Опыты с водой электролиз

Даёшь дешёвый водород. Найден упрощённый способ электролиза воды

Схема электролиза без мембраны: два параллельных электрода располагаются на расстоянии в несколько сотен микрометров

Не секрет, что чистый водород — один из наиболее перспективных видов альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду, что может быть прекраснее?

Проблема только в стоимости добычи водорода. Электролиз воды предполагает, что электроды погружаются в воду, а между ними находится полимерная мембрана. Ток идёт от катода к аноду, а на своём пути он (при помощи катализатора) расщепляет воду на кислород и водород. Полимерная мембрана выполняет важную функцию, разделяя получившиеся газы.

На сегодняшний в качестве мембраны с ионной проводимостью практически повсеместно используется нафион или другой тип мембраны. Но все они отличаются дороговизной и ограниченным сроком службы. К тому, мембраны требуют особых условий проведения электролиза. Например, нафион работает в жидкости только с низкой кислотностью и только с определёнными катализаторами.

Изобретение химиков из EPFL под руководством Деметри Псалтиса (Demetri Psaltis) позволяет избавиться от этих ограничений и намного удешевить электролиз воды.

Они провели ряд экспериментов с микроустройством, размещая электроды на разном расстоянии друг от друга и прогоняя между ними воду на разной скорости. Оказалось, что при определённом расстоянии между электродами H₂ и O₂ сами разлетаются в разные стороны, без всякой мембраны!

Причина такого поведения ионов — эффект Сегре-Зильберберга, когда при движении жидкости находящиеся в ней частицы поток уносит в стороны.

Учёные надеются, что им удастся приспособить прибор для работы с любыми видами жидких электролитов и любыми катализаторами, поскольку больше нет риска повреждения хрупкой мембраны. Исчезнут обязательные требования использовать только благородные металлы вроде платины из-за ограничений на кислотность (pH) жидкости.

Если получится масштабировать микроустройство до промышленного образца, то это кардинально снизит стоимость водорода, получаемого при электролизе воды.

Научная работа “A membrane-less electrolyzer for hydrogen production across the pH scale” опубликована в журнале “Energy & Environmental Science”, DOI: 10.1039/C5EE00083A (зеркало).

Источник

Электролиз в стакане

На этой странице вы найдете самые простые опыты с электричеством. Чтобы провести их, достаточно трех-четырех батареек для карманного фонаря.

Вообще-то опыты по электрохимии часто пытаются ставить дома, но не всегда они выходят: какая-нибудь мелочь — и ничего не получается. Если вы будете следовать всем нашим указаниям, можете быть уверены, что опыт удастся.

Опыт № 1. Чернила под действием тока

Начнем с очень простого, но тем не менее поучительного опыта. Для него понадобится один-единственный реактив: чернила любого цвета. Правда, придется немного потрудиться над прибором.

Возьмите две металлические полоски длиной 8—10 см и шириной 1—2 см. Они могут быть из железа, меди, алюминия — безразлично, лишь бы свободно проходили в прозрачный сосуд — высокую мензурку или большую пробирку. Перед опытом просверлите в пластинах с одной стороны отверстия для прикрепления проводников. Приготовьте две одинаковые, толщиной буквально в несколько миллиметров, пластмассовые или деревянные прокладки и склейте их с металлическими полосками так, чтобы те, расположившись параллельно, не касались друг друга. Клей годится практически любой — БФ, «Момент» и др.

В мензурку или пробирку налейте воду и капните в нее столько чернил, чтобы раствор не был очень насыщенного цвета (однако он не должен быть и прозрачным). Опустите в него конструкцию из двух полосок, соедините их проводками с двумя батарейками, подключенными последовательно, «плюс» к «минусу». Несколько минут спустя, чернильный раствор между пластинками станет светлеть, а на дне и вверху будут собираться темные частицы.

Почему так происходит?

В состав чернила входят очень мелкие окрашенные частицы, взвешенные в воде. Под действием тока они слипаются и не могут уже плавать в воде, а опускаются на дно под действием силы тяжести. Понятно, что раствор при этом становится все более и более бледным.

Но как же частицы попали наверх? При действии тока на растворы нередко образуются газы. В нашем случае газовые пузырьки подхватывают твердые частицы и уносят их наверх.

