- 電解反応
- 半電池反応
- 処理する
- テクニック
- アルカリ水による電解
- 高分子電解質膜による電解
- 固体酸化物による電解
- 水の電気分解は何のためですか？
- 水素製造とその用途
- デバッグ方法として
- 酸素供給として
- 家庭実験
- ホーム変数
- 参考文献
水の電気分解とは、電流を流すことによって水の成分成分に分解することです。それらが進むにつれて、水素と分子状酸素、H 2とO 2が2つの不活性表面上に形成されます。これらの2つの表面は、電極の名前でよく知られています。
理論的には、形成されるH 2の体積はO 2の体積の2倍になるはずです。どうして？水分子のH / O比は2であるため、各酸素に対して2つのHです。この関係は、化学式H 2 Oで直接検証されます。ただし、多くの実験的要因が得られる体積に影響します。
出典：Flickr経由のAntti T. Nissinen
水に浸されたチューブ内で電気分解が実行される場合（上の画像）、液体の表面に圧力をかけるガスの量が多いため、下の水柱は水素に相当します。気泡は電極を取り囲み、水の蒸気圧を克服した後に上昇します。
チューブは、一方の電極から他方の電極へのガスの移動が少ないように互いに分離されていることに注意してください。小規模では、これは差し迫ったリスクを表すものではありません。しかし、工業規模では、H 2とO 2の混合ガスは非常に危険で爆発性があります。
このため、水の電気分解が行われる電気化学セルは非常に高価です。彼らは、ガスが決して混合しないことを保証する設計と要素、費用効果の高い電源、高濃度の電解質、特別な電極（電極触媒）、および生成されたH 2を貯蔵するメカニズムを必要としています。
電気触媒は摩擦を表すと同時に、水の電気分解の収益性を左右します。いくつかは、価格が非常に高いプラチナやイリジウムなどの貴金属酸化物で構成されています。特に研究者が力を合わせて効率的で安定した安価な電極を設計するのはこの時点です。
これらの努力の理由は、H 2と比較して低い速度で発生するO 2の形成を加速するためです。O 2が形成される電極によるこの減速は、一般的な結果として、必要以上の電位（過電圧）の印加をもたらします。これは、パフォーマンスが低く、費用が高いことと同じです。
電解反応
水の電気分解には多くの複雑な側面があります。ただし、一般的な用語では、その基礎は単純なグローバルな反応に基づいています。
2H 2 O（l）=> 2H 2（g）+ O 2（g）
方程式に見られるように、2つの水分子が含まれます。1つは通常還元されるか電子を獲得する必要があり、もう1つは電子を酸化または損失する必要があります。
H 2は、電子の利得はHすることを促進するため、水の還元の生成物である+プロトンが共有結合、及び酸素がOHに変換されていることができます- 。したがって、還元が発生する電極であるカソードでH 2が生成されます。
O 2は水の酸化によって発生しますが、そのため水素に結合するための電子を失い、その結果H +プロトンを放出します。O 2は、酸化が発生する電極であるアノードで生成されます。そして、他の電極とは異なり、陽極の周りのpHは酸性であり、塩基性ではありません。
半電池反応
これは、ハーフセル反応の次の化学方程式で要約できます。
2H 2 O + 2eは- => H 2 + 2OH - （カソード、塩基性）
2H 2 O => O 2 + 4H + + 4eは- （陽極酸）
しかし、水はより多くの電子（4eは失うことができない-陰極（2Eで他の水分子の利益よりも）-）; したがって、最初の方程式に2を掛け、次に2番目の方程式で減算して、正味の方程式を取得する必要があります。
2（2H 2 O + 2eは- => H 2 + 2OH -）
2H 2 O => O 2 + 4H + + 4eは-
6H 2 O => 2H 2 + O 2 + 4H + + 4OH -
しかし、4H +および4OH -フォーム4H 2 O、彼らは6 H 4なくすように2つの O 、分子2を残します。その結果は、概説されたグローバルな反応です。
半電池反応は、pH値、技術によって変化し、関連する還元電位または酸化電位もあり、これにより、水の電気分解が自然に進行するために必要な電流量が決まります。
