تم تحديد التركيب الكيميائي للمياه لأول مرة من قبل الكيميائي الفرنسي لافوازييه في عام 1784. اكتشف لافوازييه، مع المهندس العسكري مونييه، بتمرير بخار الماء على صفيحة حديدية ساخنة، أن الماء يتحلل، ويطلق الهيدروجين والأكسجين. نعم، بالطبع، في وقتهم، في عصر "ترتيب الأشياء"، كانت هذه الاستنتاجات أهمية عظيمة. في الواقع، قبل هذا الاكتشاف، كان الماء يعتبر تماما مادة متجانسة. ومع ذلك، من المستحيل عدم ملاحظة شيء آخر: لقد لعب هذا الاكتشاف أيضًا دوره الواضح تمامًا. دور سلبيحيث أنها صرفت انتباه العلماء الآخرين عن البحث في هذا المجال لفترة طويلة ورسخت العصمة في أذهان العديد من الأجيال هذا الاستنتاجعلاوة على ذلك، مكرسة بسلطة العالم.
لكن الظروف التي تم تنفيذها فيها كانت منقوصة للغاية، وكانت "قذرة".
فقط فكر في وجود الحديد الذي يمر فوقه بخار الماء. يمكنه إدخال لحظات في التجربة يصعب أخذها في الاعتبار مسبقًا. سجل لافوازييه وشريكه في تجربتهما ما كان أكثر وضوحًا: إطلاق غازين - الهيدروجين والأكسجين، وما هو أبعد من ذلك، لم ينتبهوا لذلك على الإطلاق، على الأرجح لسبب أن هذا "بالإضافة" لم يكن الأمر واضحًا مثل إطلاق غازين.
وبما أن الرأي العام السائد في العلم قبل هذا الاكتشاف هو أن الماء مادة متجانسة، فإن حقيقة اكتشاف تركيبتها غير المتجانسة يمكن أن تسمى ثورية. ماذا يمكن للمرء أن يطلب أكثر من المكتشفين! علاوة على ذلك، فإن وضوح نتائج التجربة كان آسرًا للغاية.
تم التخلص من النظرة القديمة للمياه واستبدالها بفكرة جديدة عن الماء كمزيج من عنصرين - الهيدروجين والأكسجين، والتي سرعان ما رسخت نفسها في العلوم. وقد تم تسهيل ذلك بشكل كبير من خلال التطوير الكيمياء الكهربائية.
التحليل الكهربائي وفقا لديفي
أجرى عدد من العلماء (نيكلسون وكافنديش وغيرهما) تجربة على الكهروكيميائيةتقسيمالماء (تعريف مماثل هذه العمليةمخطئ تماما). من خلال كلمة "التحلل" يجب أن نفهم التحليل الكهربائي للماء باعتباره عملية الأكسدة والاختزال المعقدة، ولكن ليس بأي حال من الأحوال تحلل بسيط للمياه إلى العناصر المكونة له.
لذلك، أثناء التحلل، أي. أثناء التحليل الكهربائي للمياه، تم إطلاق الهيدروجين والأكسجين، والذي يبدو أنه يؤكد خارجيا استنتاج لافوازييه. لكن في الوقت نفسه، بدأ "الصندوق الأسود" فجأة بتقديم معلومات إضافية لم تكن موجودة من قبل. أثناء عملية التحليل الكهربائي، تم اكتشاف ظاهرتين غريبتين: أولاً، تم إطلاق كلا مكوني الماء ليس معًا، ولكن بشكل منفصل عن بعضهما البعض - الأكسجين في أحد القطبين، والهيدروجين في القطب الآخر؛ ثانيا، لوحظ تكوين الحمض عند قطب الأكسجين والقلويات عند قطب الهيدروجين. هذاتحلل "غريب" لمياه أوزادعدد العلماء؛ علاوة على ذلك، كانوا أكثر قلقا بشأن "الغرابة" الثانية، أي. ظهور الأحماض والقلويات.
والحقيقة أنه عندما مرت عبر الماء التيار الكهربائيتم إطلاق الهيدروجين والأكسجين، وهو ما يناسب العلماء جيدًا، لأنه يبدو أنه يؤكد الرأي السائد بالفعل حول تكوين الماء. مسألة كيفية فصل هذه المكونات، تحت أي ظروف مصاحبة، على الرغم من احتلالها العلماء من ذلكالوقت، ولكن ليس إلى هذا الحد: تم توجيه انتباههم بشكل أساسي إلى الثاني "غرابة"، لأنها يلقي بظلال من الشك على صيغة الماء المكتشفة.يطرح السؤال حتمًا حول أسباب تكوين الأحماض والقلويات أثناء التحليل الكهربائي للماء.
تولى الكيميائي الإنجليزي المتميز حل هذا اللغز. همفري ديفي(1778-1829). وبدا ديفي، من خلال سلسلة من التجارب، وكأنه يؤكد الحقيقة التي افترضها جميع العلماء في ذلك الوقت وهي أن تكوين الأحماض والقلويات أثناء التحليل الكهربائي للماء هو ظاهرة عشوائية، لا علاقة لها بالمياه نفسها، التي تتكون كما تم تحديدها. لافوازييه من الهيدروجين والأكسجين. ولكن كيف تمكن ديفي من "إثبات" ذلك؟
أجرى ديفي تجارب عديدة على "تحلل" الماء المنقى بعناية بالكهرباء في أوعية مختلفة: العقيق، والزجاج، والمصنوعة من الفلورسبار، وكبريتات الباريت، وغيرها، بهدف تقليل تأثير مادة الوعاء على نتائج التجارب. . وفي جميع التجارب دون استثناء أثناء التحليل الكهربائي للماء، حصل على حمض قوي عند الأنود وقلوي عند الكاثود. لقد ربط هذا بحقيقة ذلك ماء نقيولا تزال تتحلل جزئيًا مادة الأوعية، مما كان سببًا في تكوين الأحماض والقلويات. ومع ذلك، كانت إحدى النتائج المهمة للتجارب هي أن كمية الأحماض والقلويات المتكونة عند الأقطاب الكهربائية كانت تعتمد بشكل مباشر على مدة التجارب، أي: كلما طالت مدة التجارب، زاد تكوين الأحماض والقلويات وأصبح تركيزها أقوى. .
في تجارب ديفي على التحليل الكهربائي لمختلف المحاليل الملحية، تم الحصول على صورة مماثلة: عند الأنود، يتكون الحمض مع إطلاق الأكسجين، وفي الكاثود، يتم تشكيل القلويات مع إطلاق الهيدروجين أو الأمونيا النقية. وكان ينبغي لهذه العمليات نفسها أن تدفع، عن طريق القياس، إلى استخلاص استنتاجات بشأن القوانين العامة المتعلقة بعملية التحليل الكهربائي.
ومن المعروف أنه أثناء التحليل الكهربائي مواد مختلفةعند الأقطاب الكهربائيةتحدث عمليات الأكسدة والاختزال، ولكن ليس التحلل البسيط للمواد. علاوة على ذلك، فقط في حالة وجود عملية الأكسدة والاختزال يمكن أن يحدث التحليل الكهربائي نفسه.
في هذه الحالة، يحدث تفاعل الأكسدة عند أحد القطبين، وتفاعل الاختزال في القطب الآخر. ولذلك سيكون
الخطأ الأكبر
يعتبر التحليل الكهربائي عملية بسيطة لتحلل المواد إلى العناصر المكونة لها، سواء كانت ماء أو ملح أو حمض. تحدث الأكسدة في أحد القطبين مع الاختزال المتزامن في القطب الآخر، والعكس صحيح. هذه الأحكام هي جوهر قدس الأقداس للعمليات الكهروكيميائية، وتتفق تماما مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية. في الواقع، إذا أخذنا أمثلة على التحليل الكهربائي للأملاح، فمن السهل أن نرى حدوث تفاعل اختزال عند الأنود مع إطلاق الأكسجين (كان منتج هذا التفاعل، المتراكم عند الأنود، في جميع الحالات نوعًا من الحمض ). حدث تفاعل أكسدة عند الكاثود مع إطلاق الهيدروجين أو المعدن (كان منتج هذا التفاعل، المتراكم في الكاثود، دائمًا نوعًا من القلويات).
