อิเล็กโทรลิซิสของน้ำ: ขั้นตอนเทคนิคมีไว้เพื่ออะไร - เคมี

การอิเล็กโทรลิซิสของน้ำคือการสลายตัวของน้ำให้เป็นส่วนประกอบของธาตุโดยใช้กระแสไฟฟ้า ไฮโดรเจนและออกซิเจนโมเลกุล H ₂และ O ₂จะเกิดขึ้นบนพื้นผิวเฉื่อยสองชั้น พื้นผิวทั้งสองนี้รู้จักกันดีในชื่อของอิเล็กโทรด

ในทางทฤษฎีปริมาณของ H ₂รูปแบบที่ควรจะเป็นสองเท่าของปริมาณของ O, 2ทำไม? เนื่องจากโมเลกุลของน้ำมีอัตราส่วน H / O เท่ากับ 2 นั่นคือ H สองตัวสำหรับออกซิเจนแต่ละตัว ความสัมพันธ์นี้ได้รับการตรวจสอบโดยตรงด้วยสูตรเคมี H ₂ O อย่างไรก็ตามปัจจัยการทดลองหลายอย่างมีผลต่อปริมาณที่ได้รับ

ที่มา: Antti T. Nissinen ผ่าน Flickr

ถ้าการอิเล็กโทรลิซิสเกิดขึ้นภายในท่อที่แช่อยู่ในน้ำ (ภาพบน) คอลัมน์ด้านล่างของน้ำจะตรงกับไฮโดรเจนเนื่องจากมีก๊าซจำนวนมากที่ออกแรงดันบนพื้นผิวของของเหลว ฟองอากาศล้อมรอบขั้วไฟฟ้าและท้ายขึ้นหลังจากเอาชนะความดันไอของน้ำ

สังเกตว่าท่อจะแยกออกจากกันในลักษณะที่มีการโยกย้ายของก๊าซจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งในระดับต่ำ ในระดับต่ำสิ่งนี้ไม่ได้แสดงถึงความเสี่ยงที่ใกล้เข้ามา แต่ในเครื่องชั่งอุตสาหกรรมส่วนผสมของก๊าซของ H ₂และ O ₂นั้นมีอันตรายและระเบิดได้สูง

ด้วยเหตุนี้เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่มีการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำจึงมีราคาแพงมาก พวกเขาต้องการการออกแบบและองค์ประกอบที่รับประกันได้ว่าก๊าซจะไม่ผสมกันแหล่งจ่ายกระแสที่ทำกำไรได้อิเล็กโทรไลต์ที่มีความเข้มข้นสูงอิเล็กโทรดพิเศษ (อิเล็กโทรคาตาลิสต์) และกลไกในการจัดเก็บ H _{2 ที่}ผลิต

Electrocatalyst เป็นตัวแทนของแรงเสียดทานและในขณะเดียวกันก็เป็นปีกสำหรับการทำกำไรจากการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ บางชนิดประกอบด้วยออกไซด์ของโลหะมีตระกูลเช่นทองคำขาวและอิริเดียมซึ่งมีราคาสูงมาก ณ จุดนี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่นักวิจัยร่วมมือกันออกแบบขั้วไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพเสถียรและราคาถูก

เหตุผลสำหรับความพยายามเหล่านี้คือการเร่งการก่อตัวของโอ₂ซึ่งเกิดขึ้นในอัตราที่ลดลงเมื่อเทียบกับ H 2การชะลอตัวของอิเล็กโทรดที่ O ₂ถูกสร้างขึ้นนี้นำมาซึ่งผลที่ตามมาโดยทั่วไปของการใช้ศักย์ไฟฟ้าที่สูงเกินความจำเป็น (overpotential); ซึ่งเท่ากับประสิทธิภาพที่ลดลงและค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้น

ปฏิกิริยาอิเล็กโทรลิซิส

การอิเล็กโทรลิซิสของน้ำเกี่ยวข้องกับลักษณะที่ซับซ้อนหลายประการ อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้วพื้นฐานของมันขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาทั่วโลกง่ายๆ:

