Как воду разложить на водород и кислород в домашних условиях: Получение водорода. Установки получения (производства) водорода.

Содержание

Как разложить воду на водород и кислород в домашних условиях

Ученые мужи расщепили воду на

водород и кислород, применяя привычную батарейку

Ученые мужи из Стэнфордского университета разработали оригинальное устройство, которое применяет привычную 1,5-вольтовую батарейку, для расщепления воды на водород и кислород при температуре 20 градусов. Их разработка является недорогим и хорошим способом для изготовления горючего для водородных машин.

Расщепитель воды изготавливается из самых недорогих металлов, никеля и железа, через которые пропускается ток от обыкновенной батарейки типа ААА, сообщает ресурс Gizmag.

«Нам первый раз получилось расщепить воду при невысоком напряжении, применяя дешевые металлы. Это немаловважно, ведь раньше для таких целей применялись не дешёвые металлы, например платина или иридий», — говорит ведущий изыскатель Hongjie Dai.

Методика имеет очень большой потенциал как источник питания для водородных двигателей, которые уже давно пророчат на смену бензиновым. В отличии от двигателей на бензине, которые делают много вредных выбросов в атмосферу, в качестве побочного продукта у водородных агрегатов считается вода.

Раньше водородные двигатели осуждали за их большую цену, отсутствие хорошей инфраструктуры и невысокую энергетическую эффективность. Однако, согласно мнению ученых из Стэнфордского университета, их открытие способна заметно поправить большинство таких недостатков.

«На протяжении долгого времени ученые мужи пытались выполнить дешевые электрокатализаторы с большей эффективностью и большим служебным сроком. Когда мы выявили, что никель считается так же успешным, как и платина, это стало для нас неожиданностью», — объясняет Hongjie Dai.

Катализатор из никеля и оксида никеля просит для расщепления воды намного меньшее напряжение, в сравнении с чистым никелем или чистым оксидом никеля. Но, как сообщают создатели, эта технология еще довольно «сырая» и не очень готова для коммерческого применения.

В дальнейшем ученые мужи задумывают создать катализатор, который работает от энергии солнца заместь батарейки. Ведь экспериментаторы считают, что их открытие может значительно оказать влияние на производство водородных машин. К слову, отметим, что компания Toyota, думает в следующем году представить автомобиль с двигателем, работающем на водороде.

Как дома дешево выделить

водород из воды?

Вот оно наше грядущее, — это применение водорода в обиходе, выделяя его из простой воды. Только как это осуществить, без расходов и расходов?

«Выделить» водород из воды нереально. Можно «разложить» воду на водород и кислород, либо электролизом, либо термическим разложением при температуре больше 2000 (2-ух тысяч) градусов, либо еще каким-то другим способом подвода энергии. На разложение воды на водород и кислород (в прекрасном случае) необходимо Именно столько же энергии, сколько выйдет при сжигании того же водорода. С учетом неизбежных потерь потратить придется больше, чем получится получить обратно. Никаких катализаторов для разложения воды не надо. Катализаторы (вещества, разрешающие направить необходимую нам реакцию по иному механизму) не могут поменять энергетический эффект реакции. На разложение воды, хоть без катализатора, хоть с катализатором (если такой когда-либо изобретут) необходимо именно столько же энергии.

Воду научились разграничивать на

водород и кислород при помощи золотых нанозвездочек и энергии солнца

Золотые наношарики помогают делят воду на кислород и водород при помощи солнечного света. Эта технология очень перспективна для топливных компонентов.

Шипастые золотые шарики наноразмера, схожие на рыбу-ежа, с помощью одной лишь энергии солнца удачно делят воду на кислород и водород, нужный для топливных компонентов.

В огромном масштабе современная технология способно создать способ сбора энергии солнца, которую легче будет сохранять для применения, что даст возможность ей справиться с колебаниями спроса на энергию, которыми даже в наше время мучаются возобновляемые источники энергии, например энергия солнца и ветровая.

Крошечные золотые звездочки покрыты ультратонким слоем оксида титана, который действует на водяные молекулы как катализатор. Инфракрасный и заметный свет солнца преобразовуются в электроны золотом, а потом эти высококонцентрированные электроны подаются в слой титана для деления воды на водород и кислород.

До этого этот процесс мог быть сделан исключительно с ультрафиолетовым светом, существующим на намного большие, малоэффективные титановые и золотые катализаторы.

Обследование Лауры Фабрис, инженера материалов из Университета Рутгерса в Нью-Брансуике, размещённое в журнале Chem, решает данную проблематику, благодаря специально разработанной форме или морфологии наночастиц золота с титановым покрытием для улавливания более большого диапазона длин волн в свете солнца.

