التحليل الكهربائي للماء: الإجراء ، التقنيات ، ما الغرض منه - كيمياء - 2025

في التحليل الكهربائي للماء هو التحلل من الماء إلى مكوناته عنصري من خلال تطبيق التيار الكهربائي. أثناء تقدمهم ، يتشكل الهيدروجين والأكسجين الجزيئي ، H ₂ و O ₂ ، على سطحين خاملين. يعرف هذان السطحان باسم الأقطاب الكهربائية.

من الناحية النظرية ، يجب أن يكون حجم H ₂ المتكون ضعف حجم O ₂. لماذا ا؟ لأن جزيء الماء يحتوي على نسبة H / O تساوي 2 ، أي 2 H لكل أكسجين. يتم التحقق من هذه العلاقة مباشرة بصيغتها الكيميائية ، H ₂ O. ومع ذلك ، تؤثر العديد من العوامل التجريبية على الأحجام التي تم الحصول عليها.

المصدر: Antti T. Nissinen عبر Flickr

إذا تم إجراء التحليل الكهربائي داخل أنابيب مغمورة في الماء (الصورة العلوية) ، فإن العمود السفلي من الماء يتوافق مع الهيدروجين ، نظرًا لوجود قدر أكبر من الغاز الذي يمارس الضغط على سطح السائل. تحيط الفقاعات بالأقطاب الكهربائية وتنتهي في الارتفاع بعد التغلب على ضغط بخار الماء.

لاحظ أن الأنابيب مفصولة عن بعضها البعض بحيث يكون هناك هجرة منخفضة للغازات من قطب كهربائي إلى آخر. في المستويات المنخفضة ، لا يمثل هذا خطرًا وشيكًا ؛ ولكن على المستويات الصناعية ، فإن الخليط الغازي من H ₂ و O ₂ خطير للغاية ومتفجر.

لهذا السبب ، فإن الخلايا الكهروكيميائية حيث يتم إجراء التحليل الكهربائي للماء باهظة الثمن ؛ انهم في حاجة الى تصميم والعناصر التي يضمن أن الغازات مزيج أبدا، وإمدادات مربحة الحالي، على تركيزات عالية من الأملاح، الأقطاب الكهربائية الخاصة (electrocatalysts)، وآليات لتخزين H ₂ إنتاجها.

تمثل المحفزات الكهربائية الاحتكاك وفي نفس الوقت أجنحة لربحية التحليل الكهربائي للماء. يتكون بعضها من أكاسيد المعادن النبيلة ، مثل البلاتين والإيريديوم ، والتي تكون أسعارها مرتفعة للغاية. في هذه المرحلة ، يتحد الباحثون بشكل خاص لتصميم أقطاب كهربائية فعالة ومستقرة ورخيصة.

سبب هذه الجهود هو تسريع تكوين O ₂ ، والذي يحدث بمعدلات أقل مقارنة بـ H ₂. يؤدي هذا التباطؤ بواسطة القطب حيث يتكون O ₂ كنتيجة عامة لتطبيق إمكانات أعلى بكثير من اللازم (الجهد الزائد) ؛ وهو ما يعادل أداء أقل ونفقات أعلى.

تفاعل التحليل الكهربائي

ينطوي التحليل الكهربائي للماء على العديد من الجوانب المعقدة. ومع ذلك ، بشكل عام ، يعتمد أساسها على رد فعل عالمي بسيط:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

كما هو موضح في المعادلة ، فإن جزيئين من الماء متورطان: يجب عادةً تقليل أحدهما أو اكتساب إلكترونات ، بينما يجب أن يتأكسد الآخر أو يفقد الإلكترونات.

H ₂ هو نتاج الحد من الماء، لأن المكسب من الإلكترونات يروج أن H ⁺ البروتونات يمكن أن تنضم تساهميا، وأن الأكسجين يتحول إلى OH ^-. لذلك ، يتم إنتاج H ₂ عند الكاثود ، وهو القطب الذي يحدث فيه الاختزال.

بينما يأتي O ₂ من أكسدة الماء ، مما يؤدي إلى فقدان الإلكترونات التي تسمح له بالارتباط بالهيدروجين ، وبالتالي يطلق H ⁺ البروتونات. يتم إنتاج O ₂ عند الأنود ، القطب الذي تحدث فيه الأكسدة ؛ وعلى عكس القطب الكهربائي الآخر ، فإن الأس الهيدروجيني حول القطب الموجب حمضي وليس قاعديًا.

