Электролиз воды на аноде: Электролиз воды в промышленных генераторах водорода – Статьи компании «АГС»

Электролиз воды – схема процесса, реакция

4.4

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 245.

4.4

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 245.

Процесс электролиза – это окислительно-восстановительная реакция, возможная только под действием электричества. Электролиз протекает в расплавах и растворах. В лабораториях для получения чистых газов – водорода и кислорода – проводят электролиз воды.

Что такое электролиз

Для осуществления процесса электролиза в раствор или в расплав помещают два электрода, подключённых к противоположным полюсам источника тока. В качестве электродов чаще всего используется металл или графит, так как эти материалы пропускают электрический ток.

Рис. 1. Электролиты в растворе.

Под действием электричества электрод, подключенный к отрицательному полюсу, становится катодом, а электрод, соединённый с положительным полюсом, превращается в анод. Катод и анод притягивают противоположные ионы: к катоду направляются положительно заряженные катионы, к аноду – отрицательно заряженные анионы.

Катод является окислителем, на нём происходит процесс восстановления катионов. На аноде протекает процесс окисления: анод восстанавливает анионы и окисляется.

Процесс электролиза можно разделить на два этапа. Сначала происходит диссоциация – распад электролита (раствора или расплава) на ионы. Затем протекают реакции на электродах.

Электролиз воды

Если пропустить через воду электрический ток, жидкость начнёт диссоциироваться на составляющие молекулу воды атомы. В результате процесса электролиза воды получают кислород и водород. Однако в зависимости от природы электродов можно получить озон и перекись водорода.

Схема электролиза воды:

Или:

• анод:

  3H₂O → O₃ + 6e^– + 6H⁺;

• катод:

  O₂ + 2H₂O + 2e^– → H₂O₂ + 2OH^–.

Общее уравнение:

2H₂O → 2H₂ + O₂.

Рис. 2. Схема электролиза воды.

Вода – слабый электролит, поэтому электролиз чистой, дистиллированной воды протекает медленно или не идёт вовсе. Для ускорения процесса в воду добавляют сильный электролит, увеличивающий проводимость электрического тока.

Электролит выбирается так, чтобы исключить конкуренцию между катионами электролита и катионами воды (H⁺). В противном случае водород не будет произведён. Чтобы исключить конкуренцию, необходимо подобрать электролит, катионы которого будут иметь меньший электродный потенциал, чем H⁺ воды. На роль катиона электролита подходят:

• Li⁺;
• Rb⁺;
• K⁺;
• Cs⁺;
• Ba²⁺;
• Sr²⁺;
• Ca²⁺;
• Na⁺;
• Mg²⁺.

Для исключения конкуренции анионов, наоборот, подбирают электролит с анионами большего электродного потенциала, чем анион OH^– воды. В качестве такого электролита применяется щелочь для образования гидроксильного иона OH^–.

Рис. 3. Диссоциация щёлочи.

Для электролиза воды используются сильные щелочи: гидроксид калия (KOH) или натрия (NaOH). В некоторых случаях применяется сильная кислота, например, H₂SO₄.

Что мы узнали?

Электролиз – процесс образования и оседания на электродах ионов вещества под действием электрического тока. Вода разделяется на катионы водорода и анионы кислорода. Положительные катионы движутся к катоду, отрицательные анионы – к аноду. В некоторых случаях вода диссоциируется на озон и перекись водорода. Из-за низкой способности к диссоциации в воду добавляется сильный электролит, не мешающий образованию водорода и кислорода. Чаще всего добавляется щёлочь или сильная кислота.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Ирина Лысых

  5/5

• Олег Гаврюшкин

  5/5

• Induction System

  5/5

Оценка доклада

4. 4

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 245.

---

А какая ваша оценка?

Химики получили водород на катоде и аноде одновременно

Ученые из США и Китая разработали систему электролиза, в которой на аноде и катоде выделялся водород. При этом протекало две реакции: окисление природного альдегида и восстановление воды. Такая система позволила получать водород при низком напряжении в цепи и небольшом потреблении энергии. Исследование опубликовано в журнале Nature Catalysis.

