Prosedur elektrolisis air, teknik, untuk apa, percobaan di rumah

itu elektrolisis air itu adalah penguraian air menjadi komponen-komponen dasarnya dengan penerapan arus listrik. Saat diproses, hidrogen dan oksigen molekuler terbentuk pada dua permukaan lembam, H₂ dan O₂. Kedua permukaan ini lebih dikenal dengan nama elektroda.

Secara teoritis, volume H₂ yang terbentuk harus dua kali volume O₂. Mengapa Karena molekul air memiliki rasio H / O sama dengan 2, yaitu, dua H untuk setiap oksigen. Hubungan ini diperiksa langsung dengan rumus kimianya, H₂O. Namun, banyak faktor eksperimental yang mempengaruhi volume yang diperoleh.

Jika elektrolisis dilakukan di dalam tabung yang terendam dalam air (gambar atas), kolom air dengan ketinggian lebih rendah sesuai dengan hidrogen, karena ada jumlah yang lebih besar dari tekanan gas yang diberikan pada permukaan cairan. Gelembung mengelilingi elektroda dan akhirnya naik setelah tekanan uap air berakhir.

Perhatikan bahwa tabung dipisahkan satu sama lain sedemikian rupa sehingga ada migrasi rendah gas dari satu elektroda ke yang lain. Pada skala rendah, ini tidak mewakili risiko yang akan terjadi; tetapi pada skala industri, campuran gas H₂ dan O₂ Ini sangat berbahaya dan meledak-ledak.

Untuk alasan ini, sel elektrokimia di mana elektrolisis air dilakukan sangat mahal; mereka membutuhkan desain dan elemen yang menjamin bahwa gas tidak pernah bercampur, pasokan arus yang menguntungkan, elektrolit konsentrasi tinggi, elektroda khusus (elektrokatalis), dan mekanisme untuk menyimpan H₂ diproduksi.

Elektrokatalis mewakili gesekan dan pada saat yang sama sayap untuk keuntungan elektrolisis air. Beberapa terdiri dari oksida logam mulia, seperti platinum dan iridium, yang harganya sangat tinggi. Pada titik ini terutama di mana para peneliti bergabung untuk merancang elektroda yang efisien, stabil dan murah.

Alasan upaya ini adalah untuk mempercepat pembentukan O₂, yang diberikan pada kecepatan lebih rendah dibandingkan dengan H₂. Ini melambat oleh elektroda tempat O terbentuk₂ itu membawa sebagai konsekuensi umum penerapan potensi yang jauh lebih besar dari yang diperlukan (overpotential); apa yang sama, untuk menurunkan kinerja dan biaya yang lebih tinggi.

Indeks

• 1 Reaksi elektrolisis
  • 1.1 Reaksi setengah sel
• 2 Prosedur
• 3 Teknik
  • 3.1 Elektrolisis dengan air alkali
  • 3.2 Elektrolisis dengan membran elektrolit polimer
  • 3.3 Elektrolisis dengan oksida padat
• 4 Apa gunanya elektrolisis air??
  • 4.1 Produksi hidrogen dan penggunaannya
  • 4.2 Sebagai metode debugging
  • 4.3 Sebagai suplai oksigen
• 5 Percobaan di rumah
  • 5.1 Variabel rumah
• 6 Referensi

Reaksi elektrolisis

Elektrolisis air melibatkan banyak aspek kompleks. Namun, secara umum, dasarnya terletak pada reaksi global sederhana:

2 jam₂O (l) => 2H₂(g) + O₂(g)

Seperti yang diamati dalam persamaan, dua molekul air campur tangan: yang satu biasanya harus dikurangi, atau mendapatkan elektron, sedangkan yang lain harus mengoksidasi atau kehilangan elektron.

H₂ Ini adalah produk reduksi air, karena penguatan elektron mempromosikan proton H⁺ dapat diikat secara kovalen, dan oksigen diubah menjadi OH^-. Karena itu, H₂ terjadi di katoda, yang merupakan elektroda tempat reduksi terjadi.