تفاعلات نصف الخلية

يمكن تلخيص ذلك بالمعادلات الكيميائية التالية لتفاعلات نصف الخلية:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (كاثود ، أساسي)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4E ^- (الأنود، وحامض)

ومع ذلك ، لا يمكن أن يفقد الماء عددًا أكبر من الإلكترونات (4e ^-) من مكاسب جزيئات الماء الأخرى عند الكاثود (2e ^-) ؛ لذلك ، يجب ضرب المعادلة الأولى في 2 ، ثم طرحها بالمعادلة الثانية للحصول على المعادلة الصافية:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^-)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4E ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

لكن 4H ⁺ و 4OH ^- تشكل 4H ₂ O ، لذلك يزيلون أربعة من ستة جزيئات H ₂ O ، تاركين اثنين ؛ والنتيجة هي رد الفعل العالمي الذي أوجزناه للتو.

تتغير تفاعلات نصف الخلية مع قيم الأس الهيدروجيني ، والتقنيات ، ولها أيضًا إمكانات اختزال أو أكسدة مرتبطة بها ، والتي تحدد مقدار التيار الذي يجب توفيره لتحليل الماء بشكل تلقائي.

معالجة

المصدر: إيفان أكيرا ، من ويكيميديا ​​كومنز

يظهر الفولتميتر هوفمان في الصورة أعلاه. تمتلئ الأسطوانات بالماء والإلكتروليتات المختارة من خلال الفوهة الوسطى. يتمثل دور هذه الإلكتروليتات في زيادة توصيل الماء ، نظرًا لوجود عدد قليل جدًا من أيونات H ₃ O ⁺ و OH في ظل الظروف العادية ^{- وهي} منتجات التأين الذاتي.

عادة ما يتكون القطبان من البلاتين ، على الرغم من أنه تم استبدالهما في الصورة بأقطاب كربون. كلاهما متصلان بالبطارية ، حيث يتم تطبيق فرق الجهد (ΔV) الذي يعزز أكسدة الماء (تكوين O ₂).

تتحرك الإلكترونات في الدائرة بأكملها حتى تصل إلى القطب الآخر ، حيث يربحها الماء ويصبح H ₂ و OH ^-. في هذه المرحلة ، تم تحديد الأنود والكاثود بالفعل ، ويمكن تمييزهما بارتفاع أعمدة المياه ؛ واحد ذو أقل ارتفاع يتوافق مع الكاثود ، حيث يتكون H ₂.

في الجزء العلوي من الأسطوانات ، توجد مفاتيح تسمح بإطلاق الغازات المتولدة. يمكن التحقق من وجود H ₂ بعناية عن طريق تفاعله مع اللهب ، الذي ينتج عن احتراقه مياه غازية.

التقنيات

تختلف تقنيات التحليل الكهربائي للماء اعتمادًا على كمية H ₂ و O _{2 التي} سيتم توليدها. يعتبر كلا الغازين خطرين للغاية إذا تم مزجهما معًا ، ولهذا السبب تشتمل الخلايا الإلكتروليتية على تصميمات معقدة لتقليل زيادة الضغوط الغازية وانتشارها عبر الوسط المائي.

أيضًا ، تختلف التقنيات اعتمادًا على الخلية ، والإلكتروليت المضاف إلى الماء ، والأقطاب الكهربائية نفسها. من ناحية أخرى ، يشير البعض إلى أن التفاعل يتم في درجات حرارة أعلى ، مما يقلل من استهلاك الكهرباء ، والبعض الآخر يستخدم ضغوطًا هائلة للحفاظ على H ₂ مخزناً.

من بين جميع التقنيات ، يمكن ذكر الثلاثة التالية:

التحليل الكهربائي بالماء القلوي

يتم إجراء التحليل الكهربائي باستخدام المحاليل الأساسية للمعادن القلوية (KOH أو NaOH). مع هذه التقنية تحدث ردود الفعل:

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

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

كما يمكن رؤيته ، في كل من الكاثود والأنود ، يحتوي الماء على درجة حموضة أساسية ؛ وبالإضافة إلى ذلك ، فإن OH ^- تهاجر نحو الأنود حيث تتأكسد إلى O ₂.