Аналогичным образом получилось получить намного более хороший и дешевый процесс, какой имеет намного низкий отпечаток во внешней среде.

Частицы обязаны быть с острыми шипами по двум причинам. Самое первое, они служат хорошими антеннами для ближнего инфракрасного излучения, которое считается широкой частью солнечного спектра. Также шипы разрешают экспериментаторам направлять значительный объем электронов к их острым кончикам, что делает легче миграцию электронов в титан.

Команда Фабрис уже проконтролировали в чем-то вроде чана данных наносфер золота, регулярно перемешиваемых в водной массе, за счёт чего каждая часть их поверхности пребывала в постоянном контакте с молекулами воды и лучами солнца.

— У нас существует только шесть или семь концов, и мы можем настроить длину данных наконечников от 70 до 100 нанометров, что прекрасно. Как правило вы могли бы создать материал, поглощающий весь свет солнца, — отметила Фабрис.

Материал, поглощающий весь свет солнца, был бы гораздо более успешным, чем те, которые есть нынче, которые могут поглощать только 5%.

Простейший электролизер своими руками

Навигация по записям

Солнечный водород как спасение — Федеральное министерство иностранных дел Германии

Революционная методика позволит превращать этот элемент в «чистое» топливо и использовать в качестве энергонакопителя в промышленных масштабах.

Водород признан незаменимым для экологичного и стабильного энергообеспечения, поскольку выработка тока и тепла с его помощью представляет собой практически неограниченный ресурс и не генерирует опасные побочные продукты. Специалисты давно делают ставку на производство этого элемента путем прямого расщепления воды солнечным светом. Однако из-за малой производительности фотокалитических систем водород до сих пор получают в основном из природного газа или из воды, которую расщепляют электролизом. А используемые в промышленном масштабе агрегаты пока не приспособлены работать исключительно на изменяющейся силе ветра или солнечной энергии.

Германо-американская команда исследователей совершила прорыв в фотогальванике, увеличив КПД при стопроцентном «солнечном» производстве водорода из воды до рекордных 19 %. Тем самым ученые вплотную приблизились к теоретически допустимому максимуму, составляющему 23 %, при котором вся поглощенная энергия света расходуется на разложение воды. Примечательно, что предыдущий рекорд (12,4 %) продержался целых 17 лет.

Для своей революционной разработки Маттиас Май (Mattias May) из Центра материалов и энергии имени Гельмгольца, Томас Ханнапель (Thomas Hannappel) из Технического университета Ильменау и Ханс-Йоахим Леверенц (Hans-Joachim Lewerenz) из Калифорнийского технологического института использовали высокоэффективную тандемную солнечную батарею, состоящую из двух полупроводников смешанного типа.

Суперпродуктивность инновационной солярной энергосистемы (ISE) обеспечивает разработанный во Фрайбурге в Институте солнечных энергосистем им. Фрауэенгофера фотохимический элемент, который имеет фотоэлектрический КПД 30 процентов. Собственно, он и вырабатывает электроэнергию из солнечного света с тем, чтобы расщепить воду на водород и кислород. Для этого солнечная батарея помещается в заполненную водой электрохимическую ячейку. В процессе эксплуатации в области катода выделяется газообразный водород, тогда как в области анода возникает кислород.

Три года назад Маттиасу Маю и его коллегам этим способом уже удавалось преобразовать 14 процентов падающего солнечного света в водород, что в то время тоже было лучшим в мире результатом. Однако энергопотери, вызванные процессами отражения и поглощения света на поверхности используемой тогда  фотохимической ячейки, были слишком велики. К тому же коррозийный эффект, вызванный контактом с водой, сокращал срок службы электрохимических элементов.

Сейчас исследователи устранили слабые звенья конструкции. «Мы заменили антикоррозийный верхний слой кристаллическим слоем диоксида титана, который не только обладает отличными антибликовыми свойствами, но и притягивает наночастицы родия, из которых состоит катализатор нашей установки», – объясняет Ханс-Йоахим Леверенц.

Для получения частиц родия, ускоряющих процесс расщепления воды, исследователи также использовали новый электрохимический процесс. «Эти частицы всего 10 нанометров в диаметре и поэтому оптически почти прозрачны, что делает их идеальными для работы», – поясняют создатели высокопродуктивной новинки.

Кроме этого, на этот раз удалось обеспечить оптимальную транспортировку производимого в солнечной батарее электрического переносчика заряда в направлении катода. Все эти новшества позволили ученым обеспечить в кислотном водном растворе небывалую эффективность 19,3 %, тогда как в нейтральной воде КПД на данный момент составляет 18,5 %.  С помощью дальнейших технических инноваций экспериментаторы рассчитывают перешагнуть 20-прецентный показатель производительности для фотокаталитической ячейки этого типа.