Sedangkan O₂ berasal dari oksidasi air, karena kehilangan elektron yang memungkinkannya untuk berikatan dengan hidrogen, dan akibatnya melepaskan proton.⁺. O₂ terjadi di anoda, elektroda tempat oksidasi terjadi; dan tidak seperti elektroda lainnya, pH di sekitar anoda bersifat asam dan tidak basa.

Reaksi setengah sel

Di atas dapat diringkas dengan persamaan kimia berikut untuk reaksi setengah sel:

2 jam₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^- (Katoda, dasar)

2 jam₂O => O₂ + 4 j⁺ + 4e^- (Anoda, asam)

Namun, air tidak dapat kehilangan lebih banyak elektron (4e^-) di mana molekul air lainnya menang di katoda (2e^-); Oleh karena itu, persamaan pertama harus dikalikan dengan 2, dan kemudian dikurangi dengan persamaan kedua untuk mendapatkan persamaan bersih:

2 (2H₂O + 2e^- => H₂ + 2OH^-)

2 jam₂O => O₂ + 4 j⁺ + 4e^-

6 jam₂O => 2H₂ + O₂ + 4 j⁺ + 4OH^-

Tapi 4H⁺ dan 4OH^- mereka membentuk 4H₂Atau, jadi ini menghilangkan empat dari enam molekul H₂Atau meninggalkan dua; dan hasilnya adalah reaksi global yang diajukan.

Reaksi setengah sel berubah dengan nilai pH, teknik, dan juga memiliki potensi reduksi atau potensial oksidasi, yang menentukan berapa banyak arus yang perlu disediakan sehingga elektrolisis air berlangsung secara spontan.

Prosedur

Gambar atas menunjukkan voltmeter Hoffman. Silinder diisi dengan air dan elektrolit yang dipilih melalui nosel tengah. Peran elektrolit ini adalah untuk meningkatkan konduktivitas air, karena dalam kondisi normal hanya ada sedikit ion H₃O⁺ dan OH^- produk ionisasi otomatis Anda.

Kedua elektroda biasanya platinum, meskipun dalam gambar mereka digantikan oleh elektroda karbon. Keduanya terhubung ke baterai, dengan mana perbedaan potensial (ΔV) yang mempromosikan oksidasi air (pembentukan O) diterapkan.₂).

Elektron melakukan perjalanan seluruh rangkaian sampai Anda mencapai elektroda lain, di mana air menang dan menjadi H₂ dan OH^-. Pada titik ini anoda dan katoda sudah ditentukan, yang dapat dibedakan dengan ketinggian kolom air; yang tingginya lebih kecil, sesuai dengan katoda, tempat H terbentuk₂.

Di bagian atas silinder, ada beberapa kunci yang memungkinkan untuk melepaskan gas yang dihasilkan. Anda dapat memeriksa, dengan cermat, keberadaan H₂ membuatnya bereaksi dengan nyala api, yang pembakarannya menghasilkan air gas.

Teknik

Teknik elektrolisis air bervariasi tergantung pada jumlah H₂ dan O₂ yang diusulkan untuk menghasilkan. Kedua gas sangat berbahaya jika dicampur bersama, dan itulah sebabnya sel-sel elektrolitik membawa desain kompleks untuk meminimalkan peningkatan tekanan gas dan difusi mereka melalui media berair..

Juga, teknik berosilasi tergantung pada sel, elektrolit yang ditambahkan ke air, dan elektroda itu sendiri. Di sisi lain, beberapa menyiratkan bahwa reaksi dilakukan pada suhu yang lebih tinggi, mengurangi konsumsi listrik, dan yang lain menggunakan tekanan yang sangat besar untuk₂ disimpan.

Di antara semua teknik, tiga berikut dapat disebutkan:

Elektrolisis dengan air alkali

Elektrolisis dilakukan dengan larutan basa dari logam alkali (KOH atau NaOH). Dengan teknik ini reaksi terjadi:

4 j₂O (l) + 4e^- => 2H₂(g) + 4OH^-(ac)

4OH^-(ac) => O₂(g) + 2H₂O (l) + 4e^-

Seperti dapat dilihat, baik di katoda maupun di anoda, air memiliki pH basa; dan di samping itu, OH^- bermigrasi ke anoda tempat mereka teroksidasi menjadi O₂.

