Химичният състав на водата е определен за първи път от френския химик Лавоазие през 1784 г. Лавоазие, заедно с военния инженер Мюние, прекарвайки водни пари върху горещ лист желязо, откриват, че водата се разлага, освобождавайки водород и кислород. Да, разбира се, за тяхното време, за ерата на „подреждането на нещата“, тези заключения бяха голямо значение. Всъщност преди това откритие водата се считаше напълно хомогенна субстанция. Невъзможно е обаче да не отбележим още нещо: това откритие също изигра своята съвсем очевидна роля. отрицателна роля, тъй като отклони вниманието на други учени от търсенията в тази област за дълго време и установи непогрешимост в съзнанието на много поколения това заключение, осветен, освен това, от авторитета на учен.
Но условията, при които беше извършено, бяха толкова несъвършени, че бяха „мръсни“.
Помислете само за наличието на желязо, върху което са преминали водни пари. Може да въведе моменти в преживяването, които дори е трудно да се вземат предвид предварително. Лавоазие и неговият партньор записаха в експеримента си това, което беше най-очевидно: отделянето на два газа - водород и кислород, и какво беше извън това, те изобщо не обърнаха внимание на това, най-вероятно поради причината, че това "в допълнение" не беше толкова очевидно, колкото освобождаването на два газа.
Тъй като преди това откритие в науката преобладаваше общото мнение, че водата е хомогенно вещество, фактът на откриването на нейния разнороден състав може да се нарече революционен. Какво повече може да се иска от откривателите! Освен това очевидността на резултатите от експеримента беше твърде завладяваща.
Старият възглед за водата беше отхвърлен и заменен от нова идея за водата като комбинация от два елемента - водород и кислород, която бързо се наложи в науката. Това беше значително улеснено от развитието електрохимия.
ЕЛЕКТРОЛИЗА по Дейви
Редица учени (Никълсън, Кавендиш и др.) Проведоха електрохимичен експериментразгражданевода (подобно определение този процеснапълно погрешно). Под думата “разлагане” трябва да разбираме електролизата на водата като сложен редокс процес, но в никакъв случай като просто разлагане на водата на съставните й елементи.
Така че, по време на разлагане, т.е. По време на електролизата на водата се отделят водород и кислород, което като че ли външно потвърждава заключението на Лавоазие. Но в същото време „черната кутия“ внезапно започна да предоставя допълнителна информация, която не беше там преди. По време на процеса на електролиза са открити две странни явления: първо, двата компонента на водата се отделят не заедно, а отделно един от друг - кислород на единия електрод, водород на другия; второ, наблюдава се образуването на киселина на кислородния полюс и алкали на водородния полюс. Това"странно" разлагане на озад водаброй учени; Нещо повече, те се притесняваха повече от втората „странност“, т.е. появата на киселина и алкали.
Фактът, че при преминаване през вода електрически токсе отделят водород и кислород, което доста устройва учените, защото като че ли потвърждава господстващото вече мнение за състава на водата. Въпросът как тези компоненти са били разделени, при какви съпътстващи обстоятелства, макар и зает учени от товавреме, но все пак не в такава степен: вниманието им беше насочено главно към второто "странност", защото тя хвърли сянка на съмнение върху откритата формула на водата.Неизбежно възниква въпросът какво причинява образуването на киселина и основа по време на електролизата на водата.
Един изключителен английски химик се заел с решението на тази загадка. Хъмфри Дейви(1778-1829). Дейви, с поредица от експерименти, изглежда потвърди факта, приет от всички учени от онова време, че образуването на киселина и основи по време на електролизата на водата е случайно явление, което не е свързано със самата вода, което се състои, както е определено Лавоазие, от водород и кислород. Но как Дейви успя да „докаже“ това?
Дейви проведе многобройни експерименти за „разграждане“ на внимателно пречистена вода с електричество в различни съдове: ахат, стъкло, изработени от флуор шпат, баритен сулфат и др., За да сведе до минимум влиянието на материала на съда върху резултатите от експериментите. . Във всички експерименти без изключение по време на електролизата на водата той получава силна киселина на анода и основа на катода. Той свърза това с факта, че чиста водавсе още частично разлага материала на съдовете, което е причината за образуването на киселина и основа. Важна последица от експериментите обаче е, че количеството киселина и основи, образувани на електродите, е пряко зависимо от продължителността на експериментите, а именно: колкото по-дълги са те, толкова повече киселина и основи се образуват и толкова по-силна е тяхната концентрация .
В експериментите на Дейви за електролиза на различни солеви разтвори се получава подобна картина: на анода се образува киселина с отделяне на кислород, а на катода се образува основа с отделяне на водород или чист амоняк. Самите тези процеси би трябвало да подтикнат, по аналогия, да се направят изводи относно общите закони, свързани с процеса на електролиза.
Добре известно е, че по време на електролиза различни веществапри електродитевъзникват окислително-редукционни процеси, но не просто разлагане на веществата. Нещо повече, само при наличието на редокс процес може да настъпи самата електролиза.
В този случай реакцията на окисление протича на единия електрод, а реакцията на редукция на другия. Следователно би било
най-голямата грешка
разглеждайте електролизата като прост процес на разлагане на веществата на техните съставни елементи, било то вода, сол или киселина. Окислението на единия полюс протича с едновременна редукция на другия и обратно. Тези разпоредби са светая светих на електрохимичните процеси, напълно съвместими с втори закон на термодинамиката. Наистина, ако вземем примери с електролиза на соли, лесно е да се види, че на анода е възникнала реакция на редукция с освобождаване на кислород (продуктът от тази реакция, натрупващ се на анода, във всички случаи е някакъв вид киселина ). На катода протича реакция на окисление с отделяне на водород или метал (продуктът от тази реакция, натрупващ се на катода, винаги е някакъв вид основа).
Изглежда естествено да разширим същия модел към водата: водата като химическо вещество, притежаващо в много отношения киселинни свойства, по принцип не може да служи в в такъв случайизключение и просто се разпада, като някаква механична смес, на съставните си части, където всички други вещества преминават през сложни редокс процеси. Следователно, a priori може да се очаква образуването на киселина и основа на съответните електроди по време на електролизата на водата. Единственият въпрос е - коя киселина и коя основа?