Опыт № 2. Получение газов — водорода, кислорода и хлора — в домашних условиях

В следующем опыте толстостенный чайный стакан, расширяющийся кверху, будет служить электролитической ванной. Приготовьте фанерный кружок такого диаметра, чтобы он прижался к стенке стакана в трех-четырех сантиметрах выше дна. В кружке заранее просверлите два отверстия (или вырежьте в нем по диаметру прорезь), неподалеку шилом проколите два отверстия: через них будут проходить проводки. В большие отверстия или в прорезь вставьте два карандаша длиной 5—6 см, очиненные с одного конца. Карандаши, точнее, их грифели, будут служить электродами. На неочиненных концах карандашей сделайте зарубки, чтобы обнажились грифели, и примотайте к ним оголенные концы проводков. Проводки скрутите и тщательно обмотайте изоляционной лентой, а чтобы изоляция была совсем надежной, лучше всего спрятать проводки в резиновых трубках. Все детали прибора готовы, остается только собрать его, т. е. вставить кружок с электродами внутрь стакана.

Поставьте стакан на тарелку и налейте в него до краев раствор стиральной кальцинированной соды Na₂CO₃ из расчета 2—3 чайные ложки на стакан воды. Таким же раствором заполните две пробирки. Одну из них закройте большим пальцем, переверните вверх дном и погрузите в стакан так, чтобы в нее не попал ни один пузырек воздуха. Под водой наденьте пробирку на электрод-карандаш. Точно так же поступите со второй пробиркой.

Батарейки — числом не менее трех — нужно соединить последовательно, «плюс» одной к «минусу» другой, а к крайним батарейкам подсоединить проводки от карандашей. Сразу начнется электролиз раствора. Положительно заряженные ионы водорода Н + направятся к отрицательно заряженному электроду — катоду, присоединят там электрон и превратятся в газ водород. Когда у карандаша, подсоединенного к «минусу», соберется полная пробирка водорода, ее можно вынуть и, не переворачивая, поджечь газ. Он загорится с характерным звуком. У другого электрода, положительного (анода), выделяется кислород. Наполненную им пробирку закройте пальцем под водой, выньте из стакана, переверните и внесите тлеющую лучинку — она загорится.

Итак, из воды Н₂О получился и водород Н₂, и кислород О₂; а для чего же сода? Для ускорения опыта. Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, электрохимическая реакция идет в ней слишком медленно.

С тем же прибором можно поставить еще один опыт — электролиз насыщенного раствора поваренной соли NaCl . В этом случае одна пробирка наполнится бесцветным водородом, а другая — желто-зеленым газом. Это хлор, который образуется из поваренной соли. Хлор легко отдает свой заряд и первым выделяется на аноде.

Пробирку с хлором, в которой находится также немного раствора соли, закройте пальцем под водой, переверните и встряхните, не отнимая пальца. В пробирке образуется раствор хлора — хлорная вода. У нее сильные отбеливающие свойства. Например, если добавить хлорную воду к бледно-синему раствору чернил, то он обесцветится.

При электролизе поваренной соли образуется еще одно вещество — едкий натр. Эта щелочь остается в растворе, в чем можно убедиться, капнув в стакан возле отрицательного электрода немного раствора фенолфталеина или самодельного индикатора.

Итак, мы получили в опыте сразу три ценных вещества — водород, хлор и едкий натр. Именно поэтому электролиз поваренной соли так широко используют в промышленности.

Опыт № 3. Сверлим металлы. карандашом

С помощью тока и насыщенного раствора поваренной соли можно проделать еще один занимательный опыт. Займемся сейчас тем, что будем сверлить металл обыкновенным карандашом.

Приготовьте в чайном блюдце насыщенный раствор поваренной соли. Соедините проводком лезвие безопасной бритвы с положительным полюсом батарейки для карманного фонаря (лезвие будет анодом). На заточенном конце карандаша обломайте грифель и примерно на полмиллиметра выковыряйте его иголкой. На 2—3 см выше сделайте ножом зарубку до грифеля и намотайте на нее конец оголенного провода; это место оберните изоляционной лентой, а другой конец провода присоедините к отрицательному полюсу батарейки (карандаш будет катодом).

Положите лезвие в блюдце с раствором и коснитесь карандашом-катодом лезвия. Тотчас вокруг карандаша начнут бурно выделяться пузырьки водорода. А лезвие-анод будет растворяться: атомы железа приобретут заряд, превратятся в ионы и перейдут в раствор. Так минут через 10-15 в лезвии получится сквозное отверстие. Особенно быстро оно образуется, если батарейка новая, а лезвие тонкое (0,08 мм). В алюминиевой же фольге отверстие просверливается буквально за секунды.

