水電解手順、技術、それは何のために、家庭実験



の 水の電気分解 それは、電流の印加による水のその基本成分への分解である。進行すると、水素と分子状酸素が2つの不活性表面上に形成されます。2 とO2. これら二つの表面は電極の名前でよく知られています.

理論的には、Hの体積2 形成されたOの2倍の量でなければならない2. なんで？水分子は２に等しいＨ ／ Ｏ比、すなわち各酸素につき２つのＨを有するからである。この関係は、その化学式Hで直接確認されます。2O.しかし、多くの実験的要因が得られる量に影響を与えます.

水に浸された管の内側で電気分解が行われる場合（上の画像）、液体の表面に圧力をかけるガスの量が多いので、より低い高さの水柱は水素に対応する。気泡は電極を囲み、水の蒸気圧が切れると上昇してしまいます.

一方の電極から他方の電極へのガスの移動が少ないように、管は互いに分離されていることに留意されたい。小規模では、これは差し迫ったリスクを表すものではありません。しかし工業規模では、Hの混合ガス2 とO2 非常に危険で爆発的です.

このため、水の電気分解が行われる電気化学セルは非常に高価です。それらは、ガスが決して混合しないことを保証するデザインと要素、有益な電流供給、高濃度の電解質、特別な電極（電極触媒）、そして水素を貯蔵するメカニズムを必要とします。2 生産された.

電気触媒は摩擦を表し、同時に水の電気分解の利益のための翼を表します。価格が非常に高いプラチナやイリジウムなどの貴金属の酸化物からなるものもあります。特に研究者が効率的で安定した安価な電極を設計するために力を合わせるのはこの時点です。.

これらの努力の理由はOの形成を加速することです2, これはHと比較して低速で与えられます2. これはOが形成されている電極によって減速する2 それは一般的な結果として必要以上に大きな電位の適用をもたらす（過電位）。パフォーマンスの低下と経費の増加のための同じこと.

索引

  • 1電気分解の反応
    • 1.1半電池反応
  • 2手続き
  • 3つのテクニック
    • 3.1アルカリ水による電気分解
    • 3.2高分子電解質膜を用いた電解
    • 3.3固体酸化物による電解
  • 4水電解の用途は何ですか？?
    • 4.1水素の製造とその用途
    • 4.2デバッグ方法として
    • 4.3酸素供給として
  • 5家庭実験
    • 5.1ホーム変数
  • 6参考文献

電解反応

水の電気分解は多くの複雑な側面を含みます。ただし、一般的には、その基本は単純なグローバルな反応にあります。

2H2O（l）=> 2H2（g）+ O2（g）

この式からわかるように、2つの水分子が干渉します。1つは通常還元されるか電子を獲得する必要があり、もう1つは電子を酸化または失う必要があります.

H2 電子の獲得が陽子Hを促進するので、それは水の減少の産物です。+ 共有結合することができ、酸素はOHに変換されます。-. したがって、H2 還元が起こる電極である陰極で起こる.

Oながら2 なぜなら、それは水素と結合することを可能にする電子を失い、その結果プロトンHを放出するからです。+. O2 陽極、酸化が起こる電極で起こる。他の電極とは異なり、アノード周辺のpHは酸性で塩基性ではありません。.

半電池反応

上記は、半電池反応に関する以下の化学式で要約することができる。

2H2O + 2e- => H2 + 2OH- （カソード、ベーシック）

2H2O => O2 + 4時間+ + 4e- （アノード、酸）

しかし、水はより多くの電子を失うことはできません（4e-そのうち他の水分子は陰極（2e）で勝つ-;したがって、最初の式に2を掛けてから、2番目の式を引いて正味の式を得る必要があります。

2（2H2O + 2e- => H2 + 2OH-）

2H2O => O2 + 4時間+ + 4e-

6時間2O => 2H2 + ○2 + 4時間+ + 4OH-

しかし4H+ と4OH- 彼らは4Hを形成する2あるいは、これらは6つのH分子のうち4つを除去します2または2つ残します。そしてその結果は今述べた地球規模の反応です。.