2H ₂ O (ล.) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

ดังที่เห็นในสมการโมเลกุลของน้ำสองตัวมีส่วนเกี่ยวข้องกันโดยปกติจะต้องลดลงหรือได้รับอิเล็กตรอนในขณะที่อีกโมเลกุลหนึ่งต้องออกซิไดซ์หรือสูญเสียอิเล็กตรอน

H ₂เป็นผลิตภัณฑ์ของการลดลงของน้ำเพราะกำไรของอิเล็กตรอนส่งเสริมว่า H ⁺โปรตอนสามารถผูก covalently และออกซิเจนจะถูกเปลี่ยนเป็น OH -ดังนั้น H ₂จึงถูกผลิตขึ้นที่แคโทดซึ่งเป็นอิเล็กโทรดที่การรีดักชันเกิดขึ้น

ในขณะที่ O ₂มาจากการเกิดออกซิเดชันของน้ำเนื่องจากมันสูญเสียอิเล็กตรอนที่ทำให้มันจับกับไฮโดรเจนและส่งผลให้โปรตอน H ⁺ปล่อยออกมา O ₂เกิดขึ้นที่ขั้วบวกขั้วไฟฟ้าที่เกิดออกซิเดชัน และไม่เหมือนกับอิเล็กโทรดอื่น ๆ pH รอบ ๆ ขั้วบวกเป็นกรดและไม่เป็นพื้นฐาน

ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์

สิ่งนี้สามารถสรุปได้ด้วยสมการทางเคมีต่อไปนี้สำหรับปฏิกิริยาครึ่งเซลล์:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (แคโทดพื้นฐาน)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (แอโนด, กรด)

อย่างไรก็ตามน้ำไม่สามารถสูญเสียอิเล็กตรอน (4e ^- ) ได้มากกว่าที่โมเลกุลของน้ำอื่น ๆ จะได้รับที่แคโทด (2e ^- ) ดังนั้นสมการแรกจะต้องคูณด้วย 2 จากนั้นจึงลบด้วยสมการที่สองเพื่อให้ได้สมการสุทธิ:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

แต่ 4H ⁺และ 4OH ^-รูปแบบ 4H ₂ O ดังนั้นพวกเขาจึงกำจัดโมเลกุล H ₂ O สี่ในหกโมเลกุลเหลือสองตัว และผลลัพธ์ก็คือปฏิกิริยาทั่วโลกที่ระบุไว้

ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์เปลี่ยนไปตามค่า pH เทคนิคและยังมีการลดหรือศักยภาพการเกิดออกซิเดชั่นที่เกี่ยวข้องซึ่งกำหนดว่าจะต้องจ่ายกระแสเท่าไรเพื่อให้การอิเล็กโทรลิซิสของน้ำดำเนินไปตามธรรมชาติ

กระบวนการ

ที่มา: Ivan Akira จาก Wikimedia Commons

โวลต์มิเตอร์ของ Hoffman แสดงในภาพด้านบน กระบอกสูบเต็มไปด้วยน้ำและอิเล็กโทรไลต์ที่เลือกผ่านหัวฉีดตรงกลาง บทบาทของอิเล็กโทรไลเหล่านี้คือการเพิ่มการนำของน้ำเพราะภายใต้สภาวะปกติมีน้อยมาก H ₃ O ⁺และ OH ไอออน^-ผลิตภัณฑ์ของตัวเองไอออนไนซ์ของพวกเขา

โดยปกติแล้วขั้วไฟฟ้าทั้งสองจะทำจากทองคำขาวแม้ว่าในภาพจะถูกแทนที่ด้วยอิเล็กโทรดคาร์บอน ทั้งสองเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ซึ่งใช้ความต่างศักย์ (ΔV) ที่ส่งเสริมการเกิดออกซิเดชันของน้ำ (การก่อตัวของ O ₂ )

อิเล็กตรอนเดินทางวงจรทั้งหมดจนกว่าจะถึงขั้วไฟฟ้าอื่น ๆ ที่น้ำชนะพวกเขาไปและกลายเป็น H ₂และ OH -ณ จุดนี้ได้กำหนดขั้วบวกและแคโทดไว้แล้วซึ่งสามารถแยกความแตกต่างได้ตามความสูงของคอลัมน์น้ำ เป็นหนึ่งเดียวกับต่ำสุดที่สอดคล้องกับความสูงแคโทดที่เอช₂จะเกิดขึ้น