Но този е абсолютно такъв очевидно нещообърна се. Мисълта за нея не беше позволена или тя простопренебрегнати. Освен това това не е правено от някакви аматьори, а от професионалисти висок клас. За тях, изглежда, фактът, че водата се състои от два елемента - водород и кислород - се превърна в някакъв вид символ на вярата, в нещо като "свещена крава" и те насочиха всичките си забележителни способности именно да потвърдят този факт, но изобщо не за да се провери истинността му. Фактът, че и двата газа се отделят по време на електролизата, макар и при различни електроди, изглежда потвърждава това убеждение, дори противно на всички закони на електролизата и термодинамиката. В същото време никой изобщо не се смущаваше, че водата може толкова лесно да бъде разделена на съставните си части, като две залепени парчета дърво, пуснати във вода.
За да избегне всякакви странични ефекти, Дейви провежда серия от експерименти в златни съдове с добре пречистена вода. В продължение на четиринадесет часа, през които е продължил експериментът, количеството киселина в анодния съд непрекъснато нараства. Дейви откри, че свойствата му не се различават отазот
киселини,който се е образувал по абсолютно същия начин при експериментите, които преди това е провеждал в стъклени съдове. В катодния съд се образува летлива основа, чието количество скоро достига определена граница. Тя откри свойството на амоняка ( NH 3).
Дейви повтори експеримента си и го продължи без прекъсване в продължение на три дни. До края на това време, както самият той свидетелства, водата в съдовете се е разложила и изпарила до повече от половината от първоначалната си стойност.първоначален обем. В резултат на това в анодния съд се образува силна азотна киселина, докато количеството на основата остава приблизително на същото ниво, както в предишния експеримент. Дейви смята, че последното се дължи на постоянното му изпарение.
Водата на Дейви е "подложена на мъчения"
Наистина ли всичко беше толкова безупречно чисто и добро в експериментите на Дейви? Нека разгледаме експеримента на Дейви за електролиза на вода под камбаната на въздушна помпа. Защо в този експеримент се образува само малко количество киселина в анодния съд, а в катодния съд изобщо не се открива алкали? Наистина ли беше, както смяташе Дейви, поради липсата на въздух, изпомпван изпод камбаната? Отчасти да, но в съвсем различен смисъл, отколкото очакваше. Да започнем с това, че Дейви направи сериозна грешка в първоначалното си предположение, че образуването на киселина и основа е причинено отбеше азотът във въздуха. Образуването на киселина и основа не може да има нищо общо с азота във въздуха поради простата причина, че азотът в нормални условияТой не е химически активен, не се разтваря във вода и не реагира нито с кислород, нито с водород. Този факт сам по себе си трябва да подтикне към търсене на други източници на образуване на киселини и основи. По-късно обаче се предполага, че образуването на киселина и основа в експериментите вероятно е причинено от наличието на известно количество амониеви соли във въздуха. Бяхме доволни от това обяснение. Едва ли обаче е възможно да се вземе това обяснение на сериозно, тъй като, първо, то е направено постфактум и, Второ, дори ако определено количество такива соли наистина присъства, то трябва да е толкова малко, че да не може да има постоянно и редовно образуване на киселина и основа във всеки експеримент, чието количество, както беше посочено, беше само в пряка зависимост върху продължителността на експериментите.
Основното обаче не е това, а какво точно се е случило при опитите под камбаната и защо, за разлика от обикновените условия, там се е образувала само малко количество киселина и изобщо няма алкали. Нека разгледаме на първо място възможното влияние на силно разредената атмосфера върху резултатите от експеримента. Известно е, че в разредена атмосфера има бързо отделяне на разтворени в нея газове от течности и процесът на изпаряване се ускорява значително, като последното засяга първо по-летливите вещества, а след това по-малко летливите вещества. Естествено е да се предположи, че в експериментите на Дейви в силно разредена атмосфера, на първо място, е започнал процесът на освобождаване на летлива основа от разтвора, което отчасти е причината да не бъде открита в катодния съд. След това, тъй като температуратаКогато азотната киселина започна да пее под точката на кипене на водата, азотната киселина, образувана в анодния съд, също започна частично да се изпарява.
Страничните ефекти върху хода на експеримента обаче не се ограничават до това. Тъй като по време на електролизата на водата се отделят кислород и водород, а обемът на отделения водород е седем пъти по-голям от обема на кислорода, тези газове и най-вече водородът не могат да не окажат влияние върху хода на експеримента. . Ако при нормални условия, т.е. не под камбаната, амонякът и водородът, образувани по време на експеримента, се изпариха и не повлияха на резултата от експеримента, след това под камбаната тези вещества се събраха в затворено пространство. В този случай амонякът може частично да реагира с получената азотна киселина, като неутрализира част от нея. В допълнение, и това е може би най-важното нещо, водородът като силен редуциращ агент, събирайки се в значителни количества под камбаната, несъмнено е повлиял на целия ход на реакцията, давайки резултатите, които са записани от Дейви като окончателни.
Илюстрация на редуциращия ефект на водорода.
дАко вземете два електрода, единият от които е полирана сребърна плоча, а другият е обикновена шевна игла, поставете ги под камбаната и прекарайте електрически ток в много разреден въздух, така че електрически разрядпремина от върха на иглата към полираната плоча, след това срещу върха на иглата плочата забележимо ще се промени - ще се окисли и избледнее и колкото повече, толкова по-дълго преминава електрическият ток. Ако след това въздухът се замени с разреден водород, тогава при всички други равни и непроменени условия по-нататъшното преминаване на ток ще доведе до факта, че оксидът върху плочата постепенно ще се отдели и полирането ще се възстанови най-вече.става, което добре илюстрира редукционните свойства на водорода.