التحليل الكهربائي بغشاء بوليمر كهربائيا

في هذه التقنية ، يتم استخدام بوليمر صلب يعمل كغشاء نافذ لـ H ⁺ ، ولكنه غير منفذ للغازات. هذا يضمن سلامة أكبر أثناء التحليل الكهربائي.

تفاعلات نصف الخلية لهذه الحالة هي:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

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

تهاجر أيونات H ⁺ من القطب الموجب إلى القطب السالب ، حيث يتم تقليلها لتصبح H ₂.

التحليل الكهربائي بالأكاسيد الصلبة

تختلف كثيرا عن غيرها من التقنيات، هذا واحد الاستخدامات أكاسيد كما الشوارد، والتي في درجات حرارة عالية وظيفة (600-900ºC) كوسيلة لنقل O ^2- أنيون.

ردود الفعل هي:

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

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

علما بأن هذه المرة هو الأنيونات أكسيد، O ^2- ، أن السفر إلى القطب الموجب.

ما الغرض من التحليل الكهربائي للماء؟

ينتج عن التحليل الكهربائي للماء H ₂ (g) و O ₂ (g). يتم إنتاج ما يقرب من 5٪ من غاز الهيدروجين المنتج في العالم من خلال التحليل الكهربائي للماء.

H ₂ هو منتج ثانوي للتحليل الكهربائي لمحاليل NaCl المائية. يسهل وجود الملح التحليل الكهربائي عن طريق زيادة التوصيل الكهربائي للماء.

رد الفعل العام الذي يحدث هو:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + 2NaOH

لفهم الأهمية الكبيرة لهذا التفاعل ، سيتم ذكر بعض استخدامات المنتجات الغازية ؛ لأنه في نهاية اليوم ، هذه هي التي تقود تطوير طرق جديدة لتحقيق التحليل الكهربائي للمياه بطريقة أكثر كفاءة وصديقة للبيئة.

من بينها جميعًا ، أكثر ما هو مرغوب فيه هو العمل كخلايا تحل بنشاط محل استخدام الوقود الأحفوري المحترق.

إنتاج الهيدروجين واستخداماته

- يمكن استخدام الهيدروجين المنتج في التحليل الكهربائي في الصناعة الكيميائية التي تعمل في تفاعلات الإدمان أو في عمليات الهدرجة أو كعامل اختزال في عمليات الاختزال.

- كما أنه ضروري في بعض الأعمال ذات الأهمية التجارية ، مثل: إنتاج حمض الهيدروكلوريك ، بيروكسيد الهيدروجين ، هيدروكسيل أمين ، إلخ. يشارك في تصنيع الأمونيا من خلال تفاعل تحفيزي مع النيتروجين.

- بالاقتران مع الأكسجين ، ينتج لهبًا يحتوي على نسبة عالية من السعرات الحرارية ، مع درجات حرارة تتراوح بين 3000 و 3500 كلفن ، ويمكن استخدام درجات الحرارة هذه للقطع واللحام في صناعة المعادن ، ونمو البلورات الاصطناعية ، وإنتاج الكوارتز ، إلخ..

- معالجة المياه: يمكن تقليل محتوى النترات المرتفع بشكل مفرط في الماء عن طريق التخلص منه في المفاعلات الحيوية ، حيث تستخدم البكتيريا الهيدروجين كمصدر للطاقة

- يشارك الهيدروجين في تصنيع البلاستيك والبوليستر والنايلون. بالإضافة إلى ذلك ، فهو جزء من إنتاج الزجاج ، مما يزيد من الاحتراق أثناء الخبز.

- يتفاعل مع أكاسيد وكلوريد العديد من المعادن منها: الفضة والنحاس والرصاص والبزموت والزئبق لإنتاج معادن نقية.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدامه كوقود في التحليل الكروماتوغرافي مع كاشف اللهب.

كطريقة تصحيح

يستخدم التحليل الكهربائي لمحاليل كلوريد الصوديوم لتنقية مياه حمامات السباحة. أثناء التحليل الكهربائي ، ينتج الهيدروجين عند الكاثود والكلور (Cl ₂) عند الأنود. يشار إلى التحليل الكهربائي في هذه الحالة على أنه ملح الكلور.