وقد يبدو من الطبيعي أن يمتد نفس النمط إلى الماء: الماء كمادة كيميائية تمتلك في كثير من النواحي الخصائص الحمضية، من حيث المبدأ لا يمكن أن يخدم فيها في هذه الحالةاستثناء ويتفكك ببساطة، مثل بعض المخاليط الميكانيكية، إلى الأجزاء المكونة له حيث تخضع جميع المواد الأخرى لعمليات الأكسدة والاختزال المعقدة. لذلك، يمكن للمرء أن يتوقع مسبقًا تكوين الأحماض والقلويات في الأقطاب الكهربائية المقابلة أثناء التحليل الكهربائي للماء. السؤال الوحيد هو - أي حمض وأي قلوي؟
ولكن هذا هو على الاطلاق شيء واضحتحولت بعيدا. لم يكن مسموحًا لها بالتفكير فيها أو أنها ببساطةمهمل. علاوة على ذلك، لم يتم ذلك من قبل بعض الهواة، بل من قبل المحترفين فئة عالية. بالنسبة لهم، يبدو أن حقيقة أن الماء يتكون من عنصرين - الهيدروجين والأكسجين، أصبح نوعا من رمز الإيمان، وهو نوع من "البقرة المقدسة"، وقد وجهوا كل قدراتهم الرائعة على وجه التحديد للتأكيد هذه الحقيقةولكن ليس على الإطلاق للتحقق من حقيقتها. يبدو أن حقيقة إطلاق كلا الغازين أثناء التحليل الكهربائي، على الرغم من وجود أقطاب كهربائية مختلفة، تؤكد هذا الاعتقاد، حتى على عكس جميع قوانين التحليل الكهربائي والديناميكا الحرارية. في الوقت نفسه، لم يشعر أحد بالحرج على الإطلاق من إمكانية تقسيم الماء بسهولة إلى الأجزاء المكونة له، مثل قطعتين من الخشب الملصقتين سقطتا في الماء.
ومن أجل تجنب أي آثار جانبية، أجرى ديفي سلسلة من التجارب في أوعية ذهبية تحتوي على مياه نقية جيدًا. وعلى مدى أربعة عشر ساعة، استمرت خلالها التجربة، زادت كمية الحمض في وعاء الأنود باستمرار. اكتشف ديفي أن خصائصه لا تختلف عننتروجين
الأحماض,والتي تشكلت بنفس الطريقة تمامًا في التجارب التي أجراها سابقًا في الأوعية الزجاجية. في وعاء الكاثود، تم تشكيل القلويات المتطايرة، والتي وصلت كميةها قريبا إلى حد معين. اكتشفت خاصية الأمونيا (نه 3).
كرر ديفي تجربته واستمر بها دون انقطاع لمدة ثلاثة أيام. وبحلول نهاية هذا الوقت، كما يشهد هو نفسه، تحلل الماء الموجود في الأوعية وتبخر إلى أكثر من نصف حجمه الأصلي.الحجم الأولي. ونتيجة لذلك، تم تشكيل حمض النيتريك القوي في وعاء الأنود، في حين ظلت كمية القلويات تقريبًا عند نفس المستوى كما في التجربة السابقة. يعتقد ديفي أن هذا الأخير كان بسبب تبخره المستمر.
مياه ديفي "تحت التعذيب"
هل كان كل شيء حقًا نقيًا وجيدًا تمامًا في تجارب ديفي؟ دعونا نفكر في تجربة ديفي حول التحليل الكهربائي للماء تحت جرس مضخة الهواء. لماذا في هذه التجربة لم تتشكل سوى كمية صغيرة من الحمض في وعاء الأنود ولم يتم اكتشاف أي قلويات على الإطلاق في وعاء الكاثود؟ هل كان الأمر حقًا، كما اعتقد ديفي، بسبب نقص الهواء الذي يتم ضخه من تحت الجرس؟ جزئيًا، نعم، ولكن بمعنى مختلف تمامًا عما توقعه. في البداية، ارتكب ديفي خطأً فادحًا في افتراضه الأولي بأن تكوين الأحماض والقلويات كان سببهكان نيتروجين الهواء. لا يمكن أن يكون لتكوين الأحماض والقلويات أي علاقة بنيتروجين الهواء لسبب بسيط وهو وجود النيتروجين الظروف العاديةوهو غير نشط كيميائيا ولا يذوب في الماء ولا يتفاعل مع الأكسجين أو الهيدروجين. هذه الحقيقة وحدها يجب أن تدفع إلى البحث عن مصادر أخرى لتكوين الأحماض والقلويات. ومع ذلك، فقد اقترح لاحقًا أن تكوين الأحماض والقلويات في التجارب ربما يكون ناجمًا عن وجود كمية معينة من أملاح الأمونيوم في الهواء. واكتفينا بهذا التوضيح. ومع ذلك، فمن الصعب أن نأخذ هذا التفسير على محمل الجد، لأنه أولاً تم تقديمه بعد وقوع الحدث، و ثانيًا، حتى لو كانت هناك كمية معينة من هذه الأملاح موجودة بالفعل، فيجب أن تكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن أن تحتوي على تكوين ثابت ومنتظم للحمض والقلويات في كل تجربة، والتي كانت كميتها، كما ذكرنا، فقط في الاعتماد المباشر على مدة التجارب.
ومع ذلك، الشيء الرئيسي ليس هذا، ولكن ما حدث بالضبط في التجارب تحت الجرس ولماذا، على عكس الظروف العادية، تم تشكيل كمية صغيرة فقط من الحمض هناك ولم يكن هناك قلوي على الإطلاق. دعونا نفكر أولاً في التأثير المحتمل للجو المخلخل للغاية على نتائج التجربة. من المعروف أنه في الغلاف الجوي المخلخل، يحدث إطلاق سريع للغازات المذابة فيه من السوائل وتتسارع عملية التبخر بشكل كبير، وتؤثر الأخيرة أولاً على المواد الأكثر تقلبًا، ثم المواد الأقل تقلبًا. من الطبيعي أن نفترض أنه في تجارب ديفي في جو مخلخل للغاية، بدأت في المقام الأول عملية إطلاق القلويات المتطايرة من المحلول، وهذا جزئيًا سبب عدم اكتشافها في وعاء الكاثود. ثم، منذ درجة الحرارةعندما بدأ حمض النيتريك في الغناء تحت درجة غليان الماء، بدأ حمض النيتريك المتكون في وعاء الأنود أيضًا في التبخر جزئيًا.
ومع ذلك، فإن الآثار الجانبية على مسار التجربة لم تقتصر على هذا. نظرًا لأنه يتم إطلاق الأكسجين والهيدروجين أثناء التحليل الكهربائي للماء، ويكون حجم الهيدروجين المنطلق أكبر سبع مرات من حجم الأكسجين، فإن هذه الغازات، وقبل كل شيء، الهيدروجين، لا يمكن إلا أن يكون لها تأثير على مسار التجربة . إذا كان في ظل الظروف العادية، أي. ليس تحت الجرس، فقد تبخر كل من الأمونيا والهيدروجين المتكونين أثناء التجربة ولم يؤثرا على نتيجة التجربة، ثم تحت الجرس تجمعت هذه المواد في مكان ضيق. في هذه الحالة، يمكن أن تتفاعل الأمونيا جزئيًا مع حمض النيتريك الناتج، مما يؤدي إلى تحييد جزء منه. بالإضافة إلى ذلك، وربما يكون هذا هو الشيء الأكثر أهمية، فإن الهيدروجين كعامل اختزال قوي، يتم جمعه بكميات كبيرة تحت الجرس، يؤثر بلا شك على مسار التفاعل بأكمله، مما يعطي النتائج التي سجلها ديفي كنتائج نهائية.
رسم توضيحي لتخفيض عمل الهيدروجين.
هإذا أخذت قطبين كهربائيين، أحدهما عبارة عن صفيحة فضية مصقولة، والآخر عبارة عن إبرة خياطة عادية، فضعهما تحت الجرس، وقم بتمرير تيار كهربائي في هواء مخلخل للغاية بحيث التفريغ الكهربائييتم تمريرها من طرف الإبرة إلى اللوحة المصقولة، ثم مقابل طرف الإبرة، ستتغير اللوحة بشكل ملحوظ - سوف تتأكسد وتتلاشى، وكلما زاد طول التيار الكهربائي. إذا تم استبدال الهواء بعد ذلك بالهيدروجين المخلخل، فكل الأشياء الأخرى متساوية وغير متغيرة، فإن مرور التيار الإضافي سيؤدي إلى حقيقة أن الأكسيد الموجود على اللوحة سوف ينفصل تدريجياً، وسيتم استعادة التلميع في الغالب.يصبح، وهو ما يوضح بشكل جيد خصائص الحد من الهيدروجين.