ในส่วนบนของกระบอกสูบมีกุญแจที่ช่วยให้ก๊าซที่สร้างขึ้นถูกปล่อยออกมา การมีอยู่ของ H ₂สามารถตรวจสอบได้อย่างรอบคอบโดยการทำปฏิกิริยากับเปลวไฟซึ่งการเผาไหม้จะก่อให้เกิดน้ำที่เป็นก๊าซ

เทคนิค

เทคนิคการแยกกระแสไฟฟ้าของน้ำจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปริมาณของ H ₂และ O ₂ที่จะสร้างขึ้น ก๊าซทั้งสองเป็นอันตรายมากหากผสมกันและนั่นคือเหตุผลที่เซลล์อิเล็กโทรไลต์เกี่ยวข้องกับการออกแบบที่ซับซ้อนเพื่อลดการเพิ่มขึ้นของแรงดันก๊าซและการแพร่กระจายผ่านตัวกลางในน้ำ

นอกจากนี้เทคนิคยังแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับเซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่เติมลงในน้ำและอิเล็กโทรดเอง ในทางกลับกันบางคนบอกเป็นนัยว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้นลดการใช้ไฟฟ้าและอื่น ๆ ใช้แรงกดดันมหาศาลเพื่อให้ H ₂เก็บไว้

ในบรรดาเทคนิคทั้งหมดสามารถกล่าวถึงสามข้อต่อไปนี้:

กระแสไฟฟ้าด้วยน้ำอัลคาไลน์

อิเล็กโทรลิซิสดำเนินการโดยใช้สารละลายพื้นฐานของโลหะอัลคาไล (KOH หรือ NaOH) ด้วยเทคนิคนี้ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้น:

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

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

ดังที่เห็นได้ทั้งที่แคโทดและที่ขั้วบวกน้ำมี pH พื้นฐาน และนอกจากนี้โอ้^-โยกย้ายต่อขั้วบวกที่พวกเขาจะออกซิไดซ์ O 2

กระแสไฟฟ้าด้วยเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์

ในเทคนิคนี้จะใช้พอลิเมอร์ที่เป็นของแข็งซึ่งทำหน้าที่เป็นเมมเบรนที่สามารถซึมผ่านได้สำหรับ H ⁺แต่ไม่สามารถซึมผ่านได้สำหรับก๊าซ ทำให้มั่นใจได้ถึงความปลอดภัยที่มากขึ้นในระหว่างการอิเล็กโทรลิซิส

ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์สำหรับกรณีนี้คือ:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (ก.)

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

H ⁺ไอออนโยกย้ายจากขั้วบวกขั้วลบเพื่อที่พวกเขาจะลดลงไปกลายเป็น H 2

อิเล็กโทรลิซิสกับออกไซด์ของของแข็ง

มากแตกต่างจากเทคนิคอื่น ๆ นี้หนึ่งใช้เป็นอิเล็กโทรไลออกไซด์ซึ่งที่อุณหภูมิสูง (600-900ºC) ฟังก์ชั่นเป็นวิธีการขนส่ง O, ^2-ไอออน

ปฏิกิริยาคือ:

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

2O ^2- => O ₂ (ก.) + 4e ^-

สังเกตว่าคราวนี้เป็นออกไซด์ของแอนไอออน O ^2-ที่เดินทางไปยังขั้วบวก

อิเล็กโทรลิซิสของน้ำมีไว้ทำอะไร?

การอิเล็กโทรลิซิสของน้ำก่อให้เกิด H ₂ (g) และ O ₂ (g) ก๊าซไฮโดรเจนประมาณ 5% ที่ผลิตได้ในโลกเกิดจากการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ

H ₂เป็นผลพลอยได้จากการอิเล็กโทรลิซิสของสารละลาย NaCl ในน้ำ การปรากฏตัวของเกลือช่วยให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้โดยการเพิ่มการนำไฟฟ้าของน้ำ

ปฏิกิริยาโดยรวมที่เกิดขึ้นคือ:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญอย่างมากของปฏิกิริยานี้เราจะกล่าวถึงการใช้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซ เนื่องจากในตอนท้ายของวันสิ่งเหล่านี้คือสิ่งที่ผลักดันให้เกิดการพัฒนาวิธีการใหม่ ๆ เพื่อให้ได้กระแสไฟฟ้าด้วยวิธีที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