処理する
出典：Ivan Akira、Wikimedia Commons
ホフマンボルタメーターは上の画像に示されています。シリンダーは、中央のノズルから水と選択された電解質で満たされます。通常の条件下では、H 3 O +とOH イオン-が自己イオン化の生成物が非常に少ないため、これらの電解質の役割は水の導電率を高めることです。
2つの電極は通常プラチナ製ですが、図ではカーボン電極に置き換えられています。どちらもバッテリーに接続されています。バッテリーには、水の酸化（O 2の生成）を促進する電位差（ΔV）が適用されます。
彼らは水がそれらの上に勝ち、Hとなる他方の電極に到達するまで、電子回路全体を移動する2 OHおよび- 。この時点で、アノードとカソードはすでに定義されています。これは、水柱の高さで区別できます。最も低い高さのものは、H 2が形成されるカソードに対応します。
シリンダーの上部には、発生したガスを放出するためのキーがあります。H 2の存在は、それを炎と反応させることにより注意深くチェックでき、その燃焼により気体の水が生成されます。
テクニック
水の電気分解技術は、生成されるH 2とO 2の量によって異なります。両方のガスを混合すると非常に危険です。そのため、電解セルには、ガス圧の増加と水性媒体を介した拡散を最小限に抑えるための複雑な設計が含まれています。
また、技術は、セル、水に追加された電解質、および電極自体によって異なります。一方で、反応がより高い温度で行われ、電力消費が削減されることを示唆するものもあれば、H 2を貯蔵しておくために非常に大きな圧力を使用するものもあります。
すべての手法の中で、次の3つに言及できます。
アルカリ水による電解
電気分解は、アルカリ金属（KOHまたはNaOH）の塩基性溶液で行われます。この手法では、反応が発生します。
4H 2 O（L）+ 4E - => 2H 2（G）+ 4OH -（aq）で
4OH - （水溶液）=> O 2（G）+ 2H 2 O（L）+ 4E -
見て分かるように、カソードとアノードの両方で、水は塩基性pHを持っています。とに加えて、OH -それらはOに酸化され、陽極に向かって移動する2。
高分子電解質膜による電解
この技術では、H +に対しては透過性であるが気体に対しては不透過性の膜として機能する固体ポリマーが使用されます。これにより、電解中の安全性が向上します。
この場合の半電池反応は次のとおりです。
4H +（aq）+ 4e - => 2H 2（g）
2H 2 O（L）=> O 2（G）+ 4H +（水溶液）+ 4E -
H +イオンは、アノードからカソードに移動し、そこで還元されてH 2になります。
固体酸化物による電解
他の手法とは非常に異なり、これは電解質として酸化物を使用します。これは、高温（600〜900℃）でO 2-アニオンの輸送媒体として機能します。
反応は次のとおりです。
2H 2 O（g）+ 4e - => 2H 2（g）+ 2O 2-
2O 2- => O 2（G）+ 4E -
今回はアノードに移動するのは酸化物アニオンO 2-であることに注意してください。
水の電気分解は何のためですか？
水の電気分解により、H 2（g）とO 2（g）が生成されます。世界で生産される水素ガスの約5％は、水の電気分解によって生成されます。
H 2は、NaCl水溶液の電気分解の副産物です。塩の存在は水の電気伝導率を高めることにより電気分解を促進します。
発生する全体的な反応は次のとおりです。
2NaCl + 2H 2 O => Cl 2 + H 2 + 2NaOH
この反応の非常に重要な点を理解するために、ガス状製品のいくつかの使用法について説明します。結局のところ、これらは水の電気分解をより効率的で環境にやさしい方法で実現する新しい方法の開発を推進するものだからです。
それらすべての中で、最も望ましいのは、燃焼する化石燃料の使用をエネルギー的に置き換えるセルとして機能することです。
水素製造とその用途
-電気分解で生成された水素は、中毒反応で作用する化学工業で、水素化プロセスで、または還元プロセスでの還元剤として使用できます。
