fosil yakıtları yakmanın enerjisel olarak yerini alan hücreler olarak işlev görmektir.

Hidrojen üretimi ve kullanımları

-Elektrolizde üretilen hidrojen, kimya endüstrisinde bağımlılık reaksiyonlarında, hidrojenasyon proseslerinde veya indirgeme proseslerinde indirgeyici ajan olarak kullanılabilir.

- Hidroklorik asit üretimi, hidrojen peroksit, hidroksilaminler, vb. Gibi ticari önemi olan bazı eylemlerde de gereklidir. Nitrojen ile katalitik bir reaksiyon yoluyla amonyak sentezinde rol oynar.

-Oksijen ile kombinasyon halinde, 3.000 ila 3.500 K arasında değişen sıcaklıklarda yüksek kalori içerikli alevler üretir. Bu sıcaklıklar, metal endüstrisinde kesme ve kaynak, sentetik kristallerin büyümesi, kuvars üretimi vb. İçin kullanılabilir. .

-Su arıtma: sudaki aşırı yüksek nitrat içeriği, bakterilerin enerji kaynağı olarak hidrojeni kullandığı biyoreaktörlerde ortadan kaldırılmasıyla azaltılabilir.

-Hidrojen plastik, polyester ve naylon sentezinde rol oynar. Ayrıca pişirme sırasında yanmayı artıran cam üretiminin bir parçasıdır.

-Aralarında gümüş, bakır, kurşun, bizmut ve cıva olmak üzere birçok metalin oksitleri ve klorürü ile reaksiyona girerek saf metaller üretir.

-Ayrıca alev dedektörü ile kromatografik analizlerde yakıt olarak kullanılır.

Hata ayıklama yöntemi olarak

Sodyum klorür çözeltilerinin elektrolizi yüzme havuzu suyunun arıtılmasında kullanılır. Elektroliz sırasında, katotta hidrojen ve anotta klor (Cl ₂ ) üretilir . Elektroliz, bu durumda tuz klorlayıcı olarak anılır.

Klor suda çözünerek hipokloröz asit ve sodyum hipoklorit oluşturur. Hipokloröz asit ve sodyum hipoklorit suyu sterilize eder.

Oksijen kaynağı olarak

Suyun elektrolizi, istasyonda bir oksijen atmosferini sürdürmeye hizmet eden Uluslararası Uzay İstasyonunda oksijen üretmek için de kullanılıyor.

Hidrojen, bir enerji depolama yöntemi olan bir yakıt hücresinde kullanılabilir ve hücrede üretilen suyu astronotlar tarafından tüketilmek üzere kullanılabilir.

Ev deneyi

Su elektroliz deneyleri, laboratuar ölçeklerinde Hoffman voltmetreler veya bir elektrokimyasal hücrenin gerekli tüm elemanlarını içermesine izin veren başka bir tertibat ile gerçekleştirilmiştir.

Olası tüm düzeneklerden ve ekipmandan en basit olanı, bir hücre görevi görecek büyük şeffaf bir su kabı olabilir. Buna ek olarak, herhangi bir metal veya elektriksel olarak iletken yüzey de elektrot işlevi görmesi için hazır olmalıdır; biri katot için ve diğeri anot içindir.

Bu amaçla, her iki ucunda keskin grafit uçlu kalemler bile faydalı olabilir. Ve son olarak, küçük bir pil ve onu doğaçlama elektrotlara bağlayan bazı kablolar.

Şeffaf bir kap içinde gerçekleştirilmezse, gaz kabarcıklarının oluşumu takdir edilmez.

Ana değişkenler

Suyun elektrolizi, alternatif enerji kaynakları arayanlar için pek çok ilgi çekici ve umut verici yönler içeren bir konu olmasına rağmen, ev deneyi çocuklar ve diğer izleyiciler için sıkıcı olabilir.

Bu nedenle, belirli değişkenleri değiştirerek ve değişiklikleri not ederek H ₂ ve O ₂ oluşumunu oluşturmak için yeterli voltaj uygulanabilir .

Birincisi su asitleştirmek üzere iki sirke kullanarak, pH suyun varyasyon, veya Na ₂ CO ₃ hafifçe baz haline getirmek için. Gözlenen kabarcık sayısında bir değişiklik meydana gelmelidir.

Ek olarak aynı deney sıcak ve soğuk su ile tekrar edilebilir. Bu şekilde, sıcaklığın reaksiyon üzerindeki etkisi üzerinde durulacaktır.

Son olarak, veri toplamayı biraz daha az renksiz hale getirmek için, çok seyreltilmiş bir mor lahana suyu çözeltisi kullanabilirsiniz. Bu meyve suyu, doğal kökenli bir asit-baz göstergesidir.

Takılan elektrotlarla kaba ekleyerek, anotta suyun pembeye (asit) döneceği, katotta ise rengin sarı (bazik) olacağı not edilecektir.

Referanslar

1. Vikipedi. (2018). Suyun elektrolizi. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
2. Chaplin M. (16 Kasım 2018). Suyun elektrolizi. Su yapısı ve bilimi. Kurtarıldı: 1.lsbu.ac.uk
3. Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji. (Sf). Hidrojen üretimi: elektroliz. Kurtarıldı: energy.gov
4. Phys.org. (14 Şubat 2018). Su elektrolizi için yüksek verimli, düşük maliyetli katalizör. Kurtarıldı: phys.org
5. Kimya LibreTexts. (18 Haziran 2015). Suyun elektrolizi. Chem.libretexts.org adresinden kurtarıldı
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. ve S. Lewis N. (2016). Su ayırma elektroliz sistemlerinin prensipleri ve uygulamaları. Kraliyet Kimya Derneği.
7. Minnesota Üniversitesi Vekilleri. (2018). Su Elektrolizi 2. Minnesota Üniversitesi. Alındığı kaynak: chem.umn.edu