التحليل الكهربائي للماء: الإجراء ، التقنيات ، ما الذي تستخدمه ، التجربة المنزلية
التحليل الكهربائي للماء هو تحلل الماء إلى مكوناته الأولية عن طريق تطبيق تيار كهربائي. عند المتابعة ، يتم تكوين الهيدروجين والأكسجين الجزيئي ، H 2 و O 2 على سطحين خاملين. هذان السطحان معروفان بشكل أفضل باسم الأقطاب الكهربائية.
من الناحية النظرية ، يجب أن يكون حجم H 2 المتكون ضعف حجم O 2 . لماذا؟ لأن جزيء الماء له نسبة H / O تساوي 2 ، أي 2 H لكل أكسجين. يتم فحص هذه العلاقة مباشرة مع الصيغة الكيميائية ، H 2 O. ومع ذلك ، فإن العديد من العوامل التجريبية تؤثر على الكميات 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 المزيد من الغاز الذي يمارس ضغطًا على سطح السائل. تحيط الفقاعات بالأقطاب الكهربائية وينتهي بها المطاف بعد التغلب على 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 النطاق الصناعي ، فإن المزيج الغازي من H2 و O 2 شديد الخطورة 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 المنتج.
تمثل المحفزات الكهربائية الاحتكاك وفي نفس الوقت الأجنحة لربحية التحليل الكهربائي للماء. يتكون بعضها من أكاسيد من معادن نبيلة ، مثل البلاتين والإيريديوم ، والتي تكون أسعارها مرتفعة للغاية. في هذه المرحلة ، لا سيما عندما يوحد الباحثون قواهم لتصميم أقطاب كهربائية فعالة ومستقرة ورخيصة
سبب هذه الجهود هو تسريع تكوين O 2 ، والذي يحدث بسرعات منخفضة مقارنةً بـ H2. هذا التباطؤ من القطب حيث يتم تشكيل O 2 يجلب كنتيجة عامة لتطبيق إمكانات أكبر بكثير من اللازم (قوة مفرطة) ؛ ما هو متساو ، لخفض الأداء وارتفاع النفقات.
رد فعل التحليل الكهربائي
ينطوي التحليل الكهربائي للماء على العديد من الجوانب المعقدة. ومع ذلك ، بشكل عام ، يكمن أساسه في رد فعل عالمي بسيط:
2H 2 O (l) => 2H 2 (g) + O 2 (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.
H 2 هو نتاج لتخفيض الماء ، لأن كسب الإلكترون يشجع على أن بروتونات H + يمكن أن تساهم بشكل تساهمي ، وأن الأكسجين يتحول إلى OH-. لذلك ، يتم إنتاج H 2 في الكاثود ، وهو القطب حيث يحدث الاختزال.
بينما يأتي O 2 من أكسدة الماء ، لأنه يفقد الإلكترونات التي تسمح له بالربط بالهيدروجين ، وبالتالي يطلق بروتونات H +. يحدث O 2 في الأنود ، 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:
2H 2 O + 2e- => H 2 + 2OH- (كاثود ، أساسي)
2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e- (الأنود ، الحمض)
ومع ذلك ، لا يمكن أن يفقد الماء إلكترونات أكثر (4e-) من مكاسب جزيء الماء الأخرى في الكاثود (2e-) ؛ لذلك ، يجب ضرب المعادلة الأولى ب 2 ، ثم طرحها مع المعادلة الثانية للحصول على المعادلة الصافية:
2 (2H 2 O + 2e- => H 2 + 2OH-)
2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e-
6H 2 O => 2H 2 + O 2 + 4H + + 4OH-
لكن 4H + و 4OH- شكل 4H 2 O ، لذلك فإنها تقضي على أربعة من جزيئات H2 O الستة تاركة اثنين ؛ والنتيجة هي رد الفعل العالمي الذي تم طرحه للتو.
تتغير تفاعلات نصف الخلية مع قيم الأس الهيدروجيني ، وتقنياتها ، وكذلك لها إمكانات تقليل أو أكسدة محتملة ، والتي تحدد مقدار التيار الذي يجب توفيره للتحليل الكهربي للماء لكي يستمر بشكل تلقائي.
عملية
تُظهر الصورة العليا الفولتميتر Hoffman. تمتلئ الاسطوانات بالماء والكهارل المحدد من خلال فوهة الأوسط. يتمثل دور هذه الشوارد في زيادة الموصلية المائية ، لأنه في ظل الظروف العادية يوجد عدد قليل جدًا من أيونات H3 O + ومنتجات OH للتأين الذاتي.
يكون القطبان عادةً بلاتينيين ، على الرغم من أنه تم استبدالهما بأقطاب الكربون في الصورة. كلاهما متصل ببطارية ، مع تطبيق فرق الجهد (ΔV) الذي يعزز أكسدة الماء (تكوين O2).
تنتقل الإلكترونات إلى جميع الدوائر حتى تصل إلى القطب الآخر ، حيث يفوزها الماء ويصبح H2 و OH-. عند هذه النقطة ، يتم تعريف الأنود والكاثود بالفعل ، ويمكن التمييز بينهما بارتفاع أعمدة الماء ؛ واحد مع أدنى ارتفاع يتوافق مع الكاثود ، حيث يتم تشكيل H 2 .