Если вы захотите просверлить карандашом отверстие в определенном месте тонкой металлической пластинки, то лучше заранее покрыть обрабатываемую деталь лаком, а там, где вы будете сверлить, лак снять.

Углубление в грифеле понадобилось затем, чтобы грифель не касался металла. Иначе цепь сразу замкнется, ток не пойдет через раствор и никакого электролиза не будет.

Сверлить карандашом можно и без электролитической ванны (в нашем случае, без чайного блюдца). Пластинку-анод положите на доску или на тарелку, капните воды, обмакните карандаш, присоединенный к батарейке, в соль и погрузите заточенный его конец в каплю. Время от времени удаляйте тряпочкой продукты электролиза и наносите новую каплю. Повторяя эту операцию, можно, не прикладывая усилий, просверлить металлическую фольгу или жесть от консервной банки. Так же, между прочим, можно сделать отверстие в сломанном стальном ноже, чтобы приделать к нему новую ручку.

Конечно, для сверления металла толщиной более миллиметра одной батарейки мало — надо включить параллельно несколько батареек или воспользоваться понижающим трансформатором с выпрямителем — например, от детской железной дороги или от прибора для выжигания по дереву. И независимо от источника тока и способа электролиза придется несколько раз менять раствор электролита и хорошо очищать лунку— гвоздем или шилом.

О. Ольгин. «Опыты без взрывов». М., «Химия», 1986

Ваши комментарии

Перед отправкой Вашего сообщения ознакомьтесь,
пожалуйста, с Правилами комментирования материалов на нашем сайте.

Источник

Процедура электролиза воды, методики, для чего она, домашний эксперимент

электролиз воды это разложение воды на ее элементарные составляющие под действием электрического тока. При этом водород и молекулярный кислород образуются на двух инертных поверхностях, H₂ и O₂. Эти две поверхности более известны под названием электродов.

Теоретически, объем Н₂ образуется должен быть в два раза больше объема O₂. Почему? Поскольку молекула воды имеет отношение H / O, равное 2, то есть два H для каждого кислорода. Это соотношение проверяется непосредственно с помощью его химической формулы H₂О. Однако многие экспериментальные факторы влияют на полученные объемы.

Если электролиз проводят внутри труб, погруженных в воду (верхнее изображение), столб воды меньшей высоты соответствует водороду, поскольку на поверхности жидкости присутствует большее количество газа, оказывающего давление. Пузырьки окружают электроды и в конечном итоге поднимаются после истечения давления пара воды.

Обратите внимание, что трубки отделены друг от друга таким образом, что существует низкая миграция газов от одного электрода к другому. В низких масштабах это не представляет неизбежного риска; но в промышленных масштабах газовая смесь Н₂ и O₂ Это очень опасно и взрывоопасно.

По этой причине электрохимические ячейки, в которых проводится электролиз воды, очень дороги; им нужны конструкция и элементы, которые гарантируют, что газы никогда не смешиваются, выгодная подача тока, высокая концентрация электролитов, специальные электроды (электрокатализаторы) и механизмы для хранения H.₂ произведенный.

Электрокатализаторы представляют собой трение и в то же время крылья для прибыльности электролиза воды. Некоторые состоят из оксидов благородных металлов, таких как платина и иридий, цены на которые очень высоки. Именно в этот момент исследователи объединяют усилия для разработки эффективных, стабильных и дешевых электродов..

Причиной этих усилий является ускорение образования О₂, который дается на более низких скоростях по сравнению с H₂. Это замедляется электродом, где образуется О₂ как общее следствие, применение потенциала намного больше, чем необходимо (перенапряжение); что то же самое, чтобы снизить производительность и более высокие расходы.

• 1 Реакция электролиза
  • 1.1 Полуклеточные реакции
• 2 Процедура
• 3 Техники
  • 3.1 Электролиз щелочной водой
  • 3.2 Электролиз с полимерной электролитической мембраной
  • 3.3 Электролиз с твердыми оксидами
• 4 Какая польза от электролиза воды??
  • 4.1 Производство водорода и его использование
  • 4.2 Как метод отладки
  • 4.3 Как поставка кислорода
• 5 Домашний эксперимент
  • 5.1 Домашние переменные
• 6 Ссылки

Реакция электролиза

Электролиз воды включает в себя много сложных аспектов. Однако в общих чертах его основа лежит в простой глобальной реакции:

Как видно из уравнения, вмешиваются две молекулы воды: одну обычно нужно уменьшить или получить электроны, а другую — окислить или потерять электроны..