Среди ближайших задач – работа над увеличением срока эксплуатации тандемной батареи, который пока остается слабым звеном. Производительность системы падает после ста часов работы, в то время как для практического применения требуется несколько тысяч часов бесперебойной работы без снижения эффективности.

Также в планах – снизить затраты на материалы для прототипа, поскольку используемые в нем особые полупроводники делают конструкцию чересчур дорогой для коммерческого применения. Для этого специалисты Технического университета Ильменау вместе с коллегами из Института Фрауэнгофера работают над созданием фотогальванических элементов, в которых композиционные полупроводники  будут скомбинированы с кремнием, который превосходит родий в экономичности.

Если удастся и впредь вести разработки с нынешними темпами, то, по оценкам ученых, уже через пять-десять лет тандемные солнечные батареи поступят на рынок, чтобы превращать энергию солнечного света в водород в промышленных масштабах.

Арина Попова

 

Топливо из воды! – самое дешевое

Изобретатели всех мастей, от домашних умельцев до консолидаций академиков, пытаются создать нечто новое. В приоритете – энергосбережение и экономия, новые котлы и новые самые дешевые виды топлива.

Идея создать топливо для дома из воды, или с примесью воды для его удешевления, не нова. Она до сих пор находится на главенствующие позициях среди домашних изобретателей.

Можно ли отапливать свой дом буквально водой?, какие получились результаты?, — далее…

В чем идея

Известно, что вода состоит из водорода и кислорода, Н2О. Сам водород (Н2) горит, выделяя энергии в 3 раза больше чем обычный природный газ. Кислород (О2)– окислитель при горении, очень активное вещество, вступает в реакции с тем же водородом, углеродом (С) образуя воду и углекислый СО2 или угарный СО газы с большим выделением тепла.

Если каким-то образом воду расщепить на составляющие, то можно получить самые нужные топливные элементы.

Возникает вопрос, — что будет, например, если водяной пар подавать в плазму, подмешивать в горящие дрова или уголь…

Удивительные эксперименты далее…

Эксперименты с вечным поленом

Вечным поленом называют небольшой металлический бак с маленькими отверстиями для выхода водяного пара. Эту емкость заполняют водой, закручивают горловину болтом, и кладут на дно печи. Емкость разогревается до большой температуры, с нее выходит водяной пар, поступая прямо на горящие угли.

В результате, по заявлениям экспериментаторов, черная сажа в дыму пропадает. Т.е. якобы частички углерода, обычно уносимые в трубу, теперь все реагируют с кислородом.


Пламя становится насыщенным с длинными языками и т.д.

Но правда замеры реального полученного тепла не проводились, замерить его в домашних условиях невозможно, но все признаки большой энергоотдачи присутствуют….

Добавляем воду в обычное топливо

По аналогии другой эксперимент от людей, которые называют себя «домашними изобретателями».

Что будет если воду добавить в солярку? Оказывается — смесь горит! Также меньше копоти, возникает некоторая бурность горения, слышен треск.

В бутылку с водой добавляем немного солярки, хорошенько перебалтываем, даем постоять минут пять, затем окунаем в верхушку смеси бумажку, поджигаем, – горит.

Другой эксперимент. Смешиваем солярку с водой в каких-то пропорциях, заливаем в дизель трактора, — заводим агрегат, трактор работает. т.е. тарахтит, стоя на месте…

И еще подобных экспериментов с добавлением воды в какое-либо топливо (горючее вещество) – в бензин, газ, масло, солярку, — можно придумать множество. И при аккуратном исполнении, вероятно получить горение…

Подобные видеоролики от «изобретателей» без труда можно найти в сети. И можно сделать вывод, что водой можно отапливать дом, например…

Что можно поставить под сомнение

В подобных экспериментах не договаривается главное – количество получаемого, тепла, выделившейся энергии и произведенной работы.

Это касается и вечного полена, и сжигания солярки с водой. А «трактор на воде» сможет ли сдвинуться с места, не то что работать месяцы и годы, — не известно.

Ведь все знают, что водой тушат, а не разжигают…. Потому, что у воды большая теплоемкость, она охлаждает горящий объект, обволакивает его, предотвращая доступ кислорода из воздуха к углероду (обычно) в топливе. Поэтому затушить костер водой из бутылки – нет проблем.