95 процентов всего производимого водорода получают риформингом ископаемого топлива — дешевым, но вредным для окружающей среды процессом. В качестве альтернативы ученые долгое время предлагают электролиз воды, однако из-за высокого напряжения, требуемого для протекания реакции окисления, получать водород электролизом оказывается слишком дорого.

Еще одна проблема, из-за которой электролиз воды трудно применять в промышленности, заключается в следующем: в результате реакции на аноде выделяется водород, а на катоде — кислород, которые вместе дают очень взрывоопасную смесь. Из-за этого приходится разделять анодное и катодное пространства, а также тщательно контролировать состав получаемого газа. Кроме того, образующиеся в процессе радикальные частицы могут разрушать мембраны электролизера.

Химики под руководством Дуаня Сянфэня (Duan Xiangfeng) из Калифорнийского университета решили разработать метод электролитического получения водорода из дешевого органического исходного и воды. При этом их целью было провести электролиз при низком напряжении и без выделения побочных газообразных продуктов.

Химикам было известно, что альдегиды можно электрохимически окислять до карбоновых кислот в присутствии металлических катализаторов, при этом на поверхности металла адсорбируются атомы водорода, которые затем окисляются с образованием воды. Исходя из этого, авторы статьи предположили, что можно провести процесс, при котором адсорбированные атомы водорода будут объединяться с образованием молекулярного водорода, а не окисляться.

Для исследования реакции окисления химики выбрали альдегид гидроксиметилфурфураль — он встречается в природе и легко получается из сахаров. А в качестве катализатора ученые решили использовать металлическую медь с большой площадью поверхности, которую они предварительно получали электрохимическим восстановлением оксида меди Cu₂O. Ученым удалось установить, что при проведении реакции анодного окисления ток в цепи возникает уже при напряжении в 0,05 Вольт, а затем повышается, достигая максимума около 0,4 Вольт. Масс-спектрометрический анализ показал, что продукты реакции — газообразный водород и соответствующая карбоновая кислота.

Чтобы получить еще больше водорода, химики попробовали объединить процесс окисления альдегида на аноде и реакцию выделения водорода из воды на катоде. В качестве анода они использовали металлическую медь, а в качестве катода выбрали платину на угле. Реакция началась уже при напряжении менее 0,1 Вольта, а плотность тока достигла 100 миллиампер на квадратный сантиметр при напряжении 0,27 Вольта.

В результате химикам удалось разработать эффективный процесс получения водорода. Рассчитанный выход по току составил 100 процентов и для анодного, и для катодного процесса (то есть на каждый прошедший через цепь электрон выделялась одна молекула водорода). При одинаковой плотности тока новый процесс позволил получать в два раза больше водорода, чем классический электролиз воды, а потребление энергии оказалось меньше примерно в 14 раз.

Чтобы реакция выделения водорода из воды протекала быстрее, химики используют дорогие платиновые катализаторы. Но недавно им удалось применить для этой цели более дешевые золото-родиевые наночастицы. О необычной роли золота в этом процессе мы рассказывали несколько месяцев назад.

Михаил Бойм

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

23.9: Электролиз воды — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

53976

Поскольку ископаемое топливо становится все более дорогим и менее доступным, ученые ищут другие источники энергии. Водород долгое время считался идеальным источником, поскольку при горении он не загрязняет воздух. Проблема заключалась в том, чтобы найти способы экономичного производства водорода. Один из новых подходов, который изучается, — это фотоэлектролиз — производство электричества с использованием фотогальванических элементов для расщепления молекул воды. Этот метод все еще находится на стадии исследований, но, похоже, в будущем он станет очень многообещающим источником энергии.