فيمثال آخر هو من مجال الطبيعة الحية. أجرى كلود برنارد التجربة التالية: قام بخلط حجم واحد من الهواء مع حجمين من الهيدروجين ووضع البذور في هذا الجو. في ظل جميع الظروف المواتية الأخرى (الرطوبة والحرارة وما إلى ذلك)، لم يحدث إنبات البذور، على الرغم من أن توتر الأكسجين كان كافيًا تمامًا لنشاط الحياة. ومن الواضح أن النتيجة السلبية كانت مرة أخرى بسبب عمل الهيدروجين، الذي كان له تأثير اختزال قوي، مما يتداخل مع تدفق عملية الأكسدة والاختزال، ومعها تكوين المنتجات الضرورية- الأحماض والقلويات.
تريتير: من المعروف من الكيمياء الفيزيائية أن حمض النيتريك مادة سهلة الاختزال. على سبيل المثال، يتم اختزاله بواسطة الهيدروجين إلى النيتروجين الحر:
2 ن 0 3 + 12Н + 10е—> ن 2 + 6Н 2 0
تُستخدم خاصية حمض النيتريك هذه خصيصًا في بعض الخلايا الجلفانية لمنع الاستقطاب. في هذه الحالات حمض النيتريكتضاف إلى حجرة الكاثود، حيث يتم إطلاق الهيدروجين.
حدثت عمليات مماثلة تحت الجرس في تجارب ديفي. عندما استبدل الهواء بالهيدروجين في التجربة الثانية، خلق بذلك بيئة اختزال قوية هناك، ولم يفشل تأثيرها في التأثير على النتائج: بطبيعة الحال، لم يتم اكتشاف أي حمض (ولا يمكن اكتشافه) في وعاء الأنود، ولكن في الكاثودالاسم - القلوي. كل شيء كان طبيعيا وطبيعيا. ولكن تظل الحقيقة أن تجارب ديفي أقنعت الجميع أخيرًا بأن الماء يتكون من عنصرين بسيطين - الهيدروجين والأكسجين.
ديفي كان من الممكن فقط تهيئة الظروف التي بموجبها، أثناء التحليل الكهربائي للمياه، لا يتم تشكيل أي حمض أو قلوي، والتي تتشكل دائما في ظل الظروف الطبيعية العادية.
ومع ذلك، لنفترض أن الماء يتكون في الواقع من الهيدروجين والأكسجين. ومن ثم سيكون من الطبيعي أن نفترض أنه بما أن الماء يتحلل بسهولة إلى الأجزاء المكونة له، فإنه يجب أن يتشكل بسهولة نتيجة لتركيبها. ومع ذلك، لا يحدث شيء من هذا القبيل. وكما هو معروف، فإن خليط من غازين بنسبة واحد إلى اثنين (حجم واحد من الأكسجين وحجمين من الهيدروجين) ينتج ما يسمى بالغاز المتفجر، ولكن لا ينتج الماء على الإطلاق. لم تنجح محاولات تكوين الماء من الهيدروجين والأكسجين إلا في وجود محفز (بالمناسبة، يمكن للحديد أيضًا أن يعمل كمحفز، وهو نفس الحديد الذي مرر فيه لافوازييه بخار الماء وتوصل إلى استنتاجاته التاريخية).
يمكن القول أن معظم التجارب لتحديد التركيب الكيميائي للمياه لم تكن تهدفبقدر ما يتعلق الأمر بالأبحاث الموضوعية بقدر ما يتعلق بتعديل نتائجها لتتوافق مع الاستنتاج الحالي، والذي أصبح حقًا مادة إيمانية. لقد قدم "الصندوق الأسود" بشكل أساسي المعلومات المتوقعة منه والتي غالبًا ما يتم تحديدها مسبقًا بشكل متعمد من خلال إجراء موجه على مدخلاته.
لذلك، فإن العديد من الحقائق المتعلقة بالخصائص البيولوجية والكيميائية والفيزيائية لا تعطي سببًا للاعتراف بها الصيغة الموجودةالماء الحقيقي. ولا تعارضه الحقائق التجريبية فحسب، بل تعارضه أيضًا الأحكام النظرية، وقبل كل شيء، تلك التي تتبع أحكامًا أساسية مثل بداية الديناميكا الحرارية
. بالضبط - الهواء والفراغ
- التوليد التلقائي
- التحليل الكهربائي للماء (الجزء 2)
تطهير المياه عن طريق التحليل الكهربائي المباشر
ما هو التحليل الكهربائي المباشر للماء؟
ويصاحب مرور التيار الكهربائي عبر المياه المعالجة سلسلة من التفاعلات الكهروكيميائية، ونتيجة لذلك تتشكل مواد جديدة في الماء وتتغير بنية التفاعلات بين الجزيئات. أثناء التحليل الكهربائي المباشر للمياه، يحدث تخليق العوامل المؤكسدة - الأكسجين، الأوزون، بيروكسيد الهيدروجين، إلخ. بالإضافة إلى ذلك، في الماء حتى مع محتوى كلوريد منخفض للغاية، يتم تشكيل الكلور المتبقي أثناء التحليل الكهربائي المباشر، وهو أمر مهم للغاية لفترات طويلة تأثير تطهير المياه.
نظرية عملية التحليل الكهربائي للمياه
في شكل مبسط، يتكون التحليل الكهربائي المباشر للمياه من عدة عمليات.
1) العملية الكهروكيميائية.
في الماء (H2O ) توجد لوحتان (أقطاب كهربائية) متوازيتين: الأنود والكاثود. الجهد االكهربى التيار المباشر، التي يتم توفيرها للأقطاب الكهربائية، يؤدي إلى التحليل الكهربائي للمياه.
يتم إنتاجه في الأنود الأكسجين: 2H 2O → O2+ 4H + + 4e - (يحمض الماء).
يتكون الهيدروجين عند الكاثود: 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (يصبح الماء قلويًا).
كمية الهيدروجين المنطلقة صغيرة وليست مشكلة كبيرة.
يسمح استخدام الأقطاب الكهربائية الخاصة بإنتاج الأوزون وبيروكسيد الهيدروجين من الماء.
يتم إنتاجه في الأنود الأوزون: 3ح2س → يا 3+ 6e − + 6H +(يصبح الماء محمضًا).
عند الكاثود - بيروكسيد الهيدروجين : O 2 + 2H 2 O + 2e − → H2O2+ 2OH -(يصبح الماء قلويا).
تحتوي المياه العذبة الطبيعية (غير المقطرة) دائمًا على أملاح معدنية - الكبريتات والكربونات والكلوريدات. من أجل الحصول على الكلور لتأثير طويل الأمد لتطهير المياه، فإن الكلوريدات فقط هي ذات الأهمية. في الماء هم أساسا كلوريد الصوديوم (NaCl)، كلوريد الكالسيوم (CaCl) وكلوريد البوتاسيوم (KCl).
وباستخدام مثال كلوريد الصوديوم، فإن تفاعل تكوين الكلور عن طريق التحليل الكهربائي سيكون على النحو التالي.
الملح المذاب في الماء: 2 NaCl + H2O → 2 Na + +2 Cl – + 2 H2O
أثناء التحليل الكهربائي، يتكون الكلور عند الأنود: 2الكلور – → Cl 2 +2 ه – (يصبح الماء محمضًا).
ويتكون هيدروكسيد الصوديوم عند الكاثود:نا + + أوه – → هيدروكسيد الصوديوم (يصبح الماء قلويا).
هذا التفاعل قصير الأمد حيث يتم استهلاك أي كلور يتم إنتاجه عند الأنود بسرعة ليتشكل هيبوكلوريت الصوديوم : Cl 2 + 2 NaOH → H 2 + 2 كلوريد الصوديوم.
تحدث تفاعلات التحليل الكهربائي المماثلة مع كلوريدات الكالسيوم والبوتاسيوم.
وهكذا، نتيجة للتحليل الكهربائي مياه عذبةيتم إنشاء خليط من العوامل المؤكسدة القوية:أكسجين + أوزون + بيروكسيد الهيدروجين + هيبوكلوريت الصوديوم .
2) العملية الكهرومغناطيسية.
جزيء الماء عبارة عن ثنائي قطب صغير يحتوي على شحنات موجبة (جانب الهيدروجين) وسالبة (جانب الأكسجين) عند القطبين. في المجال الكهرومغناطيسي، ينجذب جزء الهيدروجين من جزيء الماء إلى الكاثود، وجزء الأكسجين إلى القطب الموجب. وهذا يؤدي إلى إضعاف وحتى تمزق روابط هيدروجينيةفي جزيء الماء. إضعاف روابط الهيدروجين يعزز تكوين الأكسجين الذري. يساهم وجود الأكسجين الذري في الماء تقليل صلابة المياه. الكالسيوم موجود دائمًا في الماء العادي. تتأكسد أيونات Ca + بواسطة الأكسجين الذري: Ca + + O → CaO. يتحد أكسيد الكالسيوم مع الماء ليشكل هيدرات أكسيد الكالسيوم: CaO + H2O → Ca (OH) 2. هيدرات أكسيد الكالسيوم – أسس قوية، شديد الذوبان في الماء. تحدث عمليات مماثلة مع عناصر أخرى من صلابة الماء.