Почему нельзя топить водой

Известно следующее. Чтобы разложить воду на кислород и водород, нужно затратить энергии больше, чем выделится при их обратной реакции. Соотношение примерно такое:

  • на расщепление воды – 100% энергии;
  • при сжигании составляющих выделится только 75% энергии.

Поэтому до сих пор на воде ни что не ездит, не летает, не крутится…

Автомобиль, работающий на чистой воде, давно уже создан. Расщепление воды получается посредством электролиза – на одном электроде выделяется Н2, на другом – О2. Затем они же сжигаются в двигателе внутреннего сгорания. Но такой автомобиль оказался самым не экономичным из всех существующих…

Обман чистой воды

Все эксперименты с добавлением воды в обычное топливо (по «сжиганию воды») — чистый обман. Ни какой энергии не добавляется. Наоборот, польза уменьшается, так как большая часть энергии расходуется на испарение воды.

Вода при нагревании от обычного горения ни в какие реакции не вступает– она просто испаряется. И на этот процесс нужно отобрать львиную долю тепла, которое можно было бы использовать с пользой.

Например, при сжигании сухих дров, с влажностью не больше 20%, выделится около 3,9 кВт с одного килограмма топлива.
При сжигании влажной древесины, 50% влажности, — лишь до 2,2 кВт с килограмма.

Что происходит на самом деле

  • При горении бумажки окунутой в солярочно-водную смесь слышен треск – испарение воды. Перед этим капля солярки размешивается в бутылке воды, взбалтывается, но затем ей дают отстояться, и солярка снова собирается вверху бутылки. Солярка, масло, бензин, с водой не перемешиваются, не создают однородных смесей, они легче, и постепенно собираются на поверхности.
  • Трактор на водно-солярной смеси ничего не сделает, — энергии солярки будет маловато для работы. Хватает только потарахтеть стоя на месте. Да и двигатель быстро выйдет из строя…
  • Вечное полено сильно охлаждает печь, забирая энергию на испарение воды. Это все равно, что топить мокрыми дровами.
  • Следующий схематический рисунок горелки с подачей воды в зону сжигания природного газа — обычный обман.

Мы всегда топим с водой

Водяной пар всегда присутствует в воздухе. В жилых помещениях в среднем влажность воздуха составляет 50% , в дождливую погоду на улице влажность 90%.

Так что вода и так присутствует при горении любого топлива, она находится в большом количестве непосредственно на раскаленной поверхности вещества, реагирующего с кислородом из воздуха, хотим мы этого или нет. Оказывается, что экспериментов подобных проводить не надо, вода и так всегда присутствует в пламени….

Метод получения кислорода из воды в условиях невесомости дает надежду на дальние космические путешествия

Следующее эссе перепечатано с разрешения The Conversation, интернет-издания, посвященного последним исследованиям.

Космические агентства и частные компании уже разработали планы по отправке людей на Марс в ближайшие несколько лет и, в конечном счете, его колонизации. А с растущим числом открытий похожих на Землю планет вокруг ближайших звезд дальние космические путешествия никогда не казались более захватывающими.

Однако людям нелегко выживать в космосе в течение продолжительных периодов времени. Одной из главных проблем дальних космических полетов является транспортировка достаточного количества кислорода для дыхания астронавтов и достаточного количества топлива для питания сложной электроники. К сожалению, в космосе мало кислорода, а большие расстояния затрудняют быстрое восполнение запасов.

Но теперь новое исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что можно производить водород (для топлива) и кислород (для жизни) только из воды, используя полупроводниковый материал и солнечный свет (или звездный свет) в условиях невесомости, космические путешествия — реальная возможность.

Использование неограниченных ресурсов солнца для обеспечения энергией нашей повседневной жизни является одной из самых больших проблем на Земле. Поскольку мы медленно уходим от нефти к возобновляемым источникам энергии, исследователей интересует возможность использования водорода в качестве топлива. Лучший способ сделать это — разделить воду (h3O) на составляющие: водород и кислород. Это возможно с помощью процесса, известного как электролиз, который включает пропускание тока через образец воды, содержащий некоторое количество растворимого электролита.Это расщепляет воду на кислород и водород, которые выделяются отдельно на двух электродах.

Хотя этот метод технически возможен, он еще не стал доступным на Земле, поскольку нам нужно больше инфраструктуры, связанной с водородом, такой как станции заправки водородом, чтобы масштабировать его.

Сила солнца

Водород и кислород, полученные таким образом из воды , также могут использоваться в качестве топлива на космических кораблях. Запуск ракеты с водой на самом деле был бы намного безопаснее, чем запуск с дополнительным ракетным топливом и кислородом на борту, которые могут быть взрывоопасными.Оказавшись в космосе, специальная технология сможет расщепить воду на водород и кислород, которые, в свою очередь, можно будет использовать для поддержания жизни или для питания электроники с помощью топливных элементов.