H₂ Это продукт восстановления воды, потому что усиление электронов способствует протонов H + может быть ковалентно связан, и кислород превращается в ОН — . Поэтому Н₂ происходит на катоде, который является электродом, где происходит восстановление.

В то время как O₂ происходит от окисления воды, потому что она теряет электроны, которые позволяют ей связываться с водородом, и, следовательно, высвобождает протоны H + . O₂ происходит на аноде, электроде, где происходит окисление; и в отличие от другого электрода, pH вокруг анода является кислым, а не основным.

Полуклеточные реакции

Вышеизложенное можно обобщить следующими химическими уравнениями для полуклеточных реакций:

2H₂O + 2e — => H₂ + 2OH — (Катод, основной)

2H₂O => O₂ + 4H + + 4e — (Анод, кислота)

Однако вода не может потерять больше электронов (4e — ) из которых другая молекула воды побеждает на катоде (2e — ); следовательно, первое уравнение должно быть умножено на 2, а затем вычтено со вторым уравнением, чтобы получить чистое уравнение:

Но 4Н + и 4OH — они образуют 4H₂Или, таким образом, они устраняют четыре из шести молекул H₂Или оставив два; и в результате глобальная реакция только что изложил.

Реакции полуэлемента изменяются в зависимости от значений рН, методов, а также имеют потенциальные потенциалы восстановления или окисления, которые определяют, какой ток необходимо подавать, чтобы электролитический процесс воды происходил самопроизвольно..

процесс

На верхнем изображении показан вольтметр Хоффмана. Цилиндры заполняются водой и выделенными электролитами через среднее сопло. Роль этих электролитов заключается в повышении проводимости воды, потому что в нормальных условиях очень мало ионов H₃О + и ОН — продукты вашего авто ионизации.

Два электрода обычно платиновые, хотя на изображении они были заменены угольными электродами. Оба связаны с батареей, с которой применена разность потенциалов (ΔV), которая способствует окислению воды (образование O).₂).

Электроны перемещаются по всему контуру, пока вы не достигнете другого электрода, где вода выигрывает и становится Н₂ и ОН — . На данный момент анод и катод уже определены, которые могут быть дифференцированы по высоте водяных столбов; тот, который имеет меньшую высоту, соответствует катоду, где образуется Н₂.

В верхней части цилиндров есть несколько клавиш, позволяющих выпускать образующиеся газы. Вы можете тщательно проверить наличие H₂ заставляя его реагировать с пламенем, сгорание которого дает газообразную воду.

методы

Методы электролиза воды варьируются в зависимости от количества Н₂ и O₂ что предлагается генерировать. Оба газа очень опасны, если их смешивать друг с другом, и поэтому электролизеры имеют сложную конструкцию, чтобы минимизировать увеличение газовых давлений и их диффузию через водную среду..

Кроме того, методы колеблются в зависимости от элемента, электролита, добавляемого в воду, и самих электродов. С другой стороны, некоторые подразумевают, что реакция проводится при более высоких температурах, уменьшая потребление электроэнергии, а другие используют огромные давления для поддержания H.₂ хранится.

Среди всех методов можно упомянуть следующие три:

Электролиз щелочной водой

Электролиз проводят с основными растворами щелочных металлов (КОН или NaOH). С помощью этой техники происходят реакции:

Как видно, как на катоде, так и на аноде вода имеет основной pH; и кроме того, ОН — мигрировать на анод, где они окисляются до O₂.

Электролиз с полимерной электролитической мембраной

В этой технике используется твердый полимер, который служит проницаемой мембраной для H + , но водонепроницаемый для газов. Это гарантирует большую безопасность при электролизе.

Полуклеточные реакции для этого случая:

Ионы Н + они мигрируют от анода к катоду, где они уменьшаются, чтобы стать H₂.

Электролиз с твердыми оксидами

Очень отличающийся от других методов, он использует оксиды в качестве электролитов, которые при высоких температурах (600-900ºC) функционируют в качестве среды переноса анионов. 2- .

Обратите внимание, что на этот раз оксидные анионы, или 2- , те, кто путешествует на анод.

Какая польза от электролиза воды?