Elektrolisis dengan membran elektrolit polimer

Dalam teknik ini digunakan polimer padat yang berfungsi sebagai membran permeabel untuk H⁺, tapi tahan air untuk gas. Ini menjamin keamanan yang lebih besar selama elektrolisis.

Reaksi setengah sel untuk kasus ini adalah:

4 j⁺(ac) + 4e^- => 2H₂(g)

2 jam₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^-

Ion H⁺ mereka bermigrasi dari anoda ke katoda, di mana mereka direduksi menjadi H₂.

Elektrolisis dengan oksida padat

Sangat berbeda dari teknik lain, ia menggunakan oksida sebagai elektrolit, yang pada suhu tinggi (600-900ºC) berfungsi sebagai media transportasi anion.^2-.

Reaksinya adalah:

2 jam₂O (g) + 4e^- => 2H₂(g) + 2O^2-

2O^2- => O₂(g) + 4e^-

Perhatikan bahwa kali ini adalah anion oksida, ATAU^2-, mereka yang bepergian ke anoda.

Apa gunanya elektrolisis air?

Elektrolisis air menghasilkan H₂ (g) dan O₂ (g) Sekitar 5% dari gas hidrogen yang diproduksi di dunia dihasilkan oleh elektrolisis air.

H₂ itu adalah produk sampingan dari elektrolisis larutan NaCl berair. Kehadiran garam memfasilitasi elektrolisis dengan meningkatkan konduktivitas listrik air.

Reaksi global yang terjadi adalah:

2NaCl + 2H₂O => Cl₂     +       H₂      +       2NaOH

Untuk memahami betapa pentingnya reaksi ini, beberapa penggunaan produk gas akan disebutkan; karena pada akhirnya, ini adalah yang mendorong pengembangan metode baru untuk mencapai elektrolisis air dengan cara yang lebih efisien dan hijau.

Dari semuanya, yang paling diinginkan adalah untuk berfungsi sebagai sel yang secara energetik menggantikan penggunaan bahan bakar fosil yang terbakar.

Produksi hidrogen dan penggunaannya

-Hidrogen yang diproduksi dalam elektrolisis dapat digunakan dalam industri kimia yang bertindak dalam reaksi kecanduan, dalam proses hidrogenasi atau sebagai zat pereduksi dalam proses reduksi.

-Juga, sangat penting dalam beberapa tindakan yang penting secara komersial, seperti: produksi asam klorida, hidrogen peroksida, hidroksilamin, dll. Terlibat dalam sintesis amonia dengan reaksi katalitik dengan nitrogen.

-Dalam kombinasi dengan oksigen, itu menghasilkan api dengan kandungan kalori yang tinggi, dengan suhu berkisar antara 3.000 dan 3.500 K. Suhu ini dapat digunakan untuk pemotongan dan pengelasan di industri logam, untuk pertumbuhan kristal sintetis, produksi kuarsa, dll..

-Pengolahan air: kandungan nitrat yang terlalu tinggi dalam air dapat dikurangi dengan eliminasi mereka dalam bioreaktor, di mana bakteri menggunakan hidrogen sebagai sumber energi

-Hidrogen campur tangan dalam sintesis plastik, poliester, dan nilon. Selain itu, itu adalah bagian dari produksi gelas, meningkatkan pembakaran selama memanggang.

-Bereaksi dengan oksida dan klorida dari banyak logam, di antaranya: perak, tembaga, timah, bismut dan merkuri untuk menghasilkan logam murni.

-Dan selain itu, digunakan sebagai bahan bakar dalam analisis kromatografi dengan detektor api.

Sebagai metode debugging

Elektrolisis larutan natrium klorida digunakan untuk pemurnian air kolam renang. Selama elektrolisis, hidrogen diproduksi di katoda dan klorin (Cl₂) di anoda. Ada pembicaraan tentang elektrolisis dalam hal ini sebagai klorinator garam.