Это можно сделать двумя способами. Один из них включает электролиз, как мы делаем на Земле, с использованием электролитов и солнечных элементов , чтобы улавливать солнечный свет и преобразовывать его в ток.

Альтернативой является использование «фотокатализаторов», которые работают, поглощая частицы света — фотоны — полупроводниковым материалом, помещенным в воду.

Энергия фотона поглощается электроном в материале, который затем прыгает, оставляя после себя дыру. Свободный электрон может реагировать с протонами (которые вместе с нейтронами составляют атомное ядро) в воде с образованием водорода. Между тем, дырка может поглощать электроны из воды с образованием протонов и кислорода.

Этот процесс также может быть обратным. Водород и кислород можно объединить или «рекомбинировать» с помощью топливного элемента, возвращая солнечную энергию, полученную в результате «фотокатализа» — энергию, которую можно использовать для питания электроники.В результате рекомбинации в качестве продукта образуется только вода, а это означает, что вода также может быть использована повторно. Это ключ к дальним космическим путешествиям.

Процесс с использованием фотокатализаторов — лучший вариант для космических полетов, так как вес оборудования намного меньше, чем для электролиза. По идее должно работать легко. Отчасти это связано с тем, что интенсивность солнечного света намного выше, а атмосфера Земли не поглощает его в больших количествах на пути к поверхности.

Управление пузырями

В новом исследовании исследователи сбросили полную экспериментальную установку для фотокатализа в 120-метровую башню, создав среду, подобную микрогравитации.По мере того, как объекты ускоряются к Земле в свободном падении, эффект гравитации уменьшается, поскольку силы, действующие под действием гравитации, уравновешиваются равными и противоположными силами из-за ускорения. Это противоположно перегрузкам, которые испытывают космонавты и летчики-истребители, когда они разгоняются в своих самолетах.

Исследователям удалось показать, что в этой среде действительно возможно разделить воду. Однако, когда вода расщепляется с образованием газа, образуются пузырьки. Избавление от пузырьков из когда-то образовавшегося материала катализатора важно, так как пузырьки мешают процессу образования газа.На Земле гравитация заставляет пузырьки автоматически всплывать на поверхность (вода у поверхности плотнее пузырьков, что делает их гибкими), освобождая место на катализаторе для образования следующего пузыря.

В условиях невесомости это невозможно, и пузырек останется на катализаторе или рядом с ним. Однако ученые скорректировали форму наночастиц в катализаторе, создав пирамидальные зоны, в которых пузырек мог легко отделиться от кончика и уплыть в среду.

Но остается одна проблема. В отсутствие гравитации пузырьки останутся в жидкости, даже если они были вытеснены из самого катализатора. Гравитация позволяет газам легко выходить из жидкости, что очень важно для использования чистого водорода и кислорода. Без гравитации никакие пузырьки газа не всплывают на поверхность и не отделяются от смеси — вместо этого весь газ остается для создания пены.

Это резко снижает эффективность процесса из-за блокировки катализаторов или электродов.Инженерные решения этой проблемы будут иметь ключевое значение для успешного внедрения технологий в космосе, причем одной из возможностей будет использование центробежных сил от вращения космического корабля для отделения газов от раствора.

Тем не менее, благодаря этому новому исследованию мы стали на шаг ближе к длительному космическому полету человека.

Первоначально эта статья была опубликована на The Conversation. Прочитайте оригинальную статью.

Топливо будущего: использование солнечного света для расщепления воды

Водород как устойчивая альтернатива ископаемому топливу

«В идеальном мире мы могли бы использовать солнечный свет, который есть повсюду, и воду, которая покрывает 75 процентов земного шара, для производства водорода для использования в качестве топлива», — сказал Рэнди Таммел, профессор химии Джона и Ребекки Мур. в колледже естественных наук и математики.

Водород: альтернатива ископаемому топливу

Thummel получил трехлетний грант в размере 570 000 долларов США от Министерства энергетики. Этот грант будет финансировать его текущие усилия по разработке катализатора, который может использовать энергию солнечного света для расщепления воды на водород и кислород. Когда вода расщепляется или разлагается, она производит водород и кислород. Когда водород сгорает, он использует кислород для производства воды и энергии. Этот цикл разложения воды и сжигания водорода обещает устойчивую альтернативу ископаемому топливу.

В настоящее время в Калифорнии работает ограниченное количество демонстрационных автомобилей, использующих водород в качестве топлива. Чтобы эта технология стала практичной, необходимо преодолеть ряд препятствий, одной из основных проблем является производство водорода.