INДруг пример е от областта на живата природа. Клод Бернар дава следния експеримент: той смесва един обем въздух с два обема водород и поставя семена в тази атмосфера. При всички други благоприятни условия (влага, топлина и др.) Покълването на семената не се случи, въпреки че напрежението на кислорода беше напълно достатъчно за жизнената активност. Очевидно отрицателният резултат отново се дължи на действието на водорода, който има силен редуциращ ефект, пречи на протичането на окислително-редукционния процес, а с това и на образуването му. необходими продукти- киселини и основи.
T Retier: Добре известно е от физическата химия, че азотната киселина е лесно редуциращо се вещество. Например, той се редуцира от водород до свободен азот:
2 N 0 3 + 12Н + 10е—> N 2 + 6Н 2 0
Това свойство на азотната киселина се използва специално в някои галванични клетки за предотвратяване на поляризацията. В тези случаи азотна киселинасе добавя към катодното отделение, където се отделя водород.
Подобни процеси се случиха под камбаната в експериментите на Дейви. Когато замени въздуха с водород във втория експеримент, той създаде там мощна редуцираща среда, ефектът от която не пропусна да повлияе на резултатите: естествено не беше (и не можеше) да бъде открита киселина в анодния съд, но в катодаnom - алкален. Всичко беше естествено и естествено. Но фактът остава: експериментите на Дейви най-накрая убедиха всички, че водата се състои от два прости елемента - водород и кислород.
Дейви Възможно е само да се създадат условия, при които по време на електролизата на водата да не се образуват нито киселина, нито основа, които неизменно се образуват при нормални, естествени условия.
Нека обаче приемем, че водата всъщност се състои от водород и кислород. Тогава би било естествено да приемем, че тъй като водата толкова лесно се разлага на съставните си части, тя също толкова лесно би трябвало да се образува в резултат на техния синтез. Нищо подобно обаче не се случва. Както е известно, смес от два газа в съотношение едно към две (един обем кислород и два обема водород) произвежда така наречения детониращ газ, но не и вода. Опитите да се образува вода от водород и кислород бяха успешни само в присъствието на катализатор (между другото, желязото също може да действа като катализатор, същото желязо, върху което Лавоазие прекара водни пари и направи своите исторически заключения).
Може да се каже, че повечето експерименти за определяне на химичния състав на водата не са били насочени къмколкото за обективни търсения, толкова и за коригиране на техните резултати към съществуващо заключение, което наистина се е превърнало в символ на вяра. „Черната кутия“ предоставя основно информацията, която се очаква от нея и която често е умишлено предопределена от насочено действие върху нейните входове.
Така че много факти за биологични, химични и физични свойства не дават основание да се признаят съществуваща формулаистинска вода. Против него говорят не само емпиричните факти, но и теоретичните положения и преди всичко тези, които произтичат от такива фундаментални положения като началото на термодинамиката
. Точно - въздух и вакуум
- спонтанно генериране
- електролиза на вода (част 2)
Дезинфекция на вода чрез директна електролиза
Какво е директна електролиза на вода?
Преминаването на електрически ток през пречистената вода е придружено от поредица от електрохимични реакции, в резултат на които във водата се образуват нови вещества и се променя структурата на междумолекулните взаимодействия. По време на директна електролиза на водата се получава синтез на окислители - кислород, озон, водороден прекис и др. Освен това, във вода дори с много ниско съдържание на хлорид, по време на директна електролиза се образува остатъчен хлор, който е много важен за продължителен ефект от дезинфекцията на водата.
Теория на процеса на електролиза на водата
В опростена форма директната електролиза на вода се състои от няколко процеса.
1) Електрохимичен процес.
Във вода (H2O ) две плочи (електроди) са разположени успоредно: анод и катод. Волтаж постоянен ток, подаден към електродите, води до електролиза на водата.
Произвежда се на анода кислород: 2H 2 O → O2+ 4H + + 4e − (водата се подкислява).
На катода се образува водород: 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (водата се алкализира).
Количеството отделен водород е малко и не е голям проблем.
Използването на специални електроди позволява производството на озон и водороден пероксид от вода.
Произвежда се на анода озон: 3H 2 O → О 3+ 6e − + 6H +(водата се подкислява).
На катода - водороден прекис : O 2 + 2H 2 O + 2e − → H2O2+ 2OH −(водата става алкална).
Натуралната прясна (недестилирана) вода винаги съдържа минерални соли - сулфати, карбонати, хлориди. За да се получи хлор за продължителен ефект на дезинфекция на водата, интерес представляват само хлоридите. Във водата те са главно натриев хлорид (NaCl), калциев хлорид (CaCl) и калиев хлорид (KCl).
Използвайки примера на натриев хлорид, реакцията за образуване на хлор чрез електролиза ще бъде както следва.
Сол, разтворена във вода: 2 NaCl + H 2 O → 2 Na + +2 Cl – + 2 H 2 O
По време на електролиза на анода се образува хлор: 2 Cl – → кл 2 +2 e – (водата се подкислява).
И на катода се образува натриев хидроксид: Na + + OH – → NaOH (водата става алкална).
Тази реакция е краткотрайна, тъй като всеки хлор, произведен на анода, бързо се изразходва, за да се образува натриев хипохлорит : Cl 2 + 2 NaOH → H 2 + 2 NaOCl.
Подобни реакции на електролиза протичат с калциеви и калиеви хлориди.
По този начин, в резултат на електролиза прясна водагенерира се смес от силни окислители:кислород + озон + водороден пероксид + натриев хипохлорит .
2) Електромагнитен процес.
Водната молекула е малък дипол, съдържащ положителни (от страната на водорода) и отрицателни (от страната на кислорода) заряди на полюсите. В електромагнитно поле водородната част на водната молекула се привлича към катода, а кислородната към анода. Това води до отслабване и дори разкъсване водородни връзкивъв водна молекула. Отслабването на водородните връзки насърчава образуването на атомен кислород. Наличието на атомен кислород във водата допринася за намаляване на твърдостта на водата. Калцият винаги присъства в обикновената вода. Ca + йони се окисляват от атомен кислород: Ca + + O → CaO. Калциевият оксид, комбинирайки се с вода, образува хидрат на калциев оксид: CaO + H 2 O → Ca (OH) 2. Калциев оксид хидрат – здрава основа, силно разтворим във вода. Подобни процеси протичат и с други елементи на твърдостта на водата.
