ELEKTROLISIS AIR: PROSEDUR, TEKNIK, UNTUK APA - KIMIA - 2025

The elektrolisis air adalah penguraian air ke dalam komponen unsurnya dengan menggunakan arus elektrik. Semasa mereka meneruskan, hidrogen dan oksigen molekul, H ₂ dan O ₂ , terbentuk pada dua permukaan lengai . Kedua permukaan ini lebih dikenali dengan nama elektrod.

Secara teorinya, isipadu H _{2 yang} terbentuk mestilah dua kali ganda jumlah O ₂ . Kenapa? Kerana molekul air mempunyai nisbah H / O sama dengan 2, iaitu dua H untuk setiap oksigen. Hubungan ini disahkan secara langsung dengan formula kimianya, H ₂ O. Walau bagaimanapun, banyak faktor eksperimen mempengaruhi jumlah yang diperoleh.

Sumber: Antti T. Nissinen melalui Flickr

Sekiranya elektrolisis dilakukan di dalam tiub yang direndam dalam air (gambar atas), tiang bawah air sepadan dengan hidrogen, kerana terdapat sejumlah besar gas yang memberikan tekanan pada permukaan cairan. Gelembung mengelilingi elektrod dan akhirnya naik setelah mengatasi tekanan wap air.

Perhatikan bahawa tiub dipisahkan antara satu sama lain sedemikian rupa sehingga terdapat migrasi gas yang rendah dari satu elektrod ke elektrod yang lain. Pada skala rendah, ini tidak menunjukkan risiko yang akan berlaku; tetapi pada skala industri, campuran gas H ₂ dan O ₂ sangat berbahaya dan mudah meletup.

Atas sebab ini, sel elektrokimia di mana elektrolisis air dijalankan sangat mahal; Mereka memerlukan reka bentuk dan unsur-unsur yang menjamin bahawa gas tidak pernah bergaul, bekalan menguntungkan semasa, kepekatan tinggi elektrolit, elektrod khas (electrocatalysts), dan mekanisme untuk menyimpan H ₂ dihasilkan.

Elektrokatalis mewakili geseran dan pada masa yang sama sayap untuk keuntungan elektrolisis air. Sebilangannya terdiri daripada oksida logam mulia, seperti platinum dan iridium, yang harganya sangat tinggi. Pada ketika inilah para penyelidik bergabung untuk merancang elektrod yang cekap, stabil dan murah.

Sebab untuk usaha-usaha ini adalah untuk mempercepatkan pembentukan O ₂ , yang berlaku pada kadar yang lebih rendah berbanding dengan H ₂ . Ini melambatkan oleh elektrod di mana O ₂ terbentuk membawa akibat umum penerapan potensi jauh lebih tinggi daripada yang diperlukan (berpotensi berlebihan); yang sama, dengan prestasi yang lebih rendah dan perbelanjaan yang lebih tinggi.

Tindak balas elektrolisis

Elektrolisis air melibatkan banyak aspek yang kompleks. Walau bagaimanapun, secara umum, asasnya bergantung pada reaksi global yang sederhana:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Seperti yang dilihat dalam persamaan, dua molekul air terlibat: satu biasanya mesti dikurangkan, atau memperoleh elektron, sementara yang lain mesti mengoksidasi atau kehilangan elektron.

H ₂ adalah produk hasil pengurangan air, kerana keuntungan elektron menggalakkan bahawa H ⁺ proton boleh mengikat kovalen, dan bahawa oksigen itu berubah menjadi OH ^- . Oleh itu, H ₂ dihasilkan di katod, yang merupakan elektrod di mana pengurangan berlaku.

Sementara O ₂ berasal dari pengoksidaan air, kerana kehilangan elektron yang memungkinkannya mengikat hidrogen, dan seterusnya membebaskan proton H ⁺ . O ₂ dihasilkan di anod, elektrod di mana pengoksidaan berlaku; Dan tidak seperti elektrod lain, pH di sekitar anod adalah berasid dan tidak asas.

Tindak balas separuh sel

Ini dapat diringkaskan dengan persamaan kimia berikut untuk tindak balas separuh sel:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Katod, asas)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (Anod, asid)

Walau bagaimanapun, air tidak boleh kehilangan lebih banyak elektron (4e ^- ) daripada kenaikan molekul air yang lain di katod (2e ^- ); oleh itu, persamaan pertama mesti dikalikan dengan 2, dan kemudian dikurangkan dengan persamaan kedua untuk mendapatkan persamaan bersih:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Tetapi 4H ⁺ dan 4OH ^- membentuk 4H ₂ O, sehingga mereka menghilangkan empat dari enam molekul H ₂ O , meninggalkan dua; dan hasilnya adalah reaksi global yang digariskan.

Reaksi separuh sel berubah dengan nilai pH, teknik, dan juga mempunyai potensi pengurangan atau pengoksidaan, yang menentukan berapa banyak arus yang perlu dibekalkan agar elektrolisis air dapat berjalan secara spontan.