Существующие методы производства водорода ограничены

Thummel недавно получил трехлетний грант в размере 570 000 долларов США от Министерства энергетики для финансирования его текущих усилий по разработке катализатора, который может использовать энергию солнечного света для расщепления воды на водород и кислород.

«Важнейший вопрос для использования водорода в качестве транспортного топлива: где вы берете водород?» он сказал: «Прямо сейчас водород поступает из двух источников. Первый — это термический крекинг углеводородов, то есть вы берете бензин и превращаете его в водород. Другой путь — через электролиз воды, стоимость энергии которого превышает стоимость энергии, которую вы получаете от сжигания водорода».

Туммель, как химик-органик, разрабатывает катализаторы, которые могут способствовать химическим реакциям без каких-либо необратимых изменений в катализаторе.Это означает, что катализатор можно использовать снова и снова.

«Очевидно, что разложение воды с помощью солнечного света не происходит без катализатора. В противном случае вода в наших океанах испарилась бы», — сказал он. «Мы хотели бы создать катализатор, способный поглощать солнечный свет, создавая более высокое энергетическое состояние. Затем это более высокое энергетическое состояние можно использовать для разделения молекулы воды на водород и кислород».

Задача

— найти катализаторы, производящие водород и кислород

Ученые уже давно пытаются разработать эффективные способы расщепления воды. На первый взгляд химия проста: разорвите связи между кислородом и водородом, чтобы образовать связи между двумя водородами.

«Сначала это кажется пустяком, — сказал он. «К сожалению, получить катализаторы для такой химии сложно».

В настоящее время существуют катализаторы, которые работают со светом для производства водорода, и катализаторы, которые производят кислород, но не работают со светом. Задача состоит в том, чтобы найти способ образования водорода и кислорода в одной и той же реакции, чтобы все уравновесилось», — сказал он.

Исследования Таммела сосредоточены на объединении нескольких методов, которые, по его мнению, могут стать ключом к развитию этой сбалансированной реакции.

«Если мы сможем конструктивно использовать воду и солнечный свет, это будет огромным шагом вперед», — сказал он. Цитируя Жюля Верна из романа « Таинственный остров »: «Вода будет углем будущего».

— Рэйчел Фэрбэнк, Колледж естественных наук и математики

Электролиз воды — обзор

Электрогидролиз

Электролиз воды используется для получения ионов водорода и гидроксида. Электрогидролиз водных потоков сульфата натрия для регенерации серной кислоты и едкого натра известен уже много лет.

2H 2 O ⇔ 2H + + 2OH

2NA + + 2OH → 2NAOOH

2− + 2H + → H 2 SO 4

Процесс может осуществляться в мембранной ячейке с тремя отсеками, показанной на рис. 11, в которой поток сульфата натрия подается в центральный отсек и ионные компоненты, переносимые через ионообменные мембраны.Таким образом, ионы натрия, переносимые через катионообменную мембрану, соединяются с гидроксид-ионом, образующимся в результате образования водорода на катоде. Ионы сульфата, переносимые через анионообменную мембрану, соединяются с ионами водорода, образующимися анодно, с образованием серной кислоты. Этот процесс ограничен максимальными концентрациями кислоты и основания, которые могут быть получены за счет просачивания соли через мембраны. В целом выход по току значительно падает с образованием более высоких концентраций серной кислоты.Кроме того, хотя в принципе процесс дает поток кислоты без присутствия сульфата натрия, селективность анионообменной мембраны недостаточна для удаления ионов натрия из анодного отделения.

РИСУНОК 11. Электрогидролизная ячейка с тремя отсеками.

В результате вышеуказанных ограничений для выполнения этой функции был использован альтернативный процесс, основанный на ячейке с двумя отсеками. По сравнению с двухкамерной ячейкой этот процесс обеспечивает более низкое напряжение ячейки, чем трехкамерная ячейка, позволяет избежать слабости анионообменных мембран и обеспечивает высокую эффективность тока при концентрации продукта серной кислоты 15% и выше.Хотя серная кислота содержит сульфат натрия, его можно удалить путем кристаллизации в соответствии с требованиями заказчика. Очищенный раствор сульфата натрия насыщают добавлением рециркулированного сульфата натрия после кристаллизации. Насыщенный электролит поступает в анолитные камеры электролизера, где обогащается по отношению к серной кислоте, причем ионы натрия прогоняются через мембрану. Часть отработанного анолита направляется на переработку анолита, а остальная часть рециркулируется в сатуратор анолита.