3) Кавитационни процеси.
В резултат на електрохимичния и електромагнитен процес се образуват микроскопични газови мехурчета от кислород и водород. Близо до повърхността на електродите се появява белезникав облак, състоящ се от появяващи се мехурчета. Увлечени от водния поток, мехурчетата се изместват в зона, където скоростта на потока е по-ниска и налягането е по-високо, и се свиват с висока скорост.
Мигновеното свиване на балона освобождава огромна енергия, която разрушава водната стена на балона, т.е. водни молекули. Последицата от разрушаването на водна молекула е образуването на водородни и кислородни йони, атомни частици на водород и кислород, водородни и кислородни молекули, хидроксилни и други вещества.
Изброените процеси допринасят за образуването основен окислител - атомен кислород.
Какво е уникалното при директната електролиза на вода?
Дезинфекцията на вода чрез директна електролиза е вид окислително третиране на водата, но е фундаментално различна от обикновените методи за дезинфекция по това, че окислителите се произвеждат от самата вода, а не се въвеждат отвън и след като изпълнят функцията си, се връщат обратно в предишно състояние. Ефективността на дезинфекцията на водата чрез директна електролиза е няколко пъти по-висока в сравнение с химичните методи. Директната електролиза на водата насърчава отстраняване на цвят, сероводород, амонийизворна вода. Директната електролиза не изисква дозиращи помпи или реагенти.
Хлорът, необходим за предотвратяване на вторично бактериално замърсяване на водата в разпределителните мрежи, се активира от естествените минерални соли във водата, преминаваща през електролизера и моментално се разтваря в нея. Директната електролиза разгражда хлорамините, превръщайки ги в азот и сол.
Слаботокова електролиза на вода
Процесът на електролиза на водата с ниско напрежение е известен още от времето на Фарадей. Намира широко приложение в модерна индустрия. Работното напрежение между анода и катода на електролизера е 1,6-2,3 волта, а токът достига десетки и стотици ампери. Минималното напрежение, при което започва процесът на водна електролиза, е около 1,23 V.
Тъй като лабораторният модел на нискоамперна електролизерна клетка (фиг. 210) генерира малко количество газове, най-надеждният метод за определяне на тяхното количество е методът за определяне на промяната в масата на разтвора по време на експеримента и последващото изчисление от отделените количества водород и кислород.
Известно е, че атомът грам е числено равен атомна масавещества, а грам-молекула е молекулно тегловещества. Например грам-молекула водород в молекула вода е равна на два грама, а грам-атом на кислороден атом е 16 грама. Една грам молекула вода е равна на 18 грама. Тъй като масата на водорода във водната молекула е 2x100/18 = 11,11%, а масата на кислорода е 16x100/18 = 88,89%, тогава същото съотношение на водород и кислород се съдържа в един литър вода. Това означава, че 1000 грама вода съдържат 111,11 грама водород и 888,89 грама кислород.
Ориз. 210. Нискоамперен електролизатор (пат. № 2227817)
Един литър водород тежи 0,09 g, а един литър кислород тежи 1,47 g. Това означава, че от един литър вода можете да получите 111,11/0,09=1234,44 литра водород и 888,89/1,47=604,69 литра кислород.
Оказа се, че процесът на електролиза може да се случи при напрежение от 1,5-2,0 V между анода и катода и средна силаток 0,02 A. Следователно този процес се нарича нискоамперен. Резултатите от нея са в табл. 46.
Процес нискотокова електролизаможе да се състои от два цикъла, в единия цикъл електролизаторът е свързан към електрическата мрежа, а в другия е изключен (Таблица 56).
На първо място, отбелязваме, че материалът на анода и катода е един и същ - стомана, което изключва възможността за образуване на галванична клетка. Въпреки това, на електродите на клетката се появява потенциална разлика от около 0,1 INпри пълно отсъствиеелектролитен разтвор в него. След изливането на разтвора потенциалната разлика се увеличава. В този случай положителният знак на заряда винаги се появява на горния електрод, а отрицателният знак на долния. Ако източникът на постоянен ток генерира импулси, изходът на газ се увеличава.
Таблица 56. Индикатори за електролиза на вода
| Индикатори | Сума |
| 1 – продължителност на работа на електролизера, включен в мрежата, в шест цикъла t, мин | 6x10=60.0 |
| 2 – показания на волтметър V, Volt | 11,40 |
| 2’ – показания на осцилоскоп V’, Volt | 0,40 |
| 3 – показания на амперметър I, ампер | 0,020 |
| 3’ – показания на осцилоскопа, I’, ампер | 0,01978 |
| 4 – реална консумация на енергия (P’=V’xI’x τ/60) Wh | 0,0081 |
| 5 – продължителност на работа на електролизера, изключен от мрежата, за шест цикъла, мин | 6x50=300.0 |
| 6 – промяна в масата на разтвора m, грамове | 0,60 |
| 7 – масата на изпарената вода m’, грамове | 0,06 |
| 8 – масата на водата, превърнала се в газове, m’’=m-m’, g. | 0,54 |
| 9- количество отделен водород ΔМ=0.54x1.23x0.09=0.06, грам | 0,06 |
| 10 – разход на енергия за грам вода, превърната в газове, според показанията на осцилоскоп E’=P’/m’’, Wh/g; | 0,015 |
| 11 – съществуваща консумация на енергия за грам вода, превръщаща се в газове E’’, Wh/g. вода | 5,25 |
| 12 – намаление на потреблението на енергия за получаване на водород от вода според показанията на осцилоскопа K’=E’’/P’, пъти; | 648,15 |
| 13 - енергийно съдържание на получения водород (W=0,06x142/3,6) =2,36, Wh | 2,36 |
| 14 - енергийна ефективностпроцес на водна електролиза по показания на осцилоскоп (Wх100/P’), %; | 1035,80 |
| 14’ – енергийна ефективност на процеса на електролиза на водата според показанията на осцилоскоп (Wx100/P")% | 190322,6 |
Процесът на генериране на газове се наблюдава лесно чрез освобождаването на получените мехурчета. Те продължават да се отделят дори след изключване на електролизера от мрежата. Разбира се, след изключване на електролизера от мрежата, интензивността на газовете постепенно намалява, но не спира в продължение на много часове. Това убедително доказва факта, че електролизата възниква поради потенциалната разлика между електродите. В табл 48 са представени резултатите от експеримент с периодично захранване на електролизера с импулси на изправено напрежение и ток.