الكلور يذوب في الماء ليشكل حمض هيبوكلوروس وهيبوكلوريت الصوديوم. حمض هيبوكلوروس وهيبوكلوريت الصوديوم يعقمان الماء.

كمصدر للأكسجين

يستخدم التحليل الكهربائي للماء أيضًا لتوليد الأكسجين في محطة الفضاء الدولية ، والذي يعمل على الحفاظ على جو الأكسجين في المحطة.

يمكن استخدام الهيدروجين في خلية وقود ، وهي طريقة لتخزين الطاقة ، واستخدام الماء المتولد في الخلية لاستهلاك رواد الفضاء.

تجربة المنزل

تم إجراء تجارب التحليل الكهربي للماء في موازين معملية باستخدام مقاييس هوفمان الفولتميترية ، أو أي مجموعة أخرى تسمح باحتواء جميع العناصر الضرورية لخلية كهروكيميائية.

من بين جميع التركيبات والمعدات الممكنة ، قد يكون أبسطها حاوية مياه شفافة كبيرة ، والتي ستكون بمثابة خلية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون أي سطح معدني أو موصل كهربائيًا في متناول اليد أيضًا ليعمل كأقطاب كهربائية ؛ واحد للكاثود والآخر للأنود.

لهذا الغرض ، يمكن أن تكون أقلام الرصاص ذات الأطراف الجرافيتية الحادة مفيدة لهذا الغرض. وأخيرًا بطارية صغيرة وبعض الكابلات التي تربطها بأقطاب كهربائية مرتجلة.

إذا لم يتم تنفيذها في حاوية شفافة ، فلن يكون تكوين الفقاعات الغازية موضع تقدير.

متغيرات المنزل

على الرغم من أن التحليل الكهربائي للماء هو موضوع يحتوي على العديد من الجوانب المثيرة للاهتمام والمليئة بالأمل لمن يبحثون عن مصادر طاقة بديلة ، إلا أن التجربة المنزلية قد تكون مملة للأطفال وغيرهم من المتفرجين.

لذلك ، يمكن تطبيق جهد كافي لتوليد تكوين H ₂ و O _{2 عن طريق} تبديل متغيرات معينة وملاحظة التغييرات.

الأول هو تباين الأس الهيدروجيني للماء ، إما باستخدام الخل لتحمض الماء ، أو Na ₂ CO ₃ لتثبيته قليلاً. يجب أن يحدث تغيير في عدد الفقاعات التي تمت ملاحظتها.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تكرار نفس التجربة بالماء الساخن والبارد. بهذه الطريقة ، يمكن بعد ذلك التفكير في تأثير درجة الحرارة على التفاعل.

أخيرًا ، لجعل عملية جمع البيانات أقل عديمة اللون ، يمكنك استخدام محلول مخفف جدًا من عصير الملفوف الأرجواني. هذا العصير هو مؤشر حمضي من أصل طبيعي.

عند إضافته إلى الحاوية مع الأقطاب الكهربائية التي تم إدخالها ، سوف يلاحظ أن الماء سيتحول إلى اللون الوردي عند القطب الموجب ، بينما في القطب السالب ، سيكون اللون أصفر (أساسي).

المراجع

1. ويكيبيديا. (2018). التحليل الكهربائي للماء. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
2. ^ شابلن م (16 نوفمبر 2018). التحليل الكهربائي للماء. هيكل المياه والعلوم. تم الاسترجاع من: 1.lsbu.ac.uk
3. كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة. (سادس). إنتاج الهيدروجين: التحليل الكهربائي. تم الاسترجاع من: energy.gov
4. Phys.org. (14 فبراير 2018). محفز عالي الكفاءة ومنخفض التكلفة للتحليل الكهربائي للمياه. تم الاسترجاع من: phys.org
5. الكيمياء LibreTexts. (18 يونيو 2015). التحليل الكهربائي للماء. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
6. Xiang C. و M. Papadantonakisab K. و S. Lewis N. (2016). مبادئ وتطبيقات أنظمة التحليل الكهربائي لشطر الماء. الجمعية الملكية للكيمياء.
7. حكام جامعة مينيسوتا. (2018). التحليل الكهربائي للمياه 2. جامعة مينيسوتا. تم الاسترجاع من: chem.umn.edu