Proses

Sumber: Ivan Akira, dari Wikimedia Commons

Voltameter Hoffman ditunjukkan dalam gambar di atas. Silinder diisi dengan air dan elektrolit terpilih melalui muncung tengah. Peranan elektrolit ini adalah untuk meningkatkan kekonduksian air, kerana dalam keadaan biasa terdapat sedikit H ₃ O ⁺ dan OH ion ^- produk baru yang mereka pengionan diri.

Kedua-dua elektrod biasanya terbuat dari platinum, walaupun pada gambarnya ia digantikan oleh elektrod karbon. Kedua-duanya disambungkan ke bateri, dengan perbezaan potensial (ΔV) digunakan yang mendorong pengoksidaan air (pembentukan O ₂ ).

Elektron bergerak ke seluruh litar sehingga mereka mencapai elektrod lain, di mana air memenangkannya dan menjadi H ₂ dan OH ^- . Pada titik ini, anod dan katod telah ditentukan, yang dapat dibezakan dengan ketinggian lajur air; satu dengan ketinggian terendah sepadan dengan katod, di mana H ₂ terbentuk .

Di bahagian atas silinder, terdapat kunci yang membolehkan gas yang dihasilkan dilepaskan. Kehadiran H ₂ boleh disemak dengan teliti dengan bertindak balas dengan api, pembakaran yang menghasilkan air gas.

Teknik

Teknik elektrolisis air berbeza-beza bergantung pada jumlah H ₂ dan O _{2 yang} akan dihasilkan. Kedua-dua gas sangat berbahaya jika dicampurkan bersama, oleh sebab itu sel elektrolitik melibatkan reka bentuk yang kompleks untuk meminimumkan peningkatan tekanan gas dan penyebarannya melalui medium berair.

Teknik juga berbeza bergantung pada sel, elektrolit yang ditambahkan ke dalam air, dan elektrod itu sendiri. Sebaliknya, ada yang menunjukkan bahawa reaksi dilakukan pada suhu yang lebih tinggi, mengurangkan penggunaan elektrik, dan yang lain menggunakan tekanan yang sangat besar untuk menjaga H ₂ disimpan.

Di antara semua teknik, tiga perkara berikut dapat disebutkan:

Elektrolisis dengan air alkali

Elektrolisis dilakukan dengan penyelesaian asas logam alkali (KOH atau NaOH). Dengan teknik ini reaksi berlaku:

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

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

Seperti yang dapat dilihat, di katod dan di anod, air mempunyai pH asas; dan sebagai tambahan, OH ^- berhijrah ke anoda di mana mereka teroksidasi menjadi O ₂ .

Elektrolisis dengan membran elektrolit polimer

Dalam teknik ini polimer padat digunakan yang berfungsi sebagai membran yang telap untuk H ⁺ , tetapi tidak dapat ditembusi untuk gas. Ini memastikan keselamatan yang lebih tinggi semasa elektrolisis.

Reaksi separuh sel untuk kes ini adalah:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

H ⁺ ion berhijrah dari anod ke katod, di mana mereka dikurangkan menjadi H ₂ .

Elektrolisis dengan oksida pepejal

Sangat berbeza dengan teknik lain, yang satu ini menggunakan oksida sebagai elektrolit, yang pada suhu tinggi (600-900ºC) berfungsi sebagai alat mengangkut anion O ^2- .

Reaksinya adalah:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Perhatikan bahawa kali ini adalah anion oksida, O ^2- , yang bergerak ke anod.

Untuk apa elektrolisis air?

Elektrolisis air menghasilkan H ₂ (g) dan O ₂ (g). Kira-kira 5% gas hidrogen yang dihasilkan di dunia dihasilkan melalui elektrolisis air.

H ₂ adalah hasil sampingan elektrolisis larutan NaCl berair. Kehadiran garam memudahkan elektrolisis dengan meningkatkan kekonduksian elektrik air.

Reaksi keseluruhan yang berlaku adalah:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Untuk memahami betapa pentingnya tindak balas ini, beberapa penggunaan produk gas akan dinyatakan; Kerana pada akhirnya, inilah yang mendorong pengembangan kaedah baru untuk mencapai elektrolisis air dengan cara yang lebih efisien dan hijau.

Dari semua itu, yang paling diinginkan adalah berfungsi sebagai sel yang menggantikan tenaga penggunaan bahan bakar fosil dengan penuh semangat.

Pengeluaran hidrogen dan kegunaannya

-Hidrogen yang dihasilkan dalam elektrolisis dapat digunakan dalam industri kimia yang bertindak dalam reaksi ketagihan, dalam proses hidrogenasi atau sebagai agen pengurangan dalam proses pengurangan.

-Ini juga penting dalam beberapa tindakan kepentingan komersial, seperti: penghasilan asid hidroklorik, hidrogen peroksida, hidroksiamin, dll. Ia terlibat dalam sintesis ammonia melalui tindak balas pemangkin dengan nitrogen.