3) عمليات التجويف.
ونتيجة للعملية الكهروكيميائية والكهرومغناطيسية، تتشكل فقاعات غازية مجهرية من الأكسجين والهيدروجين. تظهر سحابة بيضاء تتكون من فقاعات ناشئة بالقرب من سطح الأقطاب الكهربائية. تنزاح الفقاعات، بسبب تدفق الماء، إلى منطقة تكون فيها سرعة التدفق أقل والضغط أعلى، وتنهار بسرعة عالية.
يؤدي الانهيار الفوري للفقاعة إلى إطلاق طاقة هائلة، مما يؤدي إلى تدمير الجدار المائي للفقاعة، أي. جزيئات الماء. نتيجة تدمير جزيء الماء هي تكوين أيونات الهيدروجين والأكسجين وجزيئات الهيدروجين والأكسجين الذرية وجزيئات الهيدروجين والأكسجين والهيدروكسيل ومواد أخرى.
العمليات المدرجة تساهم في التكوين العامل المؤكسد الرئيسي - الأكسجين الذري.
ما الذي يميز التحليل الكهربائي المباشر للماء؟
يعد تطهير المياه عن طريق التحليل الكهربائي المباشر أحد أنواع معالجة المياه المؤكسدة، ولكنه يختلف جوهريًا عن طرق التطهير الشائعة حيث يتم إنتاج العوامل المؤكسدة من الماء نفسه، ولا يتم إدخالها من الخارج، وبعد أن تؤدي وظيفتها، تعود إلى وظيفتها. الحالة السابقة. إن كفاءة تطهير المياه عن طريق التحليل الكهربائي المباشر أعلى بعدة مرات مقارنة بالطرق الكيميائية. يعزز التحليل الكهربائي المباشر للمياه إزالة اللون، كبريتيد الهيدروجين، الأمونيوممصدر المياه. لا يتطلب التحليل الكهربائي المباشر مضخات الجرعات أو الكواشف.
يتم تنشيط الكلور، الضروري لمنع التلوث البكتيري الثانوي للمياه في شبكات التوزيع، من الأملاح المعدنية الطبيعية في المياه التي تمر عبر المحلل الكهربائي ويذوب فيه على الفور. يقوم التحليل الكهربائي المباشر بتكسير الكلورامين وتحويله إلى نيتروجين وملح.
التحليل الكهربائي المنخفض للمياه
إن عملية التحليل الكهربائي للماء ذات الجهد المنخفض معروفة منذ زمن فاراداي. ويستخدم على نطاق واسع في الصناعة الحديثة. جهد التشغيل بين الأنود والكاثود للمحلل الكهربائي هو 1.6-2.3 فولت، والتيار يصل إلى عشرات ومئات الأمبيرات. الحد الأدنى للجهد الذي تبدأ عنده عملية التحليل الكهربائي للماء هو حوالي 1.23 فولت.
نظرًا لأن النموذج المختبري لخلية التحليل الكهربائي ذات الأمبيرات المنخفضة (الشكل 210) يولد كمية صغيرة من الغازات، فإن الطريقة الأكثر موثوقية لتحديد كميتها هي طريقة تحديد التغير في كتلة المحلول أثناء التجربة والحساب اللاحق من الكميات المنطلقة من الهيدروجين والأكسجين.
ومن المعروف أن ذرة الجرام متساوية عدديا الكتلة الذريةالمواد، وجزيء الجرام هو الوزن الجزيئي الغراميمواد. على سبيل المثال، جزيء جرام من الهيدروجين في جزيء الماء يساوي جرامين، وجرام ذرة الأكسجين يساوي 16 جرامًا. جزيء جرام من الماء يساوي 18 جرامًا. بما أن كتلة الهيدروجين في جزيء الماء هي 2x100/18 = 11.11%، وكتلة الأكسجين 16x100/18 = 88.89%، فإن نفس نسبة الهيدروجين والأكسجين موجودة في لتر واحد من الماء. وهذا يعني أن 1000 جرام من الماء يحتوي على 111.11 جرامًا من الهيدروجين و888.89 جرامًا من الأكسجين.
أرز. 210. محلل كهربي منخفض الأمبير (رقم براءة اختراع 2227817)
يزن لتر واحد من الهيدروجين 0.09 جم، ويزن لتر واحد من الأكسجين 1.47 جم. هذا يعني أنه من لتر واحد من الماء يمكنك الحصول على 111.11/0.09=1234.44 لترًا من الهيدروجين و888.89/1.47=604.69 لترًا من الأكسجين.
اتضح أن عملية التحليل الكهربائي يمكن أن تحدث عند جهد يتراوح بين 1.5-2.0 فولت بين الأنود والكاثود و قوة متوسطةالتيار 0.02 أ. لذلك تسمى هذه العملية بـ أمبير منخفض. نتائجها في الجدول. 46.
عملية التحليل الكهربائي الحالي المنخفضقد يتكون من دورتين، في دورة واحدة يتم توصيل المحلل الكهربائي بالشبكة الكهربائية، وفي الأخرى يتم إيقاف تشغيله (الجدول 56).
بادئ ذي بدء، نلاحظ أن مادة الأنود والكاثود هي نفسها - الفولاذ، مما يلغي إمكانية تشكيل خلية كلفانية. ومع ذلك، يظهر فرق جهد قدره حوالي 0.1 عند أقطاب الخلية فيفي الغياب التامفيه محلول كهربائي . وبعد صب المحلول يزداد فرق الجهد. في هذه الحالة، تظهر دائمًا علامة الشحن الإيجابية على القطب العلوي، والعلامة السلبية على القطب السفلي. إذا قام مصدر التيار المستمر بتوليد نبضات، فإن إنتاج الغاز يزداد.
الجدول 56. مؤشرات التحليل الكهربائي للمياه
| المؤشرات | مجموع |
| 1 – مدة تشغيل المحلل الكهربي المتصل بالشبكة بستة دورات t,min | 6x10=60.0 |
| 2 – قراءات الفولتميتر V , فولت | 11,40 |
| 2' - قراءات الذبذبات V'، فولت | 0,40 |
| 3 – قراءات الأميتر I , أمبير | 0,020 |
| 3' - قراءات الذبذبات، I'، أمبير | 0,01978 |
| 4 – استهلاك الطاقة الحقيقي (P’=V’xI’x τ/60) Wh | 0,0081 |
| 5- مدة تشغيل المحلل الكهربائي المنفصل عن الشبكة ستة دورات كحد أدنى | 6x50=300.0 |
| 6 – التغير في كتلة المحلول م ، جرام | 0,60 |
| 7 – كتلة الماء المتبخر م , جرام | 0,06 |
| 8 – كتلة الماء التي تحولت إلى غازات m’’=m-m’, g. | 0,54 |
| 9- كمية الهيدروجين المنطلق ΔМ=0.54x1.23x0.09=0.06 جرام | 0,06 |
| 10 – استهلاك الطاقة لكل جرام من الماء المحول إلى غازات، حسب قراءات راسم الذبذبات E’=P’/m’’, Wh/g; | 0,015 |
| 11- استهلاك الطاقة الحالي لكل جرام من المياه المتحولة إلى غازات E', Wh/g. ماء | 5,25 |
| 12- تخفيض استهلاك الطاقة لإنتاج الهيدروجين من الماء حسب قراءات الذبذبات K’=E’’/P’ مرات؛ | 648,15 |
| 13 - محتوى الطاقة للهيدروجين الناتج (W=0.06x142/3.6) =2.36, Wh | 2,36 |
| 14 - كفاءة الطاقةعملية التحليل الكهربائي للمياه وفقا لقراءات راسم الذبذبات (Wx100/P')، %؛ | 1035,80 |
| 14’ – كفاءة الطاقة لعملية التحليل الكهربائي للمياه حسب قراءات الذبذبات (Wx100/P")% | 190322,6 |
يمكن ملاحظة عملية توليد الغازات بسهولة من خلال إطلاق الفقاعات الناتجة. ويستمر إطلاقها حتى بعد فصل المحلل الكهربائي عن الشبكة. وبطبيعة الحال، بعد فصل المحلل الكهربائي عن الشبكة، تنخفض شدة الغازات تدريجيا، ولكنها لا تتوقف لعدة ساعات. وهذا يثبت بشكل مقنع حقيقة أن التحليل الكهربائي يحدث بسبب اختلاف الجهد عبر الأقطاب الكهربائية. في الجدول يعرض 48 نتائج تجربة إمداد الطاقة الدوري للمحلل الكهربائي بنبضات من الجهد والتيار المعدلين.
