ELEKTROLYSE VON WASSER: VERFAHREN, TECHNIKEN, WOFÜR ES IST - CHEMIE - 2025

Die Elektrolyse von Wasser ist die Zersetzung von Wasser in seine elementaren Bestandteile durch Anlegen eines elektrischen Stroms. Während sie fortschreiten, werden Wasserstoff und molekularer Sauerstoff, H ₂ und O ₂ , auf zwei inerten Oberflächen gebildet . Diese beiden Oberflächen sind besser unter dem Namen Elektroden bekannt.

Theoretisch sollte das Volumen des gebildeten H ₂ doppelt so groß sein wie das Volumen von O ₂ . Warum? Da das Wassermolekül ein H / O-Verhältnis von 2 hat, dh zwei H für jeden Sauerstoff. Diese Beziehung wird direkt mit der chemischen Formel H ₂ O verifiziert. Viele experimentelle Faktoren beeinflussen jedoch die erhaltenen Volumina.

Quelle: Antti T. Nissinen über Flickr

Wenn die Elektrolyse in in Wasser getauchten Rohren durchgeführt wird (oberes Bild), entspricht die untere Wassersäule Wasserstoff, da eine größere Menge an Gas Druck auf die Oberfläche der Flüssigkeit ausübt. Die Blasen umgeben die Elektroden und steigen nach Überwindung des Dampfdrucks des Wassers auf.

Es ist zu beachten, dass die Röhren so voneinander getrennt sind, dass nur eine geringe Migration von Gasen von einer Elektrode zur anderen stattfindet. Bei niedrigen Maßstäben stellt dies kein unmittelbares Risiko dar; Im industriellen Maßstab ist das gasförmige Gemisch aus H ₂ und O ₂ jedoch sehr gefährlich und explosiv.

Aus diesem Grund sind die elektrochemischen Zellen, in denen die Elektrolyse von Wasser durchgeführt wird, sehr teuer; Sie benötigen ein Design und Elemente, die gewährleisten, dass sich Gase niemals vermischen, eine rentable Stromversorgung, hohe Elektrolytkonzentrationen, spezielle Elektroden (Elektrokatalysatoren) und Mechanismen zur Speicherung des erzeugten H ₂ .

Elektrokatalysatoren repräsentieren Reibung und gleichzeitig Flügel für die Rentabilität der Wasserelektrolyse. Einige bestehen aus Edelmetalloxiden wie Platin und Iridium, deren Preise sehr hoch sind. Gerade an diesem Punkt arbeiten Forscher zusammen, um effiziente, stabile und billige Elektroden zu entwickeln.

Der Grund für diese Bemühungen besteht darin, die Bildung von O ₂ zu beschleunigen , die im Vergleich zu H ₂ mit geringeren Raten auftritt . Diese Verlangsamung durch die Elektrode, an der O ₂ gebildet wird, führt in der Regel dazu, dass ein Potential angelegt wird, das viel höher als nötig ist (Überpotential); Das entspricht einer geringeren Leistung und höheren Kosten.

Elektrolysereaktion

Die Elektrolyse von Wasser beinhaltet viele komplexe Aspekte. Im Allgemeinen beruht seine Grundlage jedoch auf einer einfachen globalen Reaktion:

2H ₂ O (1) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Wie in der Gleichung zu sehen ist, sind zwei Wassermoleküle beteiligt: ​​eines muss normalerweise reduziert werden oder Elektronen gewinnen, während das andere Elektronen oxidieren oder verlieren muss.

H ₂ ist ein Produkt der Reduktion von Wasser, weil der Elektronengewinn fördert, dass sich die H ⁺ -Protonen kovalent verbinden können und der Sauerstoff in OH ^{- umgewandelt wird} . Daher wird H ₂ an der Kathode erzeugt, die die Elektrode ist, an der die Reduktion auftritt.

Während O ₂ aus der Oxidation von Wasser stammt, verliert es die Elektronen, die es ihm ermöglichen, sich an Wasserstoff zu binden, und setzt folglich H ⁺ -Protonen frei . O ₂ wird an der Anode erzeugt, der Elektrode, an der Oxidation auftritt; Und im Gegensatz zur anderen Elektrode ist der pH-Wert um die Anode sauer und nicht basisch.

Halbzellreaktionen

Dies kann mit den folgenden chemischen Gleichungen für Halbzellreaktionen zusammengefasst werden:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Kathode, basisch)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (Anode, Säure)

Wasser kann jedoch nicht mehr Elektronen (4e ^- ) verlieren als das andere Wassermolekül an der Kathode (2e ^- ); Daher muss die erste Gleichung mit 2 multipliziert und dann mit der zweiten Gleichung subtrahiert werden, um die Nettogleichung zu erhalten:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- )

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Aber 4H ⁺ und 4OH ^- bilden 4H ₂ O, so dass sie vier der sechs H ₂ O- Moleküle eliminieren und zwei übrig lassen; und das Ergebnis ist die gerade skizzierte globale Reaktion.