Обработка анолитом повышает концентрацию серной кислоты и регулирует концентрацию сульфата натрия в соответствии с требованиями основного процесса. Это достигается выпариванием и кристаллизацией. Любые кристаллизованные твердые вещества возвращаются в сатуратор анолита для растворения и повторного использования.

Обработка католита относительно проста. Для концентраций, значительно превышающих католит в выхлопных газах (20% кг/кг гидроксида натрия), его обычно проводят в испарителе двойного действия.Важно отметить, что католитный продукт, обычно 20% по массе NaOH, является чистым.

РИСУНОК 12. Двухкамерная электрогидролизная ячейка.

Для повторного использования раствора Na 2 SO 4 был разработан альтернативный процесс расщепления соли, в котором образуются сульфат аммония и гидроксид натрия, а не серная кислота и гидроксид натрия. Это достигается в трехкамерной ячейке, в которой Na 2 SO 4 подается в центральную камеру, а ионы SO 4 2− мигрируют через анионообменную мембрану к аноду.Аммиак непрерывно добавляется в это отделение для поддержания постоянного pH 1,5 и образования сульфата аммония, который будет использоваться в качестве удобрения. Поддержание низкого pH важно для обеспечения стабильности анода DSA, который в противном случае, наряду с другими материалами (нержавеющая сталь, Ni, графит Pt), подвергся бы коррозии при высоком pH в растворах аммиака. В ячейке используются анионообменные мембраны Neosepta AMH и катионообменные мембраны Nation 902, а также никелевый катод для производства растворов щелочи и сульфата аммония с концентрацией более 30% и 40% соответственно.Текущая эффективность порядка 90% может быть достигнута.

Использование метода расщепления соли может быть широко применено ко многим неорганическим и органическим веществам. Например, поток водного цитрата натрия, который может быть предварительно сконцентрирован обратным осмосом, может быть обработан в электролитической ячейке, снабженной двумя катионоселективными мембранами. Здесь протоны, образующиеся на аноде, переносятся через одну из катионообменных мембран в центральное отделение. Вторая мембрана переносит ионы натрия, присутствующие в цитратном сырье, в католиевую камеру, где они соединяются с ионами OH , образующимися при катодном выделении водорода, с образованием раствора гидроксида натрия.Таким образом, в центральном отсеке ионы натрия эффективно замещаются ионами H + , образуя лимонную кислоту.

23.9: Электролиз воды — Химия LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Электролиз воды
  2. Резюме

Поскольку ископаемое топливо становится все более дорогим и менее доступным, ученые ищут другие источники энергии. Водород долгое время считался идеальным источником, поскольку при горении он не загрязняет воздух. Проблема заключалась в том, чтобы найти способы экономичного производства водорода. Один из новых подходов, который изучается, — это фотоэлектролиз — производство электричества с использованием фотогальванических элементов для расщепления молекул воды. Этот метод все еще находится на стадии исследований, но, похоже, в будущем он станет очень многообещающим источником энергии.

Электролиз воды

При электролизе воды образуются газообразные водород и кислород.Электролитическая ячейка состоит из пары платиновых электродов, погруженных в воду, к которым добавлено небольшое количество электролита, такого как \(\ce{H_2SO_4}\). Электролит необходим, потому что чистая вода не несет достаточного заряда из-за отсутствия ионов. На аноде вода окисляется до газообразного кислорода и ионов водорода. На катоде вода восстанавливается до газообразного водорода и ионов гидроксида.

\[\begin{array}{lll} \text{окисление (анод):} & 2 \ce{H_2O} \left( l \right) \rightarrow \ce{O_2} \left( g \right) + 4 \ce{H^+} \left( aq \right) + 4 \ce{e^-} & E^0 = -1. 0_\текст{ячейка} = -2,06 \: \текст{V} \конец{массив}\]

Чтобы получить полную реакцию, полуреакция восстановления была умножена на два, чтобы уравнять электроны. Ионы водорода и гидроксид-ионы, образующиеся в каждой реакции, объединяются, образуя воду. \(\ce{H_2SO_4}\) в реакции не расходуется.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Устройство для производства газообразного водорода и кислорода путем электролиза воды.

Резюме

Основы водорода — Производство

Водород не является источником энергии, но является переносчиком или переносчиком энергии.Это означает, что он должен производиться из одного из первичных источников энергии: ископаемого топлива, ядерных, солнечных, ветряных, биомассовых, гидро-, геотермальных и городских отходов. Вся энергия, которую мы используем, включая водород, должна производиться из одного из этих трех основных энергетических ресурсов.