هناك سبب للاعتقاد بأن المحلل الكهربائي ذو الأمبير المنخفض (الشكل 210) لا يتمتع بخصائص المكثف فحسب، بل إنه أيضًا مصدر للكهرباء في نفس الوقت. بعد أن تم شحنه في البداية، يتم تفريغه تدريجياً تحت تأثير عمليات التحليل الكهربائي التي تحدث فيه. المبلغ الذي يولده طاقة كهربائيةيتبين أنها غير كافية لدعم عملية التحليل الكهربائي، ويتم تفريغها تدريجياً. إذا تم إعادة شحنه بشكل دوري بنبضات الجهد التي تعوض استهلاك الطاقة، فإن شحن المحلل الكهربائي، مثل المكثف، سيظل ثابتًا، وستكون عملية التحليل الكهربائي مستقرة.
يمكن ملاحظة عملية توليد الغازات بسهولة من خلال إطلاق الفقاعات الناتجة. ويستمر إطلاقها حتى بعد فصل المحلل الكهربائي عن الشبكة. وبطبيعة الحال، بعد فصل المحلل الكهربائي عن الشبكة، تنخفض شدة إطلاق الغاز، لكنها لا تتوقف لعدة ساعات. وهذا يثبت بشكل مقنع حقيقة أن التحليل الكهربائي يحدث بسبب اختلاف الجهد عبر الأقطاب الكهربائية.
إن إطلاق الغازات بعد فصل المحلل الكهربائي عن الشبكة لفترة طويلة يثبت حقيقة أن تكوين جزيئات الأكسجين والهيدروجين يحدث بدون إلكترونات تنبعث من الكاثود، أي بسبب إلكترونات جزيء الماء نفسه (الشكل 209). ).
فشلت محاولة زيادة إنتاجية محلل كهربائي منخفض الأمبير (الشكل 210) عن طريق قياس أحجام الأقطاب الكهربائية المخروطية المصنوعة من نفس المادة (الفولاذ). تزداد الإنتاجية فقط مع زيادة عدد المحللات الكهربائية ذات الأحجام المثالية. لم يسمح لنا نقص التمويل باختبار تأثير المواد المخروطية المختلفة على كفاءة عملية التحليل الكهربائي للماء (الشكل 210). الجديد إذا استمر التمويل عينة تجاريةسيكون مولد المحرك الكهربائي النبضي (الشكل 169 و 172) هو مصدر الطاقة للعملية الجديدة للتحليل الكهربائي للمياه، والتي تتم في أنبوب التحليل الكهربائي الكاثود الأنود الذي يربط تجاويف الكاثود والأنود (الشكل 211، أ).
أرز. 211: أ) أنبوب التحليل الكهربائي الكاثود والأنود؛ ب) لهب الهيدروجين والأكسجين من أنبوب التحليل الكهربائي الكاثود والأنود
على قطب كهربائي سالب الشحنة - الكاثود يحدث تخفيض الكهروكيميائيةالجسيمات (الذرات، الجزيئات، الكاتيونات)، وعلى قطب كهربائي موجب الشحنة - الأنود آت الأكسدة الكهروكيميائيةالجسيمات (الذرات والجزيئات والأنيونات). هي أقل الصيغ الكلاسيكيةالتحليل الكهربائي
1. ملح المعدن النشط والحامض المحتوي على الأكسجين
نا 2 SO 4 ↔2Na + +SO 4 2−
أ(+): 2H 2 O - 4e = O 2 + 4H +
الخلاصة: 2H 2 O (التحليل الكهربائي) → H 2 + O 2
2. الهيدروكسيد : المعدن النشطوأيون الهيدروكسيد
هيدروكسيد الصوديوم ↔ Na + + OH −
ك(-): 2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH −
أ(+): 2H 2 O - 4e = O 2 + 4H +
الخلاصة: 2H 2 O (التحليل الكهربائي) → 2H 2 + O 2
أثناء التحليل الكهربائي للماء، يتم إطلاق الأكسجين () عند القطب الموجب، والهيدروجين () عند الكاثود
سنقوم بإجراء أول تجربة للحصول على الهيدروجين والأكسجين.
اصنع إلكتروليتًا من المحلول صودا الخبز(يمكنك تناول رماد الصودا)، وخفض الأقطاب الكهربائية هناك وتشغيل مصدر الطاقة. بمجرد تدفق التيار عبر المحلول، ستصبح فقاعات الغاز التي تتشكل عند الأقطاب الكهربائية ملحوظة على الفور: سيتم إطلاق الأكسجين عند "+"، والهيدروجين عند "-". يحدث هذا التوزيع للغازات بسبب وجود تراكم بالقرب من الأنود "+". الأيونات السالبةتتراكم أيونات OH- واختزال الأكسجين و"-" بالقرب من الكاثود الفلزات القلوية، والتي وردت في رماد الصودا(Na2CO3) لها شحنة موجبة (Na+) وفي نفس الوقت يحدث اختزال الهيدروجين. لا يحدث اختزال أيونات الصوديوم إلى فلز نقي Na، لأن فلز الصوديوم موجود في سلسلة الفولتية المعدنية على يسار الهيدروجين
لي< K < Rb < Cs < Ba < Ca < نا < Mg < Al < Mn < Cr < Zn < Fe < Cd < Co < Ni < Sn < Pb < H2 < Cu < Ag < Hg < Pt < Au
تقليديا، يتم استخدام ما يسمى بالمحلل الكهربائي الجاف لإنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء في السيارات.ويطلق عليهم أيضًا اسم مولدات المنظمات غير الحكومية
سيؤدي الهيدروجين والأكسجين المنتج في المحرك، من خلال مولد HHO من خلال التحليل الكهربائي، إلى تسريع اشتعال خليط الوقود في أسطوانات المحرك بشكل كبير، مما يزيد من إنتاج الطاقة لمحرك الاحتراق الداخلي الذي يعمل بالبنزين أو الديزل (المحرك). الاحتراق الداخلي). يشتعل الهيدروجين أسرع بـ 1000 مرة من الوقود السائل المتبخر، وبذلك يشتعل الوقود السائل المتبخر ويزيد من عمل القوة الانفجارية للمكبس في المرحلة الأولى من تشغيله. إن فوائد إضافة NHO إلى خليط الوقود لمحركات الاحتراق الداخلي، بما في ذلك محركات الديزل، تمت دراستها وتوثيقها بشكل جيد من قبل كل من الولايات المتحدة والحكومات الأجنبية والعديد من الجامعات الكبرى والدول الأخرى. مراكز البحوثفي جميع أنحاء العالم.
التحليل الكهربائي
مجموعة الكهروكيميائية الأكسدة والاختزال العمليات التي تحدث أثناء مرور الكهرباء. التيار من خلال المنحل بالكهرباء مع أقطاب كهربائية مغمورة فيه. عند الكاثود، يتم اختزال الكاتيونات إلى أيونات ذات حالة أكسدة أقل أو إلى ذرات، على سبيل المثال: Fe 3+ + eFe 2+، Cu 2+ + 2e Cu (e - إلكترون). يمكن للجزيئات المحايدة أن تشارك في التحولات عند الكاثود مباشرة أو تتفاعل مع منتجات العملية الكاثودية، والتي تعتبر في هذه الحالة وسيطة. in-va E. عند الأنود، تحدث أكسدة الأيونات أو الجزيئات القادمة من حجم المنحل بالكهرباء أو التي تنتمي إلى مادة الأنود؛ الخامس الحالة الأخيرةيذوب الأنود أو يتأكسد (انظر انحلال أنودي).على سبيل المثال:
E. يتضمن عمليتين: هجرة الجزيئات المتفاعلة تحت تأثير الكهرباء. الحقول إلى سطح القطب ونقل الشحنة من جسيم إلى قطب كهربائي أو من قطب كهربائي إلى جسيم. يتم تحديد هجرة الأيونات من خلال أرقام حركتها ونقلها (انظر. الموصلية الكهربائية من الشوارد).عملية النقل عديدة. كهربائي يتم تنفيذ الشحنات، كقاعدة عامة، في شكل سلسلة من تفاعلات الإلكترون الواحد، أي خطوة بخطوة، مع تكوين الوسطيات. الجسيمات (الأيونات أو الجذور)، والتي توجد أحيانًا لبعض الوقت على القطب الموجود في الممتز. حالة.