Halbzellreaktionen ändern sich mit pH-Werten, Techniken und haben auch Reduktions- oder Oxidationspotentiale, die bestimmen, wie viel Strom zugeführt werden muss, damit die Elektrolyse von Wasser spontan abläuft.

Prozess

Quelle: Ivan Akira, aus Wikimedia Commons

Ein Hoffman-Voltameter ist im obigen Bild gezeigt. Die Zylinder werden durch die mittlere Düse mit Wasser und den ausgewählten Elektrolyten gefüllt. Die Rolle dieser Elektrolyte besteht darin, die Leitfähigkeit des Wassers zu erhöhen, da unter normalen Bedingungen nur sehr wenige H ₃ O ^{+ -} und OH- Ionen vorhanden sind ^- Produkte ihrer Selbstionisation.

Die beiden Elektroden bestehen normalerweise aus Platin, obwohl sie im Bild durch Kohlenstoffelektroden ersetzt wurden. Beide sind an eine Batterie angeschlossen, mit der eine Potentialdifferenz (ΔV) angelegt wird, die die Oxidation von Wasser fördert (Bildung von O ₂ ).

Die Elektronen wandern durch den gesamten Kreislauf, bis sie die andere Elektrode erreichen, wo das Wasser sie für sich gewinnt und zu H ₂ und OH ^{- wird} . Zu diesem Zeitpunkt wurden bereits Anode und Kathode definiert, die sich durch die Höhe der Wassersäulen unterscheiden lassen. die mit der niedrigsten Höhe entspricht der Kathode, in der H ₂ gebildet wird .

Im oberen Teil der Zylinder befinden sich Schlüssel, mit denen die erzeugten Gase freigesetzt werden können. Das Vorhandensein von H ₂ kann sorgfältig überprüft werden, indem es mit einer Flamme umgesetzt wird, deren Verbrennung gasförmiges Wasser erzeugt.

Techniken

Wasserelektrolysetechniken variieren in Abhängigkeit von der Menge an zu erzeugendem H ₂ und O ₂ . Beide Gase sind sehr gefährlich, wenn sie miteinander vermischt werden, weshalb Elektrolysezellen komplexe Konstruktionen aufweisen, um den Anstieg des Gasdrucks und ihre Diffusion durch das wässrige Medium zu minimieren.

Die Techniken variieren auch in Abhängigkeit von der Zelle, dem dem Wasser zugesetzten Elektrolyten und den Elektroden selbst. Andererseits implizieren einige, dass die Reaktion bei höheren Temperaturen durchgeführt wird, wodurch der Stromverbrauch verringert wird, und andere verwenden enorme Drücke, um das H _{2 zu} speichern.

Unter allen Techniken können die folgenden drei erwähnt werden:

Elektrolyse mit alkalischem Wasser

Die Elektrolyse wird mit basischen Lösungen der Alkalimetalle (KOH oder NaOH) durchgeführt. Bei dieser Technik treten folgende Reaktionen auf:

4H ₂ O (1) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 4OH ^- (aq)

4OH ^- (aq) => O ₂ (g) + 2H ₂ O (1) + 4e ^-

Wie zu sehen ist, hat Wasser sowohl an der Kathode als auch an der Anode einen basischen pH; und zusätzlich wandern die OH ^- zur Anode, wo sie zu O ₂ oxidiert werden .

Elektrolyse mit Polymerelektrolytmembran

Bei dieser Technik wird ein festes Polymer verwendet, das als Membran dient, die für H ⁺ durchlässig , für Gase jedoch undurchlässig ist. Dies sorgt für mehr Sicherheit bei der Elektrolyse.

Die Halbzellreaktionen für diesen Fall sind:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

H ⁺ -Ionen wandern von der Anode zur Kathode, wo sie zu H ₂ reduziert werden .

Elektrolyse mit festen Oxiden

Ganz anders als bei den anderen Techniken werden Oxide als Elektrolyte verwendet, die bei hohen Temperaturen (600-900 ° C) als Transportmedium für das O ² -Anion fungieren .

Die Reaktionen sind:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Beachten Sie, dass diesmal die Oxidanionen O ^2- zur Anode wandern.

Wofür ist die Elektrolyse von Wasser?

Die Elektrolyse von Wasser erzeugt H ₂ (g) und O ₂ (g). Ungefähr 5% des weltweit erzeugten Wasserstoffgases wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt.

H ₂ ist ein Nebenprodukt der Elektrolyse von wässrigen NaCl-Lösungen. Das Vorhandensein von Salz erleichtert die Elektrolyse durch Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers.

Die Gesamtreaktion, die stattfindet, ist:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

Um die enorme Bedeutung dieser Reaktion zu verstehen, werden einige der Verwendungen gasförmiger Produkte erwähnt. Denn letztendlich sind dies diejenigen, die die Entwicklung neuer Methoden vorantreiben, um die Elektrolyse von Wasser effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten.

Von allen ist es am erwünschtesten, als Zellen zu fungieren, die die Verwendung brennender fossiler Brennstoffe energetisch ersetzen.

