- Reacció d'electròlisi
- Reaccions de semiceldas
- procediment
- tècniques
- Electròlisi amb aigua alcalina
- Electròlisi amb membrana electrolítica de polímer
- Electròlisi amb òxids sòlids
- Per a què serveix l'electròlisi de l'aigua?
- Producció d'hidrogen i els seus usos
- Com a mètode de depuració
- Com subministrament d'oxigen
- experiment casolà
- variables casolanes
- referències
La electròlisi de l'aigua és la descomposició de l'aigua en els seus components elementals mitjançant l'aplicació d'un corrent elèctric. A l'procedir-se, es formen sobre dues superfícies inerts hidrogen i oxigen molecular, H 2 i O 2. Aquestes dues superfícies són més conegudes pel nom d'elèctrodes.
Teòricament, el volum d'H 2 format ha de ser el doble que el volum d'O 2. Per què? Perquè la molècula d'aigua té una proporció H / O igual a 2, és a dir, dos H per cada oxigen. Aquesta relació es comprova directament amb la seva fórmula química, H 2 O. No obstant això, molts factors experimentals influeixen sobre els volums obtinguts.
Font: Antti T. Nissinen via Flickr
Si l'electròlisi es realitza dins d'uns tubs submergits en aigua (imatge superior), la columna d'aigua de menor altura correspon a l'hidrogen, ja que hi ha més quantitat de gas exercint pressió sobre la superfície de el líquid. Les bombolles envolten els elèctrodes i acaben ascendint després de vèncer la pressió de vapor d'aigua.
Cal notar que els tubs es troben separats un de l'altre de tal manera que hi hagi una baixa migració dels gasos d'un elèctrode a l'altre. A baixes escales, això no representa un risc imminent; però a escales industrials, la barreja gasosa d'H 2 i O 2 és altament perillosa i explosiva.
Per aquesta raó, les cel·les electroquímiques on es realitza l'electròlisi de l'aigua són molt costoses; necessiten d'un disseny i elements que garanteixin que els gasos mai es barregin, un subministrament de corrent rendible, altes concentracions d'electròlits, elèctrodes especials (electrocatalitzadors), i mecanismes per emmagatzemar l'H 2 produït.
Els electrocatalitzadors representen la fricció i a el mateix temps les ales per a la rendibilitat de l'electròlisi de l'aigua. Alguns consisteixen d'òxids de metalls nobles, com platí i iridi, els preus són molt elevats. És en aquest punt especialment on els investigadors uneixen forces per al disseny d'elèctrodes eficients, estables i barats.
El motiu d'aquests esforços és accelerar la formació d'O 2, el qual es dóna a velocitats menors en comparació a l'H 2. Aquest alentiment per part de l'elèctrode on es forma l'O 2 porta com a conseqüència general l'aplicació d'un potencial molt més gran a l'necessari (sobrepotencial); el que és igual, a un menor rendiment i majors despeses.
Reacció d'electròlisi
L'electròlisi de l'aigua involucra molts aspectes complexos. No obstant això, en termes generals, la seva base descansa en una simple reacció global:
2H 2 O (l) => 2H 2 (g) + O 2 (g)
Tal com s'observa en l'equació, intervenen dues molècules d'aigua: una d'ordinari ha de reduir-se, o guanyar electrons, mentre que l'altra ha de oxidar o perdre electrons.
L'H 2 és producte de la reducció de l'aigua, a causa de que el guany d'electrons promou que els protons H + puguin unir-se covalentment, i que l'oxigen es transformi en OH -. Per tant, l'H 2 es produeix al càtode, el qual és l'elèctrode on ocorre la reducció.
Mentre que el O 2 prové de l'oxidació de l'aigua, a causa que perd els electrons que li permeten enllaçar-se a l'hidrogen, i en conseqüència allibera protons H +. El O 2 es produeix a l'ànode, elèctrode on ocorre l'oxidació; ia diferència de l'altre elèctrode, el pH al voltant de l'ànode és àcid i no bàsic.
Reaccions de semiceldas
L'anterior pot resumir amb les següents equacions químiques per a les reaccions de semiceldas:
2H 2 O + 2e - => H 2 + 2OH - (Càtode, bàsic)
2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e - (Ànode, àcid)
No obstant això, l'aigua no pot perdre més electrons (4e -) dels que guanya l'altra molècula d'aigua al càtode (2e -); per tant, la primera equació ha de multiplicar per 2, i després sostreure amb la segona equació per obtenir l'equació neta:
2 (2H 2 O + 2e - => H 2 + 2OH -)
2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e -
6H 2 O => 2H 2 + O 2 + 4H + + 4OH -
Però 4H + i 4OH - formen 4H 2 O, de manera que aquests eliminen quatre de les sis molècules d'H 2 O quedant dos; i el resultat és la reacció global recentment plantejada.