تعتمد سرعات أنظمة القطب الكهربائي على تكوين وتركيز المنحل بالكهرباء، والمواد المصنوعة من الأقطاب الكهربائية، وإمكانات القطب، ودرجة الحرارة، والديناميكا المائية. الشروط (انظر الحركية الكهروكيميائية).مقياس السرعة هو كثافة التيار - عدد التيارات الكهربائية المنقولة. يتم الشحن من خلال وحدة مساحة سطح القطب لكل وحدة زمنية. يتم تحديد عدد المنتجات المتكونة خلال E قوانين فاراداي.يتطلب يوم إطلاق 1 جرام من المادة المكافئة على القطب الكهربائي كمية من الكهرباء تساوي 26.8 أمبير* ساعة إذا تم تكوين العديد منها في وقت واحد على كل قطب كهربائي. المنتجات نتيجة لعدد من الكهروكيميائية. r-tions، حصة التيار (في المائة) التي تذهب إلى تكوين منتج أحد r-tions، تسمى. الناتج الحالي لهذا المنتج.
تتضمن عملية القطب الكهربائي مواد تتطلب أقل قدر من الكهرباء لنقل الشحنة. محتمل؛ هذا ربما ان ليست تلك المواد التي تحدد انتقال الكهرباء في حجم المحلول. على سبيل المثال، مع E. المحلول المائيتتضمن أيونات NaCl أيونات Na + و Cl + في الهجرة، ومع ذلك، على الكاثودات الصلبة، لا يتم تفريغ أيونات Na +، ولكن تحدث عملية أكثر ملاءمة لتفريغ جزيئات الماء البروتونية: H 3 O + + e --> 1/ 2 ح 2 + ح 2 س.
تطبيق E.إن الحصول على المنتجات المستهدفة عن طريق التحليل الكهربائي يجعل من الممكن نسبيًا (عن طريق ضبط القوة الحالية) التحكم في سرعة العملية واتجاهها، وبفضل ذلك يمكن تنفيذ العمليات في كل من "الأنعم" و"الصعب" للغاية. ظروف الأكسدة أو الاختزال، والحصول على أقوى عوامل الأكسدة وعوامل الاختزال. بواسطة E.، يتم إنتاج H 2 وO 2 من الماء، وC1 2 من المحاليل المائية لـ NaCl، وF 2 من ذوبان KF في KH 2 F 3.
يعد علم المعادن الكهروكهربائي فرعًا مهمًا من علم المعادن غير الحديدية (Cu، Bi، Sb، Sn، Pb، Ni، Co، Cd، Zn)؛ كما أنها تستخدم للحصول على المعادن النبيلة والنادرة، Mn، Cr. E. يستخدم مباشرة للفصل الكاثودي للمعدن بعد نقله من الخام إلى المحلول وتنقية المحلول. هذه العملية تسمى الاستخراج الكهربائي. E. يستخدم أيضًا لتنظيف المعادن - التحليل الكهربائي. التكرير (التكرير الكهربائي). تتكون هذه العملية من التحلل الأنودي للمعدن الملوث وترسيبه الكاثودي اللاحق. يتم إجراء التكرير والاستخلاص الكهربائي باستخدام أقطاب كهربائية سائلة مصنوعة من الزئبق والملغم (علم المعادن الملغمية) ومع أقطاب كهربائية مصنوعة من معادن صلبة.
E. تعتبر ذوبان المنحل بالكهرباء طريقة مهمة لإنتاج الكثير. المعادن لذلك، على سبيل المثال، يتم الحصول على الألومنيوم الخام عن طريق ذوبان الكريوليت والألومينا (Na 3 AlF 6 + A1 2 O 3)، ويتم تنقية المادة الخام كهربائيًا. تكرير. في هذه الحالة، يكون الأنود مصهورًا A1، ويحتوي على ما يصل إلى 35% من النحاس (للوزن) وبالتالي يقع في الجزء السفلي من حمام المحلل الكهربائي. تحتوي الطبقة السائلة الوسطى للحمام على BaCl 2 وAlF 3 وNaF، وتحتوي الطبقة العليا على مصهور منصهر. A1 بمثابة الكاثود.
E. ذوبان كلوريد المغنيسيوم أو الكارناليت المجفف - بحد أقصى. طريقة شائعة للحصول على Mg. في حفلة موسيقية. يتم استخدام المقياس E. للحصول على القلوية والأرض القلوية. المعادن، Be، Ti، W، Mo، Zr، U، إلخ.
إلى التحليل الكهربائي تتضمن طرق إنتاج المعادن أيضًا اختزال أيونات المعادن إلى أيونات أخرى أكثر سالبة للإلكترون. معدن. غالبًا ما يتضمن عزل المعادن عن طريق اختزالها بالهيدروجين مراحل التفاعلات الكهروكيميائية. تأين الهيدروجين وترسب أيونات المعادن بسبب الإلكترونات المنطلقة خلال هذه العملية. تلعب عمليات الإصدار المشترك أو حل العديد منها دورًا مهمًا. المعادن، والإفراج المشترك للمعادن ومول. الهيدروجين على الكاثود وامتزاز مكونات المحلول على الأقطاب الكهربائية. E. يستخدم لتحضير المعادن. مساحيق ذات خصائص محددة.
تطبيقات مهمة أخرى لـ E.- الطلاء الكهربائي، التخليق الكهربائي، الكهروكيميائية معالجة المعادن,
الحماية من التآكل (انظر الحماية الكهروكيميائية).
المحللات الكهربائية.التصميم الصناعي أجهزة لتنفيذ التحليل الكهربائي يتم تحديد العمليات حسب طبيعة العملية. في علم المعادن المائية والطلاء الكهربائي يستخدمون البريم. ما يسمى المحللات الكهربية الصندوقية، وهي عبارة عن حاوية مفتوحة بها إلكتروليت، حيث يتم وضع الكاثودات والأنودات المتناوبة، متصلة وفقًا لذلك. مع السلبية ووضعها جانبا. أقطاب مصدر التيار المباشر. لتصنيع الأنودات، يتم استخدام الجرافيت ومواد الكربون الجرافيت والبلاتين وأكاسيد الحديد والرصاص والنيكل والرصاص وسبائكه؛ يستخدمون أنودات تيتانيوم منخفضة التآكل مع طلاء نشط مصنوع من خليط من أكاسيد الروثينيوم والتيتانيوم (أنودات أكسيد الروثينيوم والتيتانيوم، أو ORTA)، وكذلك من البلاتين وسبائكه. بالنسبة للكاثودات في معظم المحللات الكهربائية، يتم استخدام الفولاذ، بما في ذلك التحلل. الطلاءات الواقية مع الأخذ في الاعتبار عدوانية منتجات الإلكتروليت والكهارل وظروف المعالجة الأخرى. تعمل بعض المحللات الكهربائية في ظروف معينة الضغوط العاليةعلى سبيل المثال، يتم تحلل الماء تحت ضغط يصل إلى 4 ميجاباسكال؛ ويجري أيضًا تطوير المحللات الكهربائية لضغوط أعلى. في الحديث يستخدم البلاستيك على نطاق واسع في المحللات الكهربائية. الجماهير والزجاج والألياف الزجاجية والسيراميك.
بصيغة الجمع الكهروكيميائية يتطلب الإنتاج فصل فراغات الكاثود والأنود، ويتم ذلك باستخدام أغشية نفاذية للأيونات، ولكنها تعيق التدفق. الخلط والانتشار. وهذا يحقق فصل السائل و المنتجات الغازية، المتكونة على الأقطاب الكهربائية أو في حجم المحلول، يتم منع مشاركة الأقطاب الوسيطة الأصلية. والمنتجات النهائية للتحليل الكهربائي في المناطق الموجودة على القطب ذو العلامة المقابلة وفي الفضاء القريب من القطب. في الأغشية المسامية، يتم نقل كل من الكاتيونات والأنيونات من خلال المسام الدقيقة بكميات تتوافق مع أرقام النقل. في أغشية التبادل الأيوني (الأغشية)، يتم نقل الكاتيونات أو الأنيونات فقط، اعتمادًا على طبيعة المجموعات الأيونية المتضمنة في تركيبها. عند تصنيع عوامل مؤكسدة قوية، عادة ما يتم استخدام المحللات الكهربية بدون غشاء، ولكن يتم إضافة K 2 Cr 2 O 7 إلى محلول الإلكتروليت. أثناء العملية الكهرومغناطيسية، يتم تشكيل فيلم كروميت كرومات مسامي على الكاثود، والذي يؤدي وظائف الحجاب الحاجز. عند إنتاج الكلور، يتم استخدام الكاثود على شكل شبكة فولاذية، حيث يتم تطبيق طبقة من الأسبستوس، والتي تعمل بمثابة الحجاب الحاجز. في عملية E.، يتم تغذية المحلول الملحي إلى غرفة الأنود، ويتم إزالة محلول NaOH من غرفة الأنود.