Wasserstoffproduktion und ihre Verwendung

Bei der Elektrolyse erzeugter Wasserstoff kann in der chemischen Industrie bei Suchtreaktionen, bei Hydrierungsprozessen oder als Reduktionsmittel bei Reduktionsprozessen eingesetzt werden.

-Es ist auch wichtig für einige Aktionen von kommerzieller Bedeutung, wie zum Beispiel: die Herstellung von Salzsäure, Wasserstoffperoxid, Hydroxylaminen usw. Es ist an der Synthese von Ammoniak durch eine katalytische Reaktion mit Stickstoff beteiligt.

- In Kombination mit Sauerstoff entstehen Flammen mit einem hohen Kaloriengehalt bei Temperaturen zwischen 3.000 und 3.500 K. Diese Temperaturen können zum Schneiden und Schweißen in der Metallindustrie, zum Wachstum von synthetischen Kristallen, zur Quarzherstellung usw. verwendet werden. .

-Wasserbehandlung: Ein zu hoher Nitratgehalt im Wasser kann durch die Eliminierung in Bioreaktoren, in denen Bakterien Wasserstoff als Energiequelle verwenden, verringert werden

-Wasserstoff ist an der Synthese von Kunststoffen, Polyester und Nylon beteiligt. Darüber hinaus ist es Teil der Glasherstellung und erhöht die Verbrennung beim Backen.

- Reagiert mit den Oxiden und Chloriden vieler Metalle, darunter Silber, Kupfer, Blei, Wismut und Quecksilber, um reine Metalle herzustellen.

-Und zusätzlich wird es als Brennstoff bei der chromatographischen Analyse mit einem Flammenmelder verwendet.

Als Debugging-Methode

Die Elektrolyse von Natriumchloridlösungen dient zur Reinigung von Schwimmbadwasser. Während der Elektrolyse wird Wasserstoff an der Kathode und Chlor (Cl ₂ ) an der Anode erzeugt. Die Elektrolyse wird in diesem Fall als Salzchlorierer bezeichnet.

Chlor löst sich in Wasser unter Bildung von Hypochlorsäure und Natriumhypochlorit. Hypochlorsäure und Natriumhypochlorit sterilisieren Wasser.

Als Sauerstoffversorgung

Die Elektrolyse von Wasser wird auch zur Erzeugung von Sauerstoff auf der Internationalen Raumstation verwendet, die dazu dient, eine Sauerstoffatmosphäre an der Station aufrechtzuerhalten.

Wasserstoff kann in einer Brennstoffzelle verwendet werden, einer Methode zur Speicherung von Energie, und das in der Zelle erzeugte Wasser für den Verbrauch durch Astronauten verwenden.

Heimversuch

Wasserelektrolyseexperimente wurden im Labormaßstab mit Hoffman-Voltmetern oder einer anderen Anordnung durchgeführt, die es ermöglicht, alle notwendigen Elemente einer elektrochemischen Zelle aufzunehmen.

Von allen möglichen Baugruppen und Geräten kann der einfachste ein großer transparenter Wasserbehälter sein, der als Zelle dient. Darüber hinaus muss jede metallische oder elektrisch leitende Oberfläche vorhanden sein, um als Elektroden zu fungieren. eine für die Kathode und die andere für die Anode.

Zu diesem Zweck können auch Stifte mit scharfen Graphitspitzen an beiden Enden nützlich sein. Und schließlich eine kleine Batterie und einige Kabel, die sie mit den improvisierten Elektroden verbinden.

Wenn dies nicht in einem transparenten Behälter durchgeführt wird, wäre die Bildung von Gasblasen nicht erwünscht.

Home-Variablen

Obwohl die Elektrolyse von Wasser ein Thema ist, das viele interessante und hoffnungsvolle Aspekte für diejenigen enthält, die nach alternativen Energiequellen suchen, kann das Heimversuch für Kinder und andere Zuschauer langweilig sein.

Daher kann eine ausreichende Spannung angelegt werden, um die Bildung von H ₂ und O ₂ zu erzeugen, _indem bestimmte Variablen gewechselt und die Änderungen notiert werden.

Die erste ist die Variation des pH-Werts des Wassers, wobei entweder Essig verwendet wird, um das Wasser anzusäuern , oder Na ₂ CO _3, um es leicht zu basisieren. Eine Änderung der Anzahl der beobachteten Blasen muss auftreten.

Zusätzlich könnte das gleiche Experiment mit heißem und kaltem Wasser wiederholt werden. Auf diese Weise würde dann der Einfluss der Temperatur auf die Reaktion in Betracht gezogen.

Um die Datenerfassung etwas weniger farblos zu machen, können Sie eine sehr verdünnte Lösung von Purpurkohlsaft verwenden. Dieser Saft ist ein Säure-Base-Indikator natürlichen Ursprungs.

Wenn Sie es mit den eingesetzten Elektroden in den Behälter geben, wird festgestellt, dass das Wasser an der Anode rosa (sauer) wird, während an der Kathode die Farbe gelb (basisch) ist.

Verweise

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