-これは、塩酸、過酸化水素、ヒドロキシルアミンなどの商業的に重要ないくつかの行動においても不可欠です。窒素との触媒反応によるアンモニアの合成に関与しています。
-酸素と組み合わせると、3,000から3,500 Kの範囲の高カロリーの炎が生成されます。これらの温度は、金属産業での切断や溶接、合成結晶の成長、石英の製造などに使用できます。 。
-水処理：バクテリアが水素をエネルギー源として使用するバイオリアクターでの除去により、水中の過度に高い硝酸塩含有量を減らすことができます
-水素は、プラスチック、ポリエステル、ナイロンの合成に関与しています。さらに、それはガラスの製造の一部であり、焼成中の燃焼を増加させます。
-銀、銅、鉛、ビスマス、水銀など、多くの金属の酸化物や塩化物と反応して、純粋な金属を生成します。
-さらに、火炎検出器を備えたクロマトグラフィー分析で燃料として使用されます。
デバッグ方法として
塩化ナトリウム溶液の電気分解は、プールの水の浄化に使用されます。電気分解中、水素はカソードで、塩素（Cl 2）はアノードで生成されます。この場合、電解は塩塩素化装置と呼ばれます。
塩素は水に溶解して次亜塩素酸と次亜塩素酸ナトリウムを生成します。次亜塩素酸と次亜塩素酸ナトリウムは水を殺菌します。
酸素供給として
水の電気分解は、国際宇宙ステーションで酸素を生成するためにも使用されます。国際宇宙ステーションは、ステーションの酸素雰囲気を維持するのに役立ちます。
水素は、エネルギーを貯蔵する方法である燃料電池で使用でき、宇宙飛行士が消費するためにセルで生成された水を使用します。
家庭実験
水の電気分解実験は、実験室規模でホフマン電圧計、または電気化学セルに必要なすべての要素を収容できる別のアセンブリで行われました。
考えられるすべてのアセンブリと機器の中で、最も単純なものは、セルとして機能する大きな透明な水容器です。これに加えて、金属または導電性の表面も電極として機能する必要があります。1つはカソード用、もう1つはアノード用です。
この目的のために、両端に鋭いグラファイトの先端が付いた鉛筆でも便利です。そして最後に、小さなバッテリーとそれを即興の電極に接続するいくつかのケーブル。
透明な容器内で行われない場合、ガス状の気泡の形成は認められないであろう。
ホーム変数
水の電気分解は、代替エネルギー源を探している人にとって多くの興味深くて希望に満ちた側面を含むトピックですが、家庭での実験は子供や他の傍観者にとって退屈なものになる可能性があります。
したがって、特定の変数を変更して変化を記録することにより、H 2とO 2の形成を生成するのに十分な電圧を印加できます。
1つ目は、酢を使用して水を酸性化するか、Na 2 CO 3を使用して水をわずかに塩基性化する、水のpHの変動です。観察される気泡の数の変化が発生しなければならない。
さらに、同じ実験を温水と冷水で繰り返すことができます。このようにして、反応に対する温度の影響が考えられる。
最後に、データ収集を少し無色にするために、紫キャベツジュースの非常に希薄な溶液を使用できます。このジュースは、天然由来の酸塩基インジケータです。
電極を挿入した状態で容器に追加すると、陽極では水がピンク（酸性）に変わり、陰極では色が黄色（基本）になります。
参考文献
- ウィキペディア。（2018）。水の電気分解。から回復：en.wikipedia.org
- チャップリンM.（2018年11月16日）水の電気分解。水の構造と科学。からの回復：1.lsbu.ac.uk
- エネルギー効率と再生可能エネルギー。（sf）。水素製造：電気分解。回収元：energy.gov
- Phys.org。（2018年2月14日）。水電解用の高効率、低コストの触媒。回収元：phys.org
- 化学LibreTexts。（2015年6月18日）。水の電気分解。回収元：chem.libretexts.org
- Xiang C.、M。Papadantonakisab K.、およびS. Lewis N.（2016）。水の分解のための電解システムの原理と実装。王立化学協会。
- ミネソタ大学の摂政。（2018）。水の電気分解2.ミネソタ大学。回収元：chem.umn.edu