ในบรรดาสิ่งเหล่านี้สิ่งที่ต้องการมากที่สุดคือการทำหน้าที่เป็นเซลล์ที่ทดแทนการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลที่เผาไหม้อย่างกระตือรือร้น

การผลิตไฮโดรเจนและการใช้ประโยชน์

- ไฮโดรเจนที่ผลิตในอิเล็กโทรลิซิสสามารถใช้ในอุตสาหกรรมเคมีที่ทำหน้าที่ในปฏิกิริยาการเสพติดในกระบวนการเติมไฮโดรเจนหรือเป็นตัวรีดิวซ์ในกระบวนการลด

- นอกจากนี้ยังมีความสำคัญในการกระทำบางอย่างที่มีความสำคัญทางการค้าเช่นการผลิตกรดไฮโดรคลอริกไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ไฮดรอกซีลามีนเป็นต้น มีส่วนเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แอมโมเนียโดยใช้ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยากับไนโตรเจน

- เมื่อใช้ร่วมกับออกซิเจนจะทำให้เกิดเปลวไฟที่มีปริมาณแคลอรี่สูงโดยมีอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 3,000 ถึง 3,500 K อุณหภูมิเหล่านี้สามารถใช้สำหรับการตัดและการเชื่อมในอุตสาหกรรมโลหะเพื่อการเติบโตของผลึกสังเคราะห์การผลิตควอตซ์ ฯลฯ .

- การบำบัดน้ำ: ปริมาณไนเตรตที่สูงเกินไปในน้ำสามารถลดลงได้โดยการกำจัดในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพซึ่งแบคทีเรียใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงาน

- ไฮโดรเจนมีส่วนเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์พลาสติกโพลีเอสเตอร์และไนลอน นอกจากนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของการผลิตแก้วเพิ่มการเผาไหม้ระหว่างการอบ

- ทำปฏิกิริยากับออกไซด์และคลอไรด์ของโลหะหลายชนิด ได้แก่ เงินทองแดงตะกั่วบิสมัทและปรอทเพื่อผลิตโลหะบริสุทธิ์

- นอกจากนี้ยังใช้เป็นเชื้อเพลิงในการวิเคราะห์ทางโครมาโตกราฟีด้วยเครื่องตรวจจับเปลวไฟ

เป็นวิธีการดีบัก

อิเล็กโทรลิซิสของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ใช้สำหรับการทำให้น้ำในสระว่ายน้ำบริสุทธิ์ ในระหว่างการอิเล็กโทรไลซิสไฮโดรเจนจะถูกผลิตขึ้นที่แคโทดและคลอรีน (Cl ₂ ) ที่ขั้วบวก อิเล็กโทรลิซิสในกรณีนี้เรียกว่าคลอรีนเกลือ

คลอรีนละลายในน้ำเพื่อสร้างกรดไฮโปคลอรัสและโซเดียมไฮโปคลอไรต์ กรดไฮโปคลอรัสและโซเดียมไฮโปคลอไรต์ฆ่าเชื้อในน้ำ

เป็นแหล่งจ่ายออกซิเจน

การอิเล็กโทรลิซิสของน้ำยังใช้ในการสร้างออกซิเจนบนสถานีอวกาศนานาชาติซึ่งทำหน้าที่รักษาบรรยากาศออกซิเจนที่สถานี

ไฮโดรเจนสามารถใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงวิธีการกักเก็บพลังงานและใช้น้ำที่สร้างขึ้นในเซลล์เพื่อการบริโภคโดยนักบินอวกาศ

การทดลองที่บ้าน

การทดลองอิเล็กโทรลิซิสของน้ำได้ดำเนินการที่เครื่องชั่งในห้องปฏิบัติการด้วยโวลต์มิเตอร์ของฮอฟแมนหรือชุดประกอบอื่นที่อนุญาตให้มีองค์ประกอบที่จำเป็นทั้งหมดของเซลล์ไฟฟ้าเคมี