Има причина да се смята, че нискоамперният електролизатор (фиг. 210) има не само свойствата на кондензатор, но и източник на електричество в същото време. След като е бил зареден в началото, той постепенно се разрежда под въздействието на протичащите в него електролитни процеси. Сумата, която генерира електрическа енергиясе оказва недостатъчен за поддържане на процеса на електролиза и той постепенно се разрежда. Ако периодично се презарежда с импулси на напрежение, които компенсират консумацията на енергия, тогава зарядът на електролизера, подобно на кондензатор, ще остане постоянен и процесът на електролиза ще бъде стабилен.
Процесът на генериране на газове се наблюдава лесно чрез освобождаването на получените мехурчета. Те продължават да се отделят дори след изключване на електролизера от мрежата. Разбира се, след като електролизаторът е изключен от мрежата, интензивността на отделянето на газ намалява, но не спира в продължение на много часове. Това убедително доказва факта, че електролизата възниква поради потенциалната разлика между електродите.
Освобождаването на газове след изключване на електролизера от мрежата за дълго време доказва факта, че образуването на кислородни и водородни молекули става без електрони, излъчени от катода, тоест поради електроните на самата водна молекула (фиг. 209). ).
Опитът за увеличаване на производителността на нискоамперен електролизатор (фиг. 210) чрез мащабиране на размерите на коничните електроди, изработени от същия материал (стомана), се провали. Производителността се увеличава само с увеличаване на броя на електролизаторите с оптимални размери. Липсата на финансиране не ни позволи да тестваме ефекта на различните материали на конуса върху ефективността на процеса на водна електролиза (фиг. 210). Ако финансирането продължи, новият търговска пробаимпулсен електродвигател-генератор (фиг. 169 и 172) ще бъде източник на енергия за новия процес на водна електролиза, който се извършва в електролизна тръба катод-анод, свързваща катодните и анодните кухини (фиг. 211, а).
Ориз. 211: а) електролизна тръба катод-анод; б) водородно-кислороден пламък от електролизна тръба катод-анод
На отрицателно зареден електрод - катод се случва електрохимична редукциячастици (атоми, молекули, катиони), а върху положително зареден електрод - анод идва електрохимично окисляванечастици (атоми, молекули, аниони). По-долу са класически формулиелектролиза
1. Сол на активен метал и кислородсъдържаща киселина
Na 2 SO 4 ↔2Na + +SO 4 2−
A(+): 2H 2 O - 4e = O 2 + 4H +
Заключение: 2H 2 O (електролиза) → H 2 + O 2
2. Хидроксид: активен метали хидроксиден йон
NaOH ↔ Na + + OH −
K(-): 2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH −
A(+): 2H 2 O - 4e = O 2 + 4H +
Заключение: 2H 2 O (електролиза) → 2H 2 + O 2
По време на електролизата на водата кислород () се отделя на анода, а водород () на катода
Ще проведем първия експеримент за получаване на водород и кислород.
Направете електролит от разтвор сода за хляб(можете да вземете калцинирана сода), спуснете електродите там и включете източника на захранване. Веднага щом токът тече през разтвора, газовите мехурчета, които се образуват на електродите, незабавно ще станат забележими: кислородът ще се освободи при „+“, водородът при „-“. Именно това разпределение на газовете се дължи на факта, че близо до анода "+" има натрупване отрицателни йониВ близост до катода се натрупват OH- и редуциращите кислород и „-“ йони алкален метал, които се съдържат в калцинирана сода(Na2CO3) с положителен заряд (Na+) и в същото време се получава редукция на водорода. Редукцията на натриевите йони до чист метал Na не се случва, тъй като металът натрий е в серията от метални напрежения вляво от водорода
Ли< K < Rb < Cs < Ba < Ca < Na < Mg < Al < Mn < Cr < Zn < Fe < Cd < Co < Ni < Sn < Pb < H2 < Cu < Ag < Hg < Pt < Au
Традиционно, така наречените сухи електролизатори се използват за производство на водород и кислород от вода в автомобилите.Наричат ги още НПО генератори
Водородът и кислородът, произведени в двигателя чрез HHO генератора чрез електролиза, значително ще ускорят запалването на горивната смес в цилиндрите на вашия двигател, увеличавайки изходната мощност на бензиновия или дизеловия двигател с вътрешно горене (двигател). вътрешно горене). Водородът се запалва 1000 пъти по-бързо от изпареното течно гориво, като по този начин възпламенява изпареното течно гориво и увеличава работата на експлозивната сила на буталото в първата фаза на неговата работа. Ползите от добавянето на NHO към горивната смес на двигатели с вътрешно горене, включително дизелови двигатели, са добре проучени и документирани както от американските, така и от чуждестранните правителства, много големи университети и изследователски центровеВ световен мащаб.
ЕЛЕКТРОЛИЗА
набор от електрохим окислително-редукционни процеси, протичащи по време на преминаването на електричество. ток през електролит с електроди, потопени в него. На катода катионите се редуцират в йони с по-ниска степен на окисление или в атоми, например: Fe 3+ + eFe 2+, Cu 2+ + 2e Cu (e - електрон). Неутралните молекули могат да участват в трансформациите на катода директно или да реагират с продуктите на катодния процес, които в този случай се считат за междинни продукти. in-va E. На анода се извършва окисление на йони или молекули, идващи от обема на електролита или принадлежащи на анодния материал; V последният случайанодът се разтваря или окислява (вж Анодно разтваряне).например:
Д. включва два процеса: миграция на реагиращи частици под въздействието на ел. полета към повърхността на електрода и пренос на заряд от частица към електрод или от електрод към частица. Миграцията на йони се определя от тяхната подвижност и транспортни числа (вж. Електропроводимост на електролитите).Процесът на прехвърляне е няколко. електрически зарядите се извършват, като правило, под формата на последователност от едноелектронни реакции, т.е. стъпка по стъпка, с образуването на междинни продукти. частици (йони или радикали), които понякога съществуват известно време върху електрода в адсорбира. състояние.