يستخدم المحلل الكهربائي لإنتاج المغنيسيوم والألومنيوم والقلوية والأرض القلوية. المعادن، عبارة عن حمام مبطن بمادة حرارية، يوجد في الأسفل معدن منصهر يعمل بمثابة الكاثود، بينما توضع الأنودات على شكل كتل فوق طبقة من المعدن السائل. في عمليات إنتاج الكلور الغشائي، في عملية التخليق الكهربائي، يتم استخدام المحللات الكهربائية من نوع مرشح الضغط، والتي يتم تجميعها من منفصلة. الإطارات التي يتم وضع أغشية التبادل الأيوني بينها.
بناءً على طبيعة الاتصال بمصدر الطاقة، يتم التمييز بين المحللات الكهربائية أحادية القطب وثنائية القطب (الشكل). يتكون المحلل الكهربائي أحادي القطب من خلية تحليل كهربائي واحدة. الخلايا ذات الأقطاب الكهربائية من نفس القطبية، كل منها يمكن أن تتكون من عدة. العناصر المتصلة بالتوازي مع الدائرة الحالية. المحلل الكهربائي ثنائي القطب لديه رقم ضخمخلايا (تصل إلى 100-160) متصلة على التوالي بالدائرة الحالية، حيث يعمل كل قطب كهربائي، باستثناء القطبين الخارجيين، على جانب واحد ككاثود والآخر كأنود. عادةً ما يتم تصميم المحللات الكهربائية أحادية القطب للتيار العالي والجهد المنخفض، ثنائية القطب - للتيار المنخفض والجهد العالي نسبيًا. حديث تسمح المحللات الكهربية بحمل تيار مرتفع: أحادي القطب يصل إلى 400-500 كيلو أمبير، ثنائي القطب يعادل 1600 كيلو أمبير.
يستخدم التحليل الكهربائي على نطاق واسع في قطاع الإنتاجعلى سبيل المثال، لإنتاج الألومنيوم (الأجهزة ذات الأنودات المخبوزة PA-300، PA-400، PA-550، وما إلى ذلك) أو الكلور ( المنشآت الصناعيةأساهي كاسي). في الحياة اليومية، تم استخدام هذه العملية الكهروكيميائية بشكل أقل تكرارًا؛ ومن الأمثلة على ذلك المحلل الكهربائي Intellilor أو آلة لحام البلازما Star 7000، مما أدى إلى تغيير الوضع جذريًا التحليل الكهربائي للمياه في المنزل شعبية. دعونا نفكر في ماهية أجهزة تقسيم المياه (المحللات الكهربائية)، وما هو تصميمها، وكذلك كيفية صنع جهاز بسيط بيديك.
ما هو المحلل الكهربائي وخصائصه وتطبيقه
هذا هو اسم الجهاز الخاص بالعملية الكهروكيميائية الذي يحمل نفس الاسم والذي يتطلب مصدر خارجيتَغذِيَة. من الناحية الهيكلية، هذا الجهاز عبارة عن حمام مملوء بالكهرباء، حيث يتم وضع قطبين كهربائيين أو أكثر.
السمة الرئيسية لهذه الأجهزة هي الإنتاجية، وغالبًا ما تتم الإشارة إلى هذه المعلمة في اسم النموذج، على سبيل المثال، في محطات التحليل الكهربائي الثابتة SEU-10، وSEU-20، وSEU-40، وMBE-125 (محلل كهربي لكتلة الغشاء)، وما إلى ذلك . وفي هذه الحالات تشير الأرقام إلى إنتاج الهيدروجين (م3/ساعة).
أما بالنسبة للخصائص المتبقية، فإنها تعتمد على نوع الجهاز المحدد ونطاق التطبيق، على سبيل المثال، عند إجراء التحليل الكهربائي للمياه، تتأثر كفاءة التثبيت بالمعلمات التالية:
وبالتالي، من خلال تطبيق 14 فولت على المخارج، سنحصل على 2 فولت على كل خلية، في حين أن الألواح الموجودة على كل جانب سيكون لها إمكانات مختلفة. تسمى المحللات الكهربائية التي تستخدم نظام توصيل لوحة مماثل بالمحللات الكهربائية الجافة.
- المسافة بين اللوحات (بين مساحة الكاثود والأنود)، كلما كانت أصغر، كلما انخفضت المقاومة، وبالتالي، سيمر تيار أكبر عبر محلول الإلكتروليت، مما سيؤدي إلى زيادة إنتاج الغاز.
- تتناسب أبعاد اللوحة (أي مساحة الأقطاب الكهربائية) بشكل مباشر مع التيار المتدفق عبر المنحل بالكهرباء، وبالتالي تؤثر أيضًا على الأداء.
- تركيز المنحل بالكهرباء وتوازنه الحراري.
- خصائص المادة المستخدمة في صناعة الأقطاب الكهربائية (الذهب مادة مثالية، ولكنها باهظة الثمن، لذلك يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ في الدوائر محلية الصنع).
- تطبيق محفزات العملية، الخ.
كما ذكر أعلاه، الإعدادات من هذا النوعيمكن استخدامه كمولد للهيدروجين لإنتاج الكلور أو الألومنيوم أو غيرها من المواد. كما أنها تستخدم كأجهزة لتنقية وتطهير المياه (UPEV، VGE)، وتنفيذها أيضًا تحليل مقارنصفاته (Tesp 001).
نحن مهتمون في المقام الأول بالأجهزة التي تنتج غاز براون (الهيدروجين مع الأكسجين)، حيث أن هذا الخليط لديه كل الإمكانيات لاستخدامه كحامل طاقة بديل أو إضافات للوقود. سننظر إليها بعد قليل، لكن الآن دعونا ننتقل إلى تصميم ومبدأ تشغيل المحلل الكهربائي البسيط الذي يقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
الجهاز ومبدأ التشغيل التفصيلي
أجهزة إنتاج غاز التفجير، لأسباب تتعلق بالسلامة، لا تنطوي على تراكمه، أي، خليط الغازيتم حرقه فور استلامه. وهذا يبسط التصميم إلى حد ما. قمنا في القسم السابق بدراسة المعايير الرئيسية التي تؤثر على أداء الجهاز وتفرض متطلبات أداء معينة.
مبدأ تشغيل الجهاز موضح في الشكل 4، المصدر الجهد المستمرمتصلة بأقطاب كهربائية مغمورة في محلول بالكهرباء. ونتيجة لذلك، يبدأ تيار بالمرور عبره، ويكون جهده أعلى من نقطة تحلل جزيئات الماء.
الشكل 4. تصميم محلل كهربائي بسيط نتيجة لهذه العملية الكهروكيميائية، يطلق الكاثود الهيدروجين، ويطلق الأنود الأكسجين بنسبة 2 إلى 1.
أنواع المحللات الكهربائية
دعونا نلقي نظرة سريعة على ميزات التصميم للأنواع الرئيسية لأجهزة تقسيم المياه.
جاف
تم عرض تصميم جهاز من هذا النوع في الشكل 2؛ وتتمثل خصوصيته في أنه من خلال معالجة عدد الخلايا، من الممكن تشغيل الجهاز من مصدر بجهد يتجاوز الحد الأدنى لجهد القطب بشكل كبير.
تتدفق من خلال
يمكن العثور على تصميم مبسط للأجهزة من هذا النوع في الشكل 5. وكما ترون، يتضمن التصميم حوض استحمام مزود بأقطاب كهربائية "A"، مملوء بالكامل بالمحلول وخزان "D".
الشكل 5. تصميم المحلل الكهربائي التدفق مبدأ تشغيل الجهاز هو كما يلي:
- عند مدخل العملية الكهروكيميائية، يتم ضغط الغاز مع المنحل بالكهرباء في الحاوية "D" من خلال الأنبوب "B"؛
- في الخزان "D" يتم فصل الغاز عن محلول الإلكتروليت، والذي يتم تفريغه من خلال صمام المخرج "C"؛
- يعود المنحل بالكهرباء إلى حمام التحلل المائي من خلال الأنبوب "E".