في الجزء العلوي من الاسطوانات ، هناك بعض المفاتيح التي تسمح بإطلاق الغازات المتولدة. يمكن التحقق من وجود H 2 بعناية من خلال تفاعله مع لهب ، حيث ينتج الاحتراق الماء الغازي.
تقنيات
تختلف تقنيات التحليل الكهربائي للماء حسب كمية H2 و O 2 التي يقترح توليدها. يكون كلا الغازين خطرين للغاية إذا تم خلطهما معًا ، ولهذا السبب تحمل الخلايا الإلكتروليتية تصميمات معقدة لتقليل زيادة الضغوط الغازية وانتشارها عبر 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 المخزن.
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:
4H 2 O (l) + 4e- => 2H 2 (g) + 4OH- (ac)
4OH- (ac) => O 2 (g) + 2H 2 O (l) + 4e-
كما يمكن أن يرى ، في الكاثود وفي الأنود ، الماء له درجة حموضة أساسية ؛ بالإضافة إلى ذلك ، يهاجر OH إلى الأنود حيث يتأكسد إلى O 2 .
التحليل الكهربائي مع غشاء البوليمر كهربائيا
في هذه التقنية ، يتم استخدام بوليمر صلب يعمل كغشاء قابل للاختراق لـ H + ، ولكنه غير منفذ للغازات. هذا يضمن سلامة أكبر أثناء التحليل الكهربائي.
ردود الفعل نصف الخلية لهذه الحالة هي:
4H + (ac) + 4e- => 2H 2 (g)
2H 2 O (l) => O 2 (g) + 4H + (ac) + 4e-
تهاجر أيونات H + من الأنود إلى الكاثود ، حيث يتم تقليلها لتصبح H 2 .
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) كوسيط نقل O2.
ردود الفعل هي:
2H 2 O (g) + 4e- => 2H 2 (g) + 2O2-
2O2- => O 2 (g) + 4e-
لاحظ أنه في هذه المرة تكون أنيونات الأكسيد ، O2- ، التي تنتقل إلى الأنود.
ما هو استخدام التحليل الكهربائي للماء؟
ينتج التحليل الكهربائي للماء H 2 (g) و O 2 (g). ينتج حوالي 5٪ من غاز الهيدروجين المنتج في العالم عن طريق التحليل الكهربائي للماء.
H 2 هو نتاج 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 + 2H 2 O => Cl 2 + H 2 + 2NaOH
لفهم الأهمية الهائلة لهذا التفاعل ، سيتم ذكر بعض استخدامات المنتجات الغازية ؛ لأنه في نهاية اليوم ، هذه هي التي تدفع تطوير طرق جديدة لتحقيق التحليل الكهربائي للماء بطريقة أكثر كفاءة وخضراء.
من بين كل هذه العناصر ، المطلوب هو العمل كخلايا تحل محل الطاقة الحيوية لاستخدام الوقود الأحفوري.
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.
- إنه ضروري أيضًا في بعض الأعمال ذات الأهمية التجارية ، مثل: إنتاج حمض الهيدروكلوريك ، بيروكسيد الهيدروجين ، هيدروكسيل الأمين ، إلخ. تشارك في تخليق الأمونيا عن طريق التفاعل الحفاز مع النيتروجين.
- بالاقتران مع الأكسجين ، ينتج النيران ذات المحتوى العالي من السعرات الحرارية ، حيث تتراوح درجات الحرارة ما بين 3000 و 3500 كلفن. ويمكن استخدام هذه درجات الحرارة للقطع واللحام في صناعة المعادن ، لنمو البلورات الاصطناعية ، وإنتاج الكوارتز ، إلخ. .
- 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.
- بالإضافة 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 (Cl 2 ) في الأنود. نتحدث عن التحليل الكهربائي في هذه الحالة باعتباره الكلور الملح.
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 لاستهلاك رواد الفضاء.
تجربة المنزل
تم إجراء تجارب التحليل الكهربائي للماء على نطاقات المختبرات باستخدام مقاييس الفولتميتر الخاصة بهوفمان ، أو أي مجموعة أخرى تسمح باحتواء جميع العناصر الضرورية للخلية الكهروكيميائية.
من بين كل المجموعات 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 تكون مفيدة حتى الأقلام الرصاص مع نقاط الجرافيت شحذ في 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.
متغيرات المنزل
على الرغم من أن التحليل الكهربائي للماء هو موضوع يحتوي على العديد من الجوانب المثيرة للاهتمام والأمل لأولئك الذين يبحثون عن مصادر بديلة للطاقة ، فإن التجربة المنزلية يمكن أن تكون مملة أمام الأطفال وغيرهم من المتفرجين.
لذلك ، يمكن استخدام جهد كافي لإنشاء تكوين H2 و O 2 بالتناوب مع بعض المتغيرات ولاحظ التغييرات.
أول هذه الاختلافات هو درجة الحموضة في الماء ، باستخدام الخل لتحمض الماء ، أو Na 2 CO 3 لتبسيطه قليلاً. يجب أن يحدث تغيير في كمية الفقاعات التي تمت ملاحظتها.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تكرار التجربة نفسها بالماء البارد والساخن. وبهذه الطريقة يتم بعد ذلك التفكير في تأثير درجة الحرارة على التفاعل.
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 سوف يتحول إلى اللون الوردي (حمض) ، بينما في الكاثود ، سيكون اللون الأصفر (أساسي).