Klorin larut dalam air membentuk asam hipoklorit dan natrium hipoklorit. Asam hipoklorit dan natrium hipoklorit mensterilkan air.

Sebagai suplai oksigen

Elektrolisis air juga digunakan untuk menghasilkan oksigen di Stasiun Luar Angkasa Internasional, yang berfungsi untuk mempertahankan atmosfer oksigen di stasiun.

Hidrogen dapat digunakan dalam sel bahan bakar, metode untuk menyimpan energi, dan menggunakan air yang dihasilkan dalam sel untuk dikonsumsi oleh para astronot.

Percobaan di rumah

Percobaan elektrolisis air telah dilakukan pada skala laboratorium dengan voltmeter Hoffman, atau perakitan lain yang memungkinkan untuk mengandung semua elemen yang diperlukan dari sel elektrokimia.

Dari semua rakitan dan peralatan yang mungkin, yang paling sederhana adalah wadah air transparan besar, yang akan berfungsi sebagai sel. Selain itu, Anda juga harus memiliki permukaan logam atau konduktif listrik yang berfungsi sebagai elektroda; satu untuk katoda, dan yang lainnya untuk anoda.

Untuk tujuan ini, bahkan pensil dengan titik grafit yang dipertajam di kedua ujungnya mungkin berguna. Dan akhirnya, baterai kecil dan beberapa kabel yang menghubungkannya dengan elektroda improvisasi.

Jika tidak dilakukan dalam wadah transparan, pembentukan gelembung gas tidak bisa dihargai.

Variabel rumah

Meskipun elektrolisis air adalah subjek yang mengandung banyak aspek menarik dan penuh harapan bagi mereka yang mencari sumber energi alternatif, percobaan di rumah bisa membosankan bagi anak-anak dan penonton lainnya..

Oleh karena itu, tegangan yang cukup dapat diterapkan untuk menghasilkan pembentukan H₂ dan O₂ bergantian variabel-variabel tertentu dan mencatat perubahan.

Yang pertama adalah variasi pH air, baik menggunakan cuka untuk mengasamkan air, atau Na₂CO₃ untuk mendasarkannya sedikit. Perubahan jumlah gelembung yang diamati harus terjadi.

Selain itu, percobaan yang sama dapat diulangi dengan air dingin dan panas. Dengan cara ini pengaruh suhu pada reaksi kemudian akan direnungkan.

Akhirnya, untuk membuat pengumpulan data sedikit kurang berwarna, Anda dapat menggunakan larutan jus kubis ungu yang sangat encer. Jus ini merupakan indikator asam basa yang berasal dari alam.

Menambahkannya ke wadah dengan elektroda yang diperkenalkan, akan diperhatikan bahwa pada anoda air akan berubah menjadi merah muda (asam), sedangkan pada katoda, warnanya akan menjadi kuning (dasar).

Referensi

1. Wikipedia. (2018). Elektrolisis air. Diperoleh dari: en.wikipedia.org
2. Chaplin M. (16 November 2018). Elektrolisis air. Struktur dan ilmu air. Diperoleh dari: 1.lsbu.ac.uk
3. Efisiensi Energi & Energi Terbarukan. (s.f.). Produksi hidrogen: elektrolisis. Diperoleh dari: energy.gov
4. Phys.org. (14 Februari 2018). Efisiensi tinggi, katalis berbiaya rendah untuk elektrolisis air. Diperoleh dari: phys.org
5. Teks Libre Kimia. (18 Juni 2015). Elektrolisis air. Diperoleh dari: chem.libretexts.org
6. Xiang C., M. Papadantonakisab K., dan S. Lewis N. (2016). Prinsip dan implementasi sistem elektrolisis untuk pemisahan air. Perhimpunan Kimia Kerajaan.
7. Bupati dari Universitas Minnesota. (2018). Elektrolisis Air 2. University of Minnesota. Diperoleh dari: chem.umn.edu