Les reaccions de semiceldas canvien amb els valors de pH, les tècniques, ia més tenen associats potencials de reducció o oxidació, els quals determinen quanta corrent necessita subministrar perquè l'electròlisi de l'aigua procedent espontàniament.
procediment
Font: Ivan Akira, from Wikimedia Commons
A la imatge superior es mostren un Voltàmetre d'Hoffman. Per el filtre de l'mig s'omplen els cilindres amb aigua i els electròlits seleccionats. El paper d'aquests electròlits és augmentar la conductivitat de l'aigua, pel fet que en condicions normals hi ha molt pocs ions H 3 O + i OH - productes del seu acte ionització.
Els dos elèctrodes solen ser de platí, encara que en la imatge es van substituir per elèctrodes de carboni. Tots dos es connecten a una bateria, amb la qual s'aplica una diferència de potencial (ΔV) que promou l'oxidació de l'aigua (formació d'O 2).
Els electrons recorren tot el circuit fins arribar a l'altre elèctrode, on l'aigua els guanya i es converteix en H 2 i OH -. En aquest punt ja es tenen definits l'ànode i el càtode, els quals poden diferenciar-se per l'altura de les columnes d'aigua; la de menor altura, correspon a l'càtode, on es forma l'H 2.
A la part superior dels cilindres, hi ha unes claus que permeten alliberar els gasos generats. Es pot comprovar, acuradament, la presència d'H 2 fent-ho reaccionar amb una flama, la combustió produeix aigua gasosa.
tècniques
Les tècniques d'electròlisi de l'aigua varien en funció de la quantitat d'H 2 i O 2 que es planteja generar. Tots dos gasos són molt perillosos si es barregen junts, i per això les cel·les electrolítiques comporten dissenys complexos per reduir a l'mínim l'augment de les pressions gasoses i la seva difusió pel mitjà aquós.
Així mateix, les tècniques oscil·len depenent de la cel·la, de l'electròlit afegit a l'aigua, i dels propis elèctrodes. D'altra banda, algunes impliquen que la reacció es realitzi a temperatures més altes, disminuint el consum d'electricitat, i altres l'ús enormes pressions per mantenir l'H 2 emmagatzemat.
Entre totes les tècniques, es poden esmentar les següents 3:
Electròlisi amb aigua alcalina
L'electròlisi es porta a terme amb solucions bàsiques dels metalls alcalins (KOH o NaOH). Amb aquesta tècnica tenen lloc les reaccions:
4H 2 O (l) + 4e - => 2H 2 (g) + 4OH - (ac)
4OH - (ac) => O 2 (g) + 2H 2 O (l) + 4e -
Com pot observar-se, tant en el càtode com en l'ànode, l'aigua té un pH bàsic; ia més, els OH - migren cap a l'ànode on s'oxiden a O 2.
Electròlisi amb membrana electrolítica de polímer
En aquesta tècnica s'utilitza un polímer sòlid que serveix com a membrana permeable per als H +, però impermeable per als gasos. Això garanteix una major seguretat durant l'electròlisi.
Les reaccions de semiceldas per aquest cas són:
4H + (ac) + 4e - => 2H 2 (g)
2H 2 O (l) => O 2 (g) + 4H + (ac) + 4e -
Els ions H + migren des del ànode cap al càtode, on es redueixen per convertir-se en H 2.
Electròlisi amb òxids sòlids
Molt diferent a les altres tècniques, aquesta empra òxids com electròlits, els quals a altes temperatures (600-900ºC) funcionen com a mitjà de transport de l'anió O 2-.
Les reaccions són:
2H 2 O (g) + 4e - => 2H 2 (g) + 2O 2
2O 2- => O 2 (g) + 4e -
Cal notar que aquesta vegada són els anions òxids, O 2-, els que viatgen fins l'ànode.
Per a què serveix l'electròlisi de l'aigua?
L'electròlisi de l'aigua produeix H 2 (g) i O 2 (g). Aproximadament, el 5% de el gas hidrogen produït en el món es realitza mitjançant l'electròlisi de l'aigua.
L'H 2 és un subproducte de l'electròlisi de les dissolucions aquoses de NaCl. La presència de la sal facilita l'electròlisi a l'augmentar la conductivitat elèctrica de l'aigua.
La reacció global que té lloc és:
2NaCl + 2H 2 O => Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Per comprendre l'enorme importància d'aquesta reacció, s'esmentaran alguns dels usos dels productes gasosos; perquè a la fi de compte, són aquests els que impulsen el desenvolupament de nous mètodes per aconseguir l'electròlisi de l'aigua de manera més eficient i verd.
De tots ells, el més anhelat és el de fungir com cel·les que reemplacin energèticament l'ús de la crema de combustibles fòssils.
Producció d'hidrogen i els seus usos
-El hidrogen produït en l'electròlisi es pot usar en la indústria química actuant en reaccions d'addicció, en processos d'hidrogenació o com un agent reductor en processos de reducció.