Скоростите на електродните системи зависят от състава и концентрацията на електролита, материала на електродите, електродния потенциал, температурата, хидродинамиката. условия (вж Електрохимична кинетика).Мярката за скорост е плътността на тока - броят на пренесените електрически токове. заряди през единица площ от повърхността на електрода за единица време. Определя се броят на продуктите, образувани по време на Е Законите на Фарадей.Денят на освобождаване на 1 грам еквивалент на веществото изисква количество електричество, равно на 26,8 A* часа, ако няколко се образуват едновременно на всеки от електродите. продукти в резултат на редица електрохим. r-tions, делът на тока (в%), отиващ за образуването на продукта на един от r-tions, наречен. текуща мощност на този продукт.
Електродният процес включва вещества, които изискват най-малко количество електричество за пренос на заряд. потенциал; това може да е не тези вещества, които определят преноса на електричество в обема на разтвора. Например с Е. воден разтвор NaCl йони включват Na + и Cl + йони в миграция, но върху твърди катоди Na + йони не се разреждат, но възниква енергийно по-благоприятен процес на разреждане на протонирани водни молекули: H 3 O + + e --> 1/ 2H 2 + H 2 O.
Приложение на Е.Получаването на целеви продукти чрез електролиза позволява сравнително лесно (чрез регулиране на силата на тока) да се контролира скоростта и посоката на процеса, благодарение на което е възможно да се извършват процеси както в „най-меката“, така и в изключително „твърдата“ условия на окисление или редукция, получаване на най-силните окислители и редуциращи агенти. Чрез E., H 2 и O 2 се произвеждат от вода, C1 2 от водни разтвори на NaCl, F 2 от KF стопилка в KH 2 F 3.
Хидроелектрометалургията е важен клон на цветната металургия (Cu, Bi, Sb, Sn, Pb, Ni, Co, Cd, Zn); използва се и за получаване на благородни и следи от метали, Mn, Cr. E. се използва директно за катодно отделяне на метал, след като е прехвърлен от руда в разтвор и разтворът е пречистен. Този процес се нарича електроекстракция. Д. се използва и за почистване на метал – електролитно. рафиниране (електрорафиниране). Този процес се състои в анодно разтваряне на замърсения метал и последващото му катодно отлагане. Рафинирането и електроекстракцията се извършват с течни електроди от живак и амалгами (амалгамна металургия) и с електроди от твърди метали.
Д. електролитните стопилки са важен метод за производството на много. метали. Така например, суровият алуминий се получава чрез E. криолит-алуминиев триоксид (Na 3 AlF 6 + A1 2 O 3), суровината се пречиства електролитно. рафиниране. В този случай анодът е стопилка А1, съдържаща до 35% Cu (за тегло) и следователно разположена на дъното на електролизната вана. Средният течен слой на банята съдържа BaCl2, A1F3 и NaF, а горният съдържа разтопен рафинер. A1 служи като катод.
Д. стопилка от магнезиев хлорид или дехидратиран карналит - макс. общ метод за получаване на Mg. В бала. скала Е. стопилките се използват за получаване на алкални и алкалоземни. метали, Be, Ti, W, Mo, Zr, U и др.
Към електролитно Методите за производство на метали също включват редукция на метални йони до други, по-отрицателни по електрони. метал. Изолирането на метали чрез тяхната редукция с водород също често включва етапите на електрохимичните реакции. йонизация на водород и отлагане на метални йони поради електроните, освободени по време на този процес. Процесите на съвместно освобождаване или разтваряне на няколко играят важна роля. метали, съвместно отделяне на метали и мол. водород върху катода и адсорбция на компонентите на разтвора върху електродите. Д. се използва за приготвяне на метал. прахове с определени характеристики.
Други важни приложения на E.- галванопластика, електросинтеза, електрохимия металообработка,
защита от корозия (вж Електрохимична защита).
Електролизери.Индустриален дизайн устройства за извършване на електролит процеси се определя от естеството на процеса. В хидрометалургията и галванопластиката използват преим. т.нар боксови електролизатори, които представляват отворен съд с електролит, в който са поставени редуващи се катоди и аноди, свързани по съответния начин. с отрицателен и го остави долу. полюси на източник на постоянен ток. За производството на аноди се използват графит, въглеродно-графитни материали, платина, оксиди на желязо, олово, никел, олово и неговите сплави; Те използват титанови аноди с ниско износване с активно покритие, направено от смес от рутений и титанов оксид (аноди от рутений-титанов оксид или ORTA), както и от платина и нейните сплави. За катоди в повечето електролизери се използва стомана, включително разложена. защитни покрития, като се вземе предвид агресивността на електролита и електролитните продукти, t-ry и други условия на процеса. Някои електролизатори работят при условия високи налягания, например, разлагането на водата се извършва под налягане до 4 MPa; Електролизерите също се разработват за по-високо налягане. В модерните Пластмасите се използват широко в електролизери. маси, стъкло и фибростъкло, керамика.
В множествено число електрохимичен производството изисква разделяне на катодното и анодното пространство, което се извършва с помощта на диафрагми, които са пропускливи за йони, но възпрепятстват потока. смесване и дифузия. Така се постига разделяне на течността и газообразни продукти, образувани върху електродите или в обема на разтвора, се предотвратява участието на първоначалните, междинни. и крайни продукти на електролизата в области на електрода с противоположен знак и в околоелектродното пространство. В порестите диафрагми както катионите, така и анионите се прехвърлят през микропори в количества, съответстващи на числата на пренос. В йонообменните диафрагми (мембрани) се пренасят или само катиони, или аниони, в зависимост от природата на йоногенните групи, включени в техния състав. При синтезиране на силни окислители обикновено се използват електролизатори без диафрагма, но K 2 Cr 2 O 7 се добавя към електролитния разтвор. По време на електромагнитния процес върху катода се образува порест хромит-хроматен филм, който изпълнява функциите на диафрагма. При производството на хлор се използва катод под формата на стоманена мрежа, върху който е нанесен слой азбест, който играе ролята на диафрагма. В процеса E. солевият разтвор се подава в анодната камера и разтворът на NaOH се отстранява от анодната камера.