Электролиз воды дает H₂ (г) и О₂ (G). Приблизительно 5% газообразного водорода, производимого в мире, образуется в результате электролиза воды..

H₂ это побочный продукт электролиза водных растворов NaCl. Присутствие соли облегчает электролиз за счет увеличения электропроводности воды.

Глобальная реакция, которая имеет место:

Чтобы понять огромную важность этой реакции, будут упомянуты некоторые виды использования газообразных продуктов; потому что, в конце концов, именно они стимулируют разработку новых методов для достижения электролиза воды более эффективным и экологичным способом..

Из всех них наиболее желательным является использование ячеек, которые энергетически заменяют использование сжигания ископаемого топлива..

Производство водорода и его использование

-Водород, получаемый при электролизе, может быть использован в химической промышленности, действующей в реакциях зависимости, в процессах гидрирования или в качестве восстановителя в процессах восстановления..

-Кроме того, это важно в некоторых действиях, имеющих коммерческое значение, таких как: производство соляной кислоты, перекиси водорода, гидроксиламинов и т. Д. Участвует в синтезе аммиака по каталитической реакции с азотом.

-В сочетании с кислородом он производит пламя с высокой калорийностью, с температурами в диапазоне от 3000 до 3500 К. Эти температуры могут использоваться для резки и сварных швов в металлургической промышленности, для роста синтетических кристаллов, производства кварца и т. Д..

-Обработка воды: слишком высокое содержание нитратов в воде может быть уменьшено путем их удаления в биореакторах, в которых бактерии используют водород в качестве источника энергии

-Водород вмешивается в синтез пластмасс, полиэстера и нейлона. Кроме того, он является частью производства стекла, увеличивая сгорание во время выпекания.

-Реагирует с оксидами и хлоридом многих металлов, в том числе серебра, меди, свинца, висмута и ртути с образованием чистых металлов.

-И, кроме того, он используется в качестве топлива в хроматографических анализах с детектором пламени..

Как метод отладки

Электролиз растворов хлорида натрия используется для очистки воды бассейна. Во время электролиза водород образуется в катоде и хлоре (Cl₂) на аноде. Говорят об электролизе в этом случае как хлоратор соли.

Хлор растворяется в воде с образованием хлорноватистой кислоты и гипохлорита натрия. Хлорноватистую кислоту и гипохлорит натрия стерилизуют водой.

В качестве источника кислорода

Электролиз воды также используется для генерации кислорода на Международной космической станции, которая служит для поддержания кислородной атмосферы на станции..

Водород можно использовать в топливном элементе, способе накопления энергии и использовать воду, которая генерируется в элементе для потребления астронавтами..

Домашний эксперимент

Эксперименты по электролизу воды проводились на лабораторных весах с помощью вольтметров Хоффмана или другой сборки, которая позволяет вместить все необходимые элементы электрохимической ячейки..

Из всех возможных сборок и оборудования самым простым может быть большой прозрачный контейнер для воды, который будет служить ячейкой. Кроме того, вы должны иметь под рукой любую металлическую или электропроводящую поверхность, которая будет выполнять функцию электродов; один для катода, а другой для анода.

Для этой цели могут быть полезны даже карандаши с острыми точками на обоих концах. И, наконец, небольшой аккумулятор и несколько кабелей, которые соединяют его с импровизированными электродами..

Если не сделать в прозрачном контейнере, образование пузырьков газа не может быть оценено.

Домашние переменные

Хотя электролиз воды является предметом, который содержит много интригующих и обнадеживающих аспектов для тех, кто ищет альтернативные источники энергии, домашний эксперимент может быть скучным для детей и других зрителей..

Следовательно, достаточное напряжение может быть приложено для формирования H-образования₂ и O₂ чередуя определенные переменные и отмечая изменения.

Первый — это изменение pH воды с использованием уксуса для подкисления воды или Na.₂Колорадо₃ немного подвести Изменение количества наблюдаемых пузырьков должно произойти.

Кроме того, тот же эксперимент можно повторить с холодной и горячей водой. Таким образом, влияние температуры на реакцию будет затем рассматриваться.

Наконец, чтобы сделать сбор данных немного менее бесцветным, вы можете прибегнуть к очень разбавленному раствору сока фиолетовой капусты. Этот сок является основным кислотным индикатором природного происхождения..

Добавляя его в емкость с введенными электродами, можно заметить, что на аноде вода станет розовой (кислотной), а на катоде окраска будет желтой (основной).

Источник