半電池反応は、ｐＨ値、技術によって変化し、また潜在的な還元または酸化電位を有し、それは水の電気分解が自発的に進行するように供給される必要がある量を決定する。.

手続き

上の画像はホフマン電圧計です。シリンダーは、中央のノズルを通して水と選択された電解質で満たされます。通常の条件下ではHイオンは非常に少ないため、これらの電解質の役割は水の導電率を高めることです。3○+ そしてOH- あなたの自動イオン化の製品.

2つの電極は通常白金ですが、画像ではカーボン電極に置き換えられています。両方とも電池に接続されており、電池には水の酸化（Ｏ形成）を促進する電位差（ΔＶ）が印加される。2）.

水が勝ってHになるもう一方の電極に達するまで、電子は回路全体を進みます。2 そしてOH-. この時点でアノードとカソードはすでに定義されていますが、水柱の高さで区別できます。高さが小さい方がカソードに相当し、Hが形成されます。2.

シリンダーの上部には、発生したガスを放出することを可能にするいくつかのキーがあります。 Hの存在を注意深く確認できます2 炎と反応させると、その燃焼によってガス状の水が生成されます。.

テクニック

水の電気分解技術はHの量によって異なります2 とO2 それは生成することが提案されています。両方のガスが混合されていると非常に危険です。そのため、電解槽には複雑な設計が採用されているため、ガス圧の上昇や水性媒体への拡散が最小限に抑えられます。.

また、技術はセル、水に添加された電解質、そして電極自体に応じて変動する。他方では、反応がより高い温度で行われ、電気の消費量が減少することを意味するものもあれば、Hを維持するために多大な圧力をかけるものもある2 保管.

すべての技法の中で、次の3つを挙げることができます。

アルカリ水による電気分解

電気分解はアルカリ金属（ＫＯＨまたはＮａＯＨ）の塩基性溶液を用いて行われる。このテクニックで反応は起こります：

4時間2O（l）+ 4e- => 2H2（g）+ 4OH-（ac）

4OH-（ac）=> O2（g）+ 2H2O（l）+ 4e-

図からわかるように、陰極と陽極の両方で、水は塩基性のpHを持っています。そしてさらに、OH- アノードに移動し、そこでOに酸化します。2.

高分子電解質膜を用いた電解

この技術では、Hの透過膜として機能する固体ポリマーが使用されます。+, しかしガスのために防水。これは電気分解の間により大きい安全性を保証します.

この場合の半電池反応は次のとおりです。

4時間+（ac）+ 4e- => 2H2（g）

2H2O（l）=> O2（g）+ 4H+（ac）+ 4e-

Hイオン+ それらは陽極から陰極に移動し、そこでそれらは還元されてHになる。2.

固体酸化物による電解

他の技術とは非常に異なり、電解質として酸化物を使用し、高温（600-900℃）でアニオン輸送媒体として機能します。2-.

反応は次のとおりです。

2H2O（g）+ 4e- => 2H2（g）+ 2O2-

2O2- => O2（g）+ 4e-

今回は酸化物アニオン、2-, 陽極に旅行する人.

水電解の用途は何ですか?

水の電気分解はHを作り出す2 （g）とO2 （g）世界で生産されている水素ガスの約5％は、水の電気分解によって生成されます。.

H2 それはNaCl水溶液の電気分解の副産物です。塩の存在は水の電気伝導度を高めることによって電気分解を促進する.

世界的な反応は次のとおりです。

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

この反応が非常に重要であることを理解するために、気体製品の使用法のいくつかを説明します。結局のところ、これらはより効率的でグリーンな方法で水の電気分解を達成するための新しい方法の開発を推進するものであるからです。.

それらすべての中で、最も望まれるものは燃える化石燃料の使用をエネルギー的に置き換えるセルとして役立つことです.