Электролиз воды

При электролизе воды образуются газообразные водород и кислород. Электролитическая ячейка состоит из пары платиновых электродов, погруженных в воду, к которым добавлено небольшое количество электролита, такого как \(\ce{H_2SO_4}\). Электролит необходим, потому что чистая вода не несет достаточного заряда из-за отсутствия ионов. На аноде вода окисляется до газообразного кислорода и ионов водорода. На катоде вода восстанавливается до газообразного водорода и ионов гидроксида. 90_\text{cell} = -2,06 \: \text{V} \end{array}\nonumber \]

Чтобы получить общую реакцию, полуреакцию восстановления умножили на два, чтобы уравнять электроны. Ионы водорода и гидроксид-ионы, образующиеся в каждой реакции, объединяются, образуя воду. \(\ce{H_2SO_4}\) в реакции не расходуется.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Устройство для производства газообразного водорода и кислорода путем электролиза воды.

Сводка

---

Эта страница под названием 23.9: Электролиз воды распространяется под лицензией CK-12 и была создана, изменена и/или курирована Фондом CK-12 с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

ЛИЦЕНЗИЯ ПОД

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Фонд CK-12

   Лицензия

   СК-12

   Программа OER или Publisher

   СК-12

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. источник@https://flexbooks.ck12.org/cbook/ck-12-chemistry-flexbook-2.0/

Электролиз воды: определение и уравнение

• Уравнение
• Электролиз щелочной воды
• Часто задаваемые вопросы

Процесс разложения воды (H ₂ O) на водород (H ⁺ ) и гидроксид (ОН ^– ) ионов при пропускании через них электрического тока называется электролизом. Ионы движутся к противоположным электродам, высвобождая чистый водород (H ₂ ) и кислород (O ₂ ) газов. Это несамопроизвольная окислительно-восстановительная (окислительно-восстановительная) реакция. Поскольку тепло в виде электричества поступает в электролизер, это эндотермическая реакция ^[1-4] .

Чистая вода не проводит электричество и требует избыточной энергии для преодоления барьера активации. Поэтому электролиз проводят в присутствии кислоты для улучшения электропроводности за счет увеличения содержания ионов водорода (H ⁺ ) концентрация. Такими электролитами являются серная кислота (H ₂ SO ₄ ) и нитрат натрия (NaNO ₃ ).

Уравнение

Электролиз происходит в электролитической ячейке, состоящей из положительно заряженного анода и отрицательно заряженного катода, обычно из платины. Химическую реакцию электролиза воды можно разделить на две полуреакции, происходящие на катоде и аноде ^[1,2] .

Реакция восстановления происходит на катоде, когда ионы водорода приобретают электроны и превращаются в газообразный водород. Полуреакция выглядит следующим образом:

2 H ⁺ (водн.) + 2 e ^– → H ₂ (g)

Реакция окисления происходит, когда молекулы воды отдают электроны аноду и выделяют газообразный кислород на аноде. Половина реакции показана ниже.

2 H ₂ O (ж) → O ₂ (г) + 4 H ⁺ (водн. ) + 4 e ^–

Общая химическая реакция

2 Н ₂ О (л) + электрическая энергия → 2 H ₂ (г) + O ₂ (г)

Таким образом, реакция электролиза воды показывает выделение водорода и кислорода из воды. На два моля воды выделяется два моля водорода и один моль кислорода. Количество образующихся молей водорода в два раза превышает количество кислорода. Также заряды передаются между электродами и электролитом. На каждый моль водорода с катода в электролит переносится 2 электрона. На каждый моль кислорода из электролита на анод переносится 4 электрона.

Электролиз воды

Электролиз щелочной воды

Электролиз воды можно также проводить в щелочной среде. В этом случае полуреакции следующие [5]:

Катод (восстановление): 2 H ₂ O (ж) + 2e ^– → H ₂ (ж) + 2 OH ^– (водн.)

Анод (окисление): 4 OH ^– (водн.) → O ₂ (г) + 2 H ₂ O (л) + 4 e ^–

Объединение двух половин -реакции дает уравнение электролиза воды.