غشاء
السمة الرئيسية للأجهزة من هذا النوع هي استخدام المنحل بالكهرباء الصلب (الغشاء). على أساس البوليمر. يمكن العثور على تصميم الأجهزة من هذا النوع في الشكل 6.
الشكل 6. المحلل الكهربائي من نوع الغشاء السمة الرئيسية لهذه الأجهزة هي الغرض المزدوج للغشاء: فهو لا ينقل البروتونات والأيونات فحسب، بل ينقل أيضًا المستوى الجسدييفصل بين كل من الأقطاب الكهربائية ومنتجات العملية الكهروكيميائية.
الحجاب الحاجز
في الحالات التي لا يجوز فيها نشر منتجات التحليل الكهربائي بين غرف القطب الكهربائي، يتم استخدام الحجاب الحاجز المسامي (الذي يعطي هذه الأجهزة اسمها). يمكن أن تكون المادة المستخدمة في ذلك من السيراميك أو الأسبستوس أو الزجاج. في بعض الحالات، يمكن استخدام ألياف البوليمر أو الصوف الزجاجي لإنشاء مثل هذا الحجاب الحاجز. ويبين الشكل 7 أبسط خيارجهاز الحجاب الحاجز للعمليات الكهروكيميائية.
توضيح:
- مخرج الأكسجين.
- قارورة على شكل حرف U.
- مخرج الهيدروجين .
- الأنود.
- الكاثود.
- الحجاب الحاجز.
قلوية
من المستحيل إجراء العملية الكهروكيميائية في الماء المقطر، حيث يتم استخدامه كمحفز. محلولالقلويات (استخدام الملح غير مرغوب فيه لأنه يطلق الكلور). وبناءً على ذلك، يمكننا أن نسميها قلوية معظمالأجهزة الكهروكيميائية لتقسيم المياه.
في المنتديات المواضيعية، ينصح باستخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، والذي، على عكس صودا الخبز (NaHCO 3)، لا يؤدي إلى تآكل القطب. لاحظ أن هذا الأخير له ميزتان مهمتان:
- يمكن استخدام أقطاب الحديد.
- لا يتم إطلاق أي مواد ضارة.
لكن هناك عيبًا كبيرًا ينفي جميع فوائد صودا الخبز كمحفز. ولا يزيد تركيزه في الماء عن 80 جرامًا لكل لتر. وهذا يقلل من مقاومة الصقيع للكهارل وموصليته الحالية. إذا كان لا يزال من الممكن التسامح مع الأول في الموسم الدافئ، فإن الثاني يتطلب زيادة في مساحة لوحات القطب، وهذا بدوره يزيد من حجم الهيكل.
المحلل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين: الرسومات والرسم التخطيطي
دعونا نلقي نظرة على كيفية صنع موقد غاز قوي يعمل بمزيج من الهيدروجين والأكسجين. يمكن رؤية رسم تخطيطي لمثل هذا الجهاز في الشكل 8.
أرز. 8. تصميم موقد الهيدروجين توضيح:
- فوهة الموقد.
- أنابيب مطاطية.
- ختم الماء الثاني.
- أول ختم الماء.
- الأنود.
- الكاثود.
- أقطاب كهربائية.
- حمام التحليل الكهربائي.
يوضح الشكل 9 رسمًا تخطيطيًا لمصدر الطاقة للمحلل الكهربائي للموقد الخاص بنا.
أرز. 9. إمدادات الطاقة الشعلة التحليل الكهربائي للحصول على مقوم قوي سنحتاج إلى الأجزاء التالية:
- الترانزستورات: VT1 - MP26B؛ VT2 - ص 308.
- الثايرستور: VS1 - KU202N.
- الثنائيات: VD1-VD4 - D232؛ VD5 - D226B؛ VD6، VD7 – D814B.
- المكثفات: 0.5 ميكروفاراد.
- المقاومات المتغيرة: R3 -22 كيلو أوم.
- المقاومات: R1 – 30 كيلو أوم؛ R2 - 15 كيلو أوم؛ R4 - 800 أوم؛ R5 - 2.7 كيلو أوم؛ R6 - 3 كيلو أوم؛ R7 - 10 كيلو أوم.
- PA1 هو مقياس التيار بمقياس قياس لا يقل عن 20 أمبير.
تعليمات موجزة عن أجزاء المحلل الكهربائي.
يمكن صنع حوض الاستحمام من بطارية قديمة. يجب قطع الألواح بقياس 150 × 150 مم من حديد التسقيف (سمك الورقة 0.5 مم). للعمل مع مصدر الطاقة الموصوف أعلاه، ستحتاج إلى تجميع محلل كهربائي مكون من 81 خلية. يظهر الرسم للتثبيت في الشكل 10.
أرز. 10. رسم محلل كهربائي لموقد الهيدروجين لاحظ أن صيانة وإدارة مثل هذا الجهاز ليس بالأمر الصعب.
محلل كهربائي DIY للسيارة
على الإنترنت، يمكنك العثور على العديد من المخططات لأنظمة HHO، والتي، وفقا للمؤلفين، تسمح لك بتوفير الوقود من 30٪ إلى 50٪. مثل هذه التصريحات متفائلة للغاية، وكقاعدة عامة، لا تدعمها أي أدلة. يظهر رسم تخطيطي مبسط لمثل هذا النظام في الشكل 11.
رسم تخطيطي مبسط للمحلل الكهربائي للسيارة من الناحية النظرية، يجب أن يقلل هذا الجهاز من استهلاك الوقود بسبب احتراقه الكامل. للقيام بذلك، يتم توفير خليط براون لمرشح الهواء في نظام الوقود. وهو الهيدروجين والأكسجين الذي يتم الحصول عليه من المحلل الكهربائي الذي يعمل من الشبكة الداخلية للسيارة، مما يزيد من استهلاك الوقود. حلقة مفرغة.
بالطبع، يمكن استخدام دائرة منظم تيار PWM، أو يمكن استخدام مصدر طاقة أكثر كفاءة، أو يمكن استخدام حيل أخرى لتقليل استهلاك الطاقة. في بعض الأحيان تصادف على الإنترنت عروضًا لشراء مصدر طاقة منخفض الأمبير لمحلل كهربائي، وهو أمر هراء بشكل عام، نظرًا لأن أداء العملية يعتمد بشكل مباشر على القوة الحالية.
هذا مثل نظام كوزنتسوف، الذي فقد منشط الماء الخاص به، وبراءة الاختراع مفقودة، وما إلى ذلك. في مقاطع الفيديو أعلاه، حيث يتحدثون عن المزايا التي لا يمكن إنكارها لهذه الأنظمة، لا توجد أي حجج منطقية عمليًا. وهذا لا يعني أن الفكرة ليس لها الحق في الوجود، لكن التوفيرات المعلنة مبالغ فيها «قليلاً».
محلل كهربائي DIY للتدفئة المنزلية
في الوقت الحالي، ليس من المنطقي صنع محلل كهربائي محلي الصنع لتدفئة المنزل، لأن تكلفة الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه عن طريق التحليل الكهربائي أغلى بكثير من الغاز الطبيعي أو المبردات الأخرى.
وينبغي أيضًا أن يؤخذ في الاعتبار أنه لا يوجد أي معدن يمكنه تحمل درجة حرارة احتراق الهيدروجين. صحيح أن هناك حلاً حصل على براءة اختراعه من قبل ستان مارتن يسمح لك بالتحايل على هذه المشكلة. ومن الضروري الانتباه إلى لحظة رئيسية، مما يسمح لك بالتمييز بين الفكرة الجديرة بالاهتمام والهراء الواضح. والفرق بينهما هو أن الأولى تحصل على براءة اختراع، والثانية تجد مؤيديها على الإنترنت.
قد تكون هذه نهاية المقال عن أجهزة التحليل الكهربائي المنزلية والصناعية، ولكن من المنطقي تقديم لمحة موجزة عن الشركات المنتجة لهذه الأجهزة.
نظرة عامة على الشركات المصنعة للمحلل الكهربائي
نحن قائمة الشركات المصنعة المنتجة خلايا الوقودتعتمد بعض الشركات أيضًا على المحللات الكهربائية، وتنتج أيضًا الأجهزة المنزلية: NEL Hydrogen (النرويج، متواجدة في السوق منذ عام 1927)، Hydrogenics (بلجيكا)، Teledyne Inc (الولايات المتحدة الأمريكية)، Uralkhimmash (روسيا)، RusAl (روسيا، تقنية Soderberg المحسنة بشكل كبير)، RutTech (روسيا).