Електролизатор, използван за производство на магнезий, алуминий, алкални и алкалоземни. метали, е баня, облицована с огнеупорен материал, на дъното има разтопен метал, който служи като катод, докато анодите под формата на блокове са поставени над слой течен метал. В процесите на мембранно производство на хлор, в електросинтезата се използват електролизатори тип филтър-преса, сглобени от отделни. рамки, между които са поставени йонообменни мембрани.
Въз основа на естеството на връзката към източника на захранване се разграничават монополярни и биполярни електролизатори (фиг.). Монополярният електролизатор се състои от една електролитна клетка. клетки с електроди с еднаква полярност, всяка от които може да се състои от няколко. елементи, свързани паралелно към токова верига. Биполярният електролизатор има голямо числоклетки (до 100-160), свързани последователно към токовата верига, като всеки електрод, с изключение на двата най-външни, работи от едната страна като катод, а от другата като анод. Монополярните електролизатори обикновено са предназначени за висок ток и ниско напрежение, биполярни - за относително нисък ток и високо напрежение. Модерен електролизаторите позволяват високо токово натоварване: монополярни до 400-500 kA, биполярни, еквивалентни на 1600 kA.
Електролизата се използва широко в производствен сектор, например за производство на алуминий (устройства с печени аноди PA-300, PA-400, PA-550 и др.) или хлор ( индустриални инсталацииАсахи Касей). В ежедневието този електрохимичен процес се използва много по-рядко; примери включват електролизера Intellichlor или плазмената заваръчна машина Star 7000. Увеличаването на цените на горивото, газа и отоплението коренно промени ситуацията електролиза на вода у дома популярни. Нека да разгледаме какви са устройствата за разделяне на вода (електролизатори) и какъв е техният дизайн, както и как да направите просто устройство със собствените си ръце.
Какво е електролизер, неговите характеристики и приложение
Това е името на устройството за едноименния електрохимичен процес, който изисква външен източникхранене. Структурно това устройство е вана, пълна с електролит, в която са поставени два или повече електрода.
Основната характеристика на такива устройства е производителността, често този параметър е посочен в името на модела, например в стационарни електролизни инсталации SEU-10, SEU-20, SEU-40, MBE-125 (мембранен блок електролизатори) и др. . В тези случаи числата показват производството на водород (m 3 /h).
Що се отнася до останалите характеристики, те зависят от конкретния тип устройство и обхвата на приложение, например, когато се извършва електролиза на вода, ефективността на инсталацията се влияе от следните параметри:
Така, прилагайки 14 волта към изходите, ще получим 2 волта на всяка клетка, докато плочите от всяка страна ще имат различни потенциали. Електролизерите, които използват подобна система за свързване на пластини, се наричат сухи електролизатори.
- Разстоянието между плочите (между катодното и анодното пространство), колкото по-малко е, толкова по-ниско ще бъде съпротивлението и следователно повече ток ще премине през електролитния разтвор, което ще доведе до повишено производство на газ.
- Размерите на плочата (което означава площта на електродите) са пряко пропорционални на тока, протичащ през електролита, и следователно също оказват влияние върху производителността.
- Концентрация на електролита и неговия термичен баланс.
- Характеристики на материала, използван за направата на електроди (златото е идеален материал, но твърде скъп, така че неръждаемата стомана се използва в домашни вериги).
- Приложение на процесни катализатори и др.
Както бе споменато по-горе, настройките от този типможе да се използва като генератор на водород за производство на хлор, алуминий или други вещества. Използват се и като устройства за пречистване и дезинфекция на водата (УПЕВ, ВГЕ), а също така извършват сравнителен анализнеговите качества (Tesp 001).
Ние се интересуваме предимно от устройства, които произвеждат Браунов газ (водород с кислород), тъй като именно тази смес има всички перспективи за използване като алтернативен енергиен носител или горивни добавки. Ще ги разгледаме малко по-късно, но засега нека да преминем към дизайна и принципа на работа на обикновен електролизатор, който разделя водата на водород и кислород.
Устройство и подробен принцип на действие
Устройствата за производство на детониращ газ от съображения за безопасност не включват неговото натрупване, т.е. газова смессе изгаря веднага след получаване. Това донякъде опростява дизайна. В предишния раздел разгледахме основните критерии, които влияят на производителността на устройството и налагат определени изисквания за производителност.
Принципът на работа на устройството е показан на фигура 4, източник DC напрежениесвързани с електроди, потопени в електролитен разтвор. В резултат на това през него започва да преминава ток, чието напрежение е по-високо от точката на разлагане на водните молекули.
Фигура 4. Дизайн на прост електролизатор В резултат на този електрохимичен процес катодът отделя водород, а анодът освобождава кислород в съотношение 2 към 1.
Видове електролизери
Нека разгледаме накратко конструктивните характеристики на основните видове устройства за разделяне на вода.
Суха
Дизайнът на устройство от този тип е показано на фигура 2; неговата особеност е, че чрез манипулиране на броя на клетките е възможно да се захранва устройството от източник с напрежение, което значително надвишава минималния потенциал на електрода.
Тече през
Опростена конструкция на устройства от този тип може да се намери на фигура 5. Както можете да видите, конструкцията включва баня с електроди „A“, напълно напълнена с разтвор и резервоар „D“.
Фигура 5. Дизайн на проточен електролизатор Принципът на работа на устройството е следният:
- на входа на електрохимичния процес газът заедно с електролита се изстисква в контейнер "D" през тръба "B";
- в резервоар “D” газът се отделя от електролитния разтвор, който се изпуска през изходния клапан “C”;
- електролитът се връща в хидролизната вана през тръба “Е”.