水素の製造とその用途

-電気分解で生成された水素は、中毒反応、水素化プロセス、または還元プロセスの還元剤として作用する化学工業で使用することができます。.

-また、塩酸、過酸化水素、ヒドロキシルアミンなどの製造のような商業的に重要ないくつかの作用においても重要である。窒素との触媒反応によるアンモニアの合成に関与.

-酸素と組み合わせると、3,000〜3,500 Kの範囲の温度で、高カロリーの炎が発生します。これらの温度は、金属産業の切断および溶接、合成結晶の成長、石英の製造などに使用できます。.

-水処理：水中の硝酸塩含有量が高すぎると、バイオリアクターで除去されるため、バクテリアがエネルギー源として水素を使用することになります。

-水素はプラスチック、ポリエステルおよびナイロンの合成に介在します。さらに、それはガラス製造の一部であり、焼成中の燃焼を増加させる.

-銀、銅、鉛、ビスマス、水銀など、多くの金属の酸化物や塩化物と反応して純粋な金属を生成します。.

-さらに、それは炎検出器を用いたクロマトグラフィー分析における燃料として使用されます。.

デバッグ方法として

塩化ナトリウム溶液の電気分解は、プールの水の浄化に使用されます。電気分解の間に、水素が陰極で生成され、塩素（Cl2）アノードで。この場合塩クロリネーターとして電気分解の話があります.

塩素は水に溶けて次亜塩素酸と次亜塩素酸ナトリウムを生成します。次亜塩素酸と次亜塩素酸ナトリウムは水を殺菌する.

酸素供給として

水の電気分解は、国際宇宙ステーションで酸素を発生させるためにも使用され、それはステーション内の酸素雰囲気を維持するのに役立つ。.

水素は、燃料電池、エネルギーを貯蔵する方法、宇宙飛行士が消費するために電池内で発生した水を使用する方法で使用することができます。.

家庭実験

水電解実験は、ホフマン電圧計、または電気化学セルのすべての必要な要素を含むことを可能にする他のアセンブリを用いて実験室規模で行われてきた。.

考えられるすべてのアセンブリおよび機器の中で、最も単純なものはセルとして機能する大きな透明な水の容器です。これに加えて、あなたは電極として機能するために手元にどんな金属または導電性表面も持っているべきです。 1つは陰極用、もう1つは陽極用.

この目的のために、両端で鋭くされたグラファイトポイントを有する鉛筆でさえも有用であり得る。そして最後に、小さな電池とそれを即席の電極に接続するいくつかのケーブル.

透明な容器で行わなければ、気泡の形成は認められないでしょう。.

ホーム変数

水の電気分解は、代替エネルギー源を求める人々にとって興味深く希望のある多くの側面を含む主題ですが、家庭での実験は子供たちや他の観客を退屈させることができます。.

それ故、十分な電圧を印加してＨ形成を生じさせることができる。2 とO2 特定の変数を入れ替えてその変化に注目する.

1つ目は、酢を使って水を酸性にするか、Naを使って水のpHを変化させることです。2CO3 それを少しだけ基本にします。観察される気泡の量に変化が生じるはずです.

さらに、同じ実験を冷たいお湯でも繰り返すことができます。このようにして、反応に対する温度の影響が考慮されるであろう。.

最後に、データ収集を少し無色にするために、紫キャベツジュースの非常に希薄な溶液に頼ることができます。このジュースは天然由来の塩基性酸の指標です.

導入された電極と共にそれを容器に加えると、陰極では着色が黄色（塩基性）であるのに対して陽極では水がピンク色（酸）に変わることに気付くであろう。.

参考文献

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  2. チャップリンM.（2018年11月16日）。水の電気分解水の構造と科学取得元：1.lsbu.ac.uk
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  6. Xiang C.、M。Papadantonakisab K.、およびS. Lewis N.（2016）。水分解のための電気分解システムの原理と実施王立化学会.
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