ในบรรดาส่วนประกอบและอุปกรณ์ที่เป็นไปได้ทั้งหมดที่ง่ายที่สุดอาจเป็นภาชนะบรรจุน้ำใสขนาดใหญ่ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นเซลล์ นอกจากนี้ต้องมีโลหะหรือพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าอยู่ในมือเพื่อทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรด หนึ่งสำหรับแคโทดและอีกอันสำหรับขั้วบวก

เพื่อจุดประสงค์นี้แม้แต่ดินสอที่มีปลายกราไฟท์แหลมคมที่ปลายทั้งสองข้างก็มีประโยชน์ และสุดท้ายคือแบตเตอรี่ขนาดเล็กและสายเคเบิลบางส่วนที่เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดชั่วคราว

หากไม่ได้บรรจุในภาชนะใสจะไม่เกิดฟองก๊าซ

ตัวแปรภายในบ้าน

แม้ว่าการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำจะเป็นหัวข้อที่มีแง่มุมที่น่าสนใจและมีความหวังมากมายสำหรับผู้ที่มองหาแหล่งพลังงานทางเลือก แต่การทดลองในบ้านอาจเป็นเรื่องน่าเบื่อสำหรับเด็ก ๆ และผู้ที่ไม่รู้อิโหน่อิเหน่

ดังนั้นจึงสามารถใช้แรงดันไฟฟ้าที่เพียงพอเพื่อสร้างรูปแบบของ H ₂และ O _{2 โดยการ}สลับตัวแปรบางตัวและสังเกตการเปลี่ยนแปลง

ประการแรกคือการเปลี่ยนแปลงของ pH ของน้ำโดยใช้น้ำส้มสายชูในการทำให้น้ำเป็นกรดหรือ Na ₂ CO ₃เพื่อทำให้เป็นกรดเล็กน้อย จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงจำนวนฟองอากาศที่สังเกตได้

นอกจากนี้การทดลองเดียวกันนี้สามารถทำซ้ำได้ด้วยน้ำร้อนและน้ำเย็น ด้วยวิธีนี้ผลของอุณหภูมิต่อปฏิกิริยาจะถูกพิจารณา

สุดท้ายเพื่อให้การรวบรวมข้อมูลไม่มีสีน้อยลงเล็กน้อยคุณสามารถใช้น้ำกะหล่ำปลีสีม่วงเจือจางมาก น้ำผลไม้นี้เป็นตัวบ่งชี้ความเป็นกรด - ด่างของแหล่งกำเนิดตามธรรมชาติ

เมื่อใส่อิเล็กโทรดลงในภาชนะแล้วจะสังเกตได้ว่าที่ขั้วบวกน้ำจะเปลี่ยนเป็นสีชมพู (กรด) ในขณะที่แคโทดสีจะเป็นสีเหลือง (พื้นฐาน)

อ้างอิง

วิกิพีเดีย (2018) กระแสไฟฟ้าของน้ำ สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
แชปลินเอ็ม. (16 พฤศจิกายน 2018). กระแสไฟฟ้าของน้ำ โครงสร้างของน้ำและวิทยาศาสตร์. กู้คืนจาก: 1.lsbu.ac.uk
ประสิทธิภาพการใช้พลังงานและพลังงานทดแทน (เอสเอฟ) การผลิตไฮโดรเจน: อิเล็กโทรลิซิส ดึงมาจาก: energy.gov
Phys.org (14 กุมภาพันธ์ 2561). ตัวเร่งปฏิกิริยาประสิทธิภาพสูงต้นทุนต่ำสำหรับการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ สืบค้นจาก: phys.org
เคมี LibreTexts (18 มิถุนายน 2558). กระแสไฟฟ้าของน้ำ สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
Xiang C. , M. Papadantonakisab K. และ S. Lewis N. (2016). หลักการและการใช้ระบบอิเล็กโทรลิซิสสำหรับการแยกน้ำ ราชสมาคมเคมี.
ผู้สำเร็จราชการแห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตา (2018) Electrolysis of Water 2. University of Minnesota. ดึงมาจาก: chem.umn.edu

อิเล็กโทรลิซิสของน้ำ: ขั้นตอนเทคนิคมีไว้เพื่ออะไร - เคมี - 2026