Мембрана
Основната характеристика на устройствата от този тип е използването на твърд електролит (мембрана). на полимерна основа. Дизайнът на устройства от този тип може да се намери на фигура 6.
Фигура 6. Електролизатор от мембранен тип Основната характеристика на такива устройства е двойната цел на мембраната: тя не само пренася протони и йони, но и физическо ниворазделя както електродите, така и продуктите от електрохимичния процес.
Диафрагма
В случаите, когато дифузията на продукти от електролизата между електродните камери не е допустима, се използва пореста диафрагма (което дава името на такива устройства). Материалът за него може да бъде керамика, азбест или стъкло. В някои случаи за създаване на такава диафрагма могат да се използват полимерни влакна или стъклена вата. Фигура 7 показва най-простият вариантдиафрагмено устройство за електрохимични процеси.
Обяснение:
- Изход за кислород.
- U-образна колба.
- Изход за водород.
- Анод.
- Катод.
- Диафрагма.
Алкална
Електрохимичният процес е невъзможен в дестилирана вода; тя се използва като катализатор. концентриран разтворалкали (използването на сол е нежелателно, тъй като отделя хлор). Въз основа на това можем да ги наречем алкални повечетоелектрохимични устройства за разделяне на вода.
На тематичните форуми се препоръчва използването на натриев хидроксид (NaOH), който, за разлика от содата за хляб (NaHCO 3), не корозира електрода. Имайте предвид, че последният има две значителни предимства:
- Могат да се използват железни електроди.
- Не се отделят вредни вещества.
Но един съществен недостатък отрича всички предимства на содата за хляб като катализатор. Концентрацията му във вода е не повече от 80 грама на литър. Това намалява устойчивостта на замръзване на електролита и неговата токова проводимост. Ако първият все още може да се толерира през топлия сезон, тогава вторият изисква увеличаване на площта на електродните плочи, което от своя страна увеличава размера на конструкцията.
Електролизер за производство на водород: чертежи, диаграма
Нека да разгледаме как можете да направите мощна газова горелка, захранвана от смес от водород и кислород. Диаграма на такова устройство може да се види на фигура 8.
Ориз. 8. Конструкция на водородна горелка Обяснение:
- Дюза за горелка.
- Гумени тръби.
- Втори воден затвор.
- Първият воден печат.
- Анод.
- Катод.
- Електроди.
- Електролизерна вана.
Фигура 9 показва схематична диаграма на захранването на електролизера на нашата горелка.
Ориз. 9. Захранване на електролизна горелка За мощен токоизправител ще ни трябват следните части:
- Транзистори: VT1 – MP26B; VT2 – P308.
- Тиристори: VS1 – KU202N.
- Диоди: VD1-VD4 – D232; VD5 – D226B; VD6, VD7 – D814B.
- Кондензатори: 0,5 µF.
- Променливи резистори: R3 -22 kOhm.
- Резистори: R1 – 30 kOhm; R2 – 15 kOhm; R4 – 800 ома; R5 – 2,7 kOhm; R6 – 3 kOhm; R7 – 10 kOhm.
- PA1 е амперметър с измервателна скала най-малко 20 A.
Кратка инструкция за части за електролизера.
От стара батерия може да се направи вана. Плочите трябва да бъдат изрязани 150x150 мм от покривно желязо (дебелина на листа 0,5 мм). За да работите с гореописаното захранване, ще трябва да сглобите електролизатор с 81 клетки. Чертежът за монтаж е показан на фигура 10.
Ориз. 10. Чертеж на електролизатор за водородна горелка Обърнете внимание, че обслужването и управлението на такова устройство не създава затруднения.
Направи си сам електролизатор за кола
В интернет можете да намерите много диаграми на HHO системи, които според авторите ви позволяват да спестите от 30% до 50% гориво. Подобни твърдения са твърде оптимистични и като правило не са подкрепени с никакви доказателства. Опростена диаграма на такава система е показана на фигура 11.
Опростена схема на електролизер за автомобил На теория такова устройство трябва да намали разхода на гориво поради пълното му изгаряне. За да направите това, сместа на Браун се подава към въздушния филтър на горивната система. Това е водород и кислород, получени от електролизатор, захранван от вътрешната мрежа на автомобила, което увеличава разхода на гориво. Порочен кръг.
Разбира се, може да се използва схема на регулатор на ток с ШИМ, може да се използва по-ефективно импулсно захранване или да се използват други трикове за намаляване на консумацията на енергия. Понякога в интернет срещате оферти за закупуване на нискоамперно захранване за електролизер, което като цяло е глупост, тъй като ефективността на процеса директно зависи от силата на тока.
Това е като системата на Кузнецов, чийто воден активатор е загубен, а патентът липсва и т.н. В горните видеоклипове, където се говори за безспорните предимства на такива системи, практически няма аргументирани аргументи. Това не означава, че идеята няма право на съществуване, но декларираните спестявания са „леко“ преувеличени.
Направи си сам електролизатор за отопление на дома
В момента няма смисъл да се прави домашен електролизер за отопление на къща, тъй като цената на водорода, получен чрез електролиза, е много по-скъпа от природния газ или други охлаждащи течности.
Трябва също да се има предвид, че нито един метал не може да издържи на температурата на горене на водорода. Вярно е, че има решение, патентовано от Стан Мартин, което ви позволява да заобиколите този проблем. Необходимо е да се обърне внимание на ключов момент, което ви позволява да различите достойна идея от очевидна глупост. Разликата между тях е, че на първия се издава патент, а на втория намира поддръжници в Интернет.
Това може да е краят на статията за битови и индустриални електролизатори, но има смисъл да направим кратък преглед на компаниите, произвеждащи тези устройства.
Преглед на производителите на електролизери
Ние изброяваме производителите, които произвеждат горивни клеткибазирани на електролизери, някои компании произвеждат и домакински устройства: NEL Hydrogen (Норвегия, на пазара от 1927 г.), Hydrogenics (Белгия), Teledyne Inc (САЩ), Uralkhimmash (Русия), RusAl (Русия, значително подобрена технология на Soderberg), RutTech (Русия).