-Així mateix, és imprescindible en algunes accions d'importància comercial, com ara: la producció d'àcid clorhídric, peròxid d'hidrogen, hidroxilaminas, etc. Intervé en la síntesi d'amoníac mitjançant una reacció catalítica amb el nitrogen.
-En combinació amb l'oxigen, produeix flames amb un alt contingut calòric, amb temperatures que oscil·len entre 3.000 i 3.500 K. Aquestes temperatures poden utilitzar-se per talls i soldadures en la indústria de l'metall, per creixements de vidres sintètics, producció de quars, etc.
-Tractament d'aigües: els continguts massa elevats de nitrats en aigua poden reduir-se per la seva eliminació en bioreactors, en els quals els bacteris fan servir l'hidrogen com a font d'energia
-El hidrogen intervé en la síntesi de plàstics, de el polièster i el niló. A més, forma part de la producció de l'vidre, augmentant la combustió durant la seva enfornat.
-Reacciona amb els òxids i clorur de molts metalls, entre ells: la plata, el coure, el plom, el bismut i el mercuri per produir els metalls purs.
-I addicionalment, s'usa com a combustible al les anàlisis cromatogràfiques amb un detector de flama.
Com a mètode de depuració
S'usa l'electròlisi de dissolucions de clorur de sodi per a la depuració d'l'aigua de les piscines. Durant l'electròlisi es produeix hidrogen en el càtode i clor (Cl 2) en l'ànode. Es parla de l'electròlisi en aquest cas com un clorador salí.
El clor es dissol en l'aigua formant àcid hipoclorós i hipoclorit de sodi. L'àcid hipoclorós i l'hipoclorit de sodi esterilitzen l'aigua.
Com subministrament d'oxigen
L'electròlisi de l'aigua s'utilitza també per generar oxigen a l'Estació Espacial Internacional, la qual serveix per mantenir una atmosfera d'oxigen a l'estació.
L'hidrogen es pot utilitzar en una cèl·lula combustible, mètode per emmagatzemar energia, i usar l'aigua que es genera en la cèl·lula per al consum dels astronautes.
experiment casolà
Experiments d'electròlisi d'aigua s'han dut a terme a escales de laboratori amb voltámetros d'Hoffman, o un altre muntatge que permeti contenir tots els elements necessaris d'una cel·la electroquímica.
De tots els muntatges i equips possibles, el més simple pot ser un recipient d'aigua gran transparent, el qual servirà com a cel·la. Sumat a aquest, també s'ha de tenir a la mà qualsevol metall o superfície conductora de l'electricitat perquè funcioni com elèctrodes; un per al càtode, i l'altre per l'ànode.
Per a aquesta fi fins i tot uns llapis amb les puntes de grafit afilades en ambdós extrems poden ser útils. I finalment, una bateria petita i uns cables que la connectin amb els elèctrodes improvisats.
De no realitzar-se en un recipient transparent, no es podria apreciar la formació de les bombolles gasoses.
variables casolanes
Encara que l'electròlisi de l'aigua és un tema que tanca molts aspectes intrigants i esperançadors per als que busquen fonts d'energia alternatives, l'experiment casolà pot resultar avorrit davant els nens i altres espectadors.
Per tant, es pot aplicar el voltatge suficient per generar la formació d'H 2 i O 2 alternant certes variables i anotant els canvis.
La primera d'elles és la variació de l'pH de l'aigua, utilitzant ja sigui vinagre per acidificar l'aigua, o Na 2 CO 3 per basificarla lleugerament. Ha de passar un canvi en la quantitat de bombolles observades.
Addicionalment, el mateix experiment pogués repetir-se amb aigua freda i calenta. D'aquesta manera es contemplaria llavors l'efecte de l'temperatura sobre la reacció.
Finalment, per fer la presa de dades una mica menys incolora, es pot recórrer a una solució molt diluïda de suc de col morada. Aquest suc és un indicador àcid base de procedència natural.
Afegint a l'recipient amb els elèctrodes introduïts, es notarà que a l'ànode l'aigua es tornarà rosada (àcid), mentre que en el càtode, la coloració serà groga (bàsic).
referències
- Wikipedia. (2018). Electrolysis of water. Recuperat de: en.wikipedia.org
- Chaplin M. (16 de novembre del 2018). Electrolysis of water. Water structure and science. Recuperat de: 1.lsbu.ac.uk
- Energy Efficiency & Renewable Energy. (Sf). Hydrogen production: electrolysis. Recuperat de: energy.gov
- Phys.org. (14 de febrer del 2018). High-efficiency, low-cost catalyst for water electrolysis. Recuperat de: phys.org
- Chemistry LibreTexts. (18 de juny de 2015). Electrolysis of water. Recuperat de: chem.libretexts.org
- Xiang C., M. Papadantonakisab K., and S. Lewis N. (2016). Principles and implementations of electrolysis systems for water splitting. The Royal Society of Chemistry.
- Regents of the University of Minnesota. (2018). Electrolysis of Water 2. Universitat de Minnesota. Recuperat de: chem.umn.edu