-Dalam kombinasi dengan oksigen, ia menghasilkan api dengan kandungan kalori tinggi, dengan suhu antara 3.000 hingga 3.500 K. Suhu ini dapat digunakan untuk memotong dan mengimpal dalam industri logam, untuk pertumbuhan kristal sintetik, pengeluaran kuarza, dll. .

-Rawatan air: kandungan nitrat yang terlalu tinggi di dalam air dapat dikurangkan dengan penghapusan bioreaktor, di mana bakteria menggunakan hidrogen sebagai sumber tenaga

-Hidrogen terlibat dalam sintesis plastik, poliester dan nilon. Di samping itu, ia adalah sebahagian daripada pengeluaran kaca, meningkatkan pembakaran semasa memanggang.

-Bereaksi dengan oksida dan klorida daripada banyak logam, antaranya: perak, tembaga, plumbum, bismut dan merkuri untuk menghasilkan logam tulen.

-Dan tambahan, ia digunakan sebagai bahan bakar dalam analisis kromatografi dengan alat pengesan nyalaan.

Sebagai kaedah penyahpepijatan

Elektrolisis larutan natrium klorida digunakan untuk pemurnian air kolam renang. Semasa elektrolisis, hidrogen dihasilkan di katod dan klorin (Cl ₂ ) di anod. Elektrolisis disebut dalam kes ini sebagai klorinator garam.

Klorin larut dalam air untuk membentuk asid hipoklorik dan natrium hipoklorit. Asid hipoklorus dan natrium hipoklorit mensterilkan air.

Sebagai bekalan oksigen

Elektrolisis air juga digunakan untuk menghasilkan oksigen di Stesen Angkasa Antarabangsa, yang berfungsi untuk menjaga suasana oksigen di stesen tersebut.

Hidrogen dapat digunakan dalam sel bahan bakar, metode menyimpan tenaga, dan menggunakan air yang dihasilkan di dalam sel untuk dimakan oleh angkasawan.

Eksperimen rumah

Eksperimen elektrolisis air telah dilakukan pada skala makmal dengan voltmeters Hoffman, atau pemasangan lain yang memungkinkan untuk memuat semua elemen yang diperlukan dari sel elektrokimia.

Dari semua kemungkinan pemasangan dan peralatan, yang paling mudah ialah bekas air lutsinar yang besar, yang akan berfungsi sebagai sel. Di samping itu, permukaan logam atau elektrik yang konduktif juga mesti digunakan untuk berfungsi sebagai elektrod; satu untuk katod, dan yang lain untuk anod.

Untuk tujuan ini, pensil dengan petua grafit tajam di kedua hujungnya boleh berguna. Dan akhirnya, bateri kecil dan beberapa kabel yang menghubungkannya ke elektrod improvisasi.

Sekiranya tidak dilakukan dalam bekas lutsinar, pembentukan gelembung gas tidak akan dihargai.

Pemboleh ubah rumah

Walaupun elektrolisis air adalah subjek yang mengandungi banyak aspek menarik dan harapan bagi mereka yang mencari sumber tenaga alternatif, percubaan di rumah boleh membosankan bagi anak-anak dan penonton lain.

Oleh itu, voltan yang mencukupi dapat diaplikasikan untuk menghasilkan pembentukan H ₂ dan O _{2 dengan} mengganti pemboleh ubah tertentu dan memperhatikan perubahannya.

Yang pertama adalah variasi pH air, menggunakan cuka untuk mengasidkan air, atau Na ₂ CO ₃ untuk sedikit mendasarinya. Perubahan bilangan gelembung yang diperhatikan mesti berlaku.

Selain itu, eksperimen yang sama dapat diulang dengan air panas dan sejuk. Dengan cara ini, kesan suhu pada tindak balas akan dipertimbangkan.

Akhirnya, untuk menjadikan pengumpulan data menjadi tidak berwarna, anda boleh menggunakan jus kubis ungu yang sangat cair. Jus ini adalah penunjuk asid-asas asal semula jadi.

Menambahnya ke bekas dengan elektrod dimasukkan, akan diperhatikan bahawa di anoda air akan berubah menjadi merah jambu (asid), sementara di katod, warnanya akan menjadi kuning (asas).

Rujukan

1. Wikipedia. (2018). Elektrolisis air. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16 November 2018). Elektrolisis air. Struktur dan sains air. Dipulihkan dari: 1.lsbu.ac.uk
3. Kecekapan Tenaga & Tenaga Boleh Diperbaharui. (sf). Pengeluaran hidrogen: elektrolisis. Dipulihkan dari: energy.gov
4. Phys.org. (14 Februari 2018). Pemangkin kecekapan tinggi dan kos rendah untuk elektrolisis air. Dipulihkan dari: phys.org
5. LibreTexts Kimia. (18 Jun 2015). Elektrolisis air. Dipulihkan dari: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K., dan S. Lewis N. (2016). Prinsip dan pelaksanaan sistem elektrolisis untuk pemisahan air. Persatuan Kimia Diraja.
7. Pemangku Raja Universiti Minnesota. (2018). Elektrolisis Air 2. Universiti Minnesota. Dipulihkan dari: chem.umn.edu