На Земле водород встречается в сочетании с другими элементами. Например, в воде водород соединяется с кислородом. В ископаемом топливе он сочетается с углеродом, как в нефти, природном газе или угле.Задача состоит в том, чтобы отделить водород от других встречающихся в природе соединений эффективным и экономичным способом. См. диаграмму «Пути производства водорода» ниже, чтобы узнать об уникальных способах производства водорода из трех источников.

Существует несколько методов производства или извлечения водорода. Паровой риформинг — хорошо зарекомендовавшая себя технология, позволяющая производить водород из углеводородов и воды. В настоящее время паровая конверсия метана производит около 95 процентов водорода, используемого в Соединенных Штатах.

Другим традиционным методом является электролиз, при котором электрический ток разлагает воду на молекулы водорода и кислорода. Электричество для электролиза может поступать из любого из трех источников энергии.

Стоимость производства водорода является важным вопросом. Водород, полученный путем паровой конверсии, стоит примерно в три раза дороже природного газа на единицу произведенной энергии. Это означает, что если природный газ стоит 6 долларов за миллион БТЕ, то водород будет стоить 18 долларов за миллион БТЕ.Кроме того, производство водорода путем электролиза с электричеством по цене 5 центов/кВтч будет стоить 28 долларов США за миллион БТЕ, что чуть меньше чем в два раза превышает стоимость водорода из природного газа. Обратите внимание, что стоимость производства водорода из электроэнергии является линейной функцией затрат на электроэнергию, поэтому электричество при цене 10 центов/кВтч означает, что водород будет стоить 56 долларов США за миллион БТЕ.

Список стоимостных и эксплуатационных характеристик различных процессов производства водорода выглядит следующим образом:

 

Требуемая энергия (кВтч/Нм3)

     

Процесс

Идеал

Практический

Статус тех.

Эффективность
[%]

Относительная стоимость
к СМР

Паровая конверсия метана (SMR)

0,78

2-2,5

зрелые

70-80

1

Пиролиз метана/ПГ

НИОКР для достижения зрелости

72-54

0. 9

Риформинг метана h3S

1,5

НИОКР

50

<1

Сухое преобразование свалочного газа

НИОКР

47-58

~1

Частичное окисление тяжелой нефти

0.94

4,9

зрелые

70

1,8

Риформинг нафты

зрелые

Паровая конверсия отработанного масла

НИОКР

75

<1

Газификация угля (ТЕХАКО)

1. 01

8,6

зрелые

60

1,4-2,6

Частичное окисление угля

зрелые

55

Паровой утюг

НИОКР

46

1. 9

Электролиз хлорщелочного

зрелые

побочный продукт

Сетевой электролиз воды

3,54

4.9

НИОКР

27

3-10

Солнечная энергия и фотоэлектролиз воды

НИОКР для достижения зрелости

10

>3

Высокотемпературный. электролиз воды

НИОКР

48

2,2

Термохимическое расщепление воды

Ранние исследования и разработки

35-45

6

Газификация биомассы

НИОКР

45-50

2. 0-2,4

Фотобиологический

Ранние исследования и разработки

<1

Фотолиз воды

Ранние исследования и разработки

<10

Фотоэлектрохимическое разл.воды

Ранние исследования и разработки

Фотокаталитическое разл. воды

Ранние исследования и разработки

Первоначально эта таблица была опубликована в IEEE Power & Energy, Vol.2, № 6, ноябрь-декабрь 2004 г., , стр. 43, «Водород: автомобильное топливо будущего», Али Т-Райси и Дэвид Блок из FSEC.

Эксперимент по электролизу воды | Научный проект

Чистая вода сама по себе не является хорошим проводником электричества, поэтому для этого эксперимента будет добавлена ​​пищевая сода, чтобы сделать раствор электролитом. Электролит представляет собой часть раствора, которая может быть разрушена электролизом. Электро относится к энергии и электричеству, а — лизис относится к расщеплению. Электролиты важны как в батареях, так и в нашем организме!

Какой электролит лучше всего проводит электричество при электролизе воды?

  • Дистиллированная вода
  • Водопроводная вода
  • 2 кнопки серебристого цвета
  • Батарея 9 В
  • Небольшой прозрачный пластиковый контейнер (отлично подойдет пластиковый контейнер для соуса на вынос из ресторана)
  • 2 пробирки
  • Секундомер
  • Пищевая сода
  • Поваренная соль
  • Лимон
  • Средство для мытья посуды
  1. Вставьте кнопки в дно пластикового контейнера так, чтобы их кончики упирались в контейнер.Разместите их так, чтобы они находились на таком же расстоянии друг от друга, как и две клеммы 9-вольтовой батареи. Будьте осторожны, чтобы не уколоться!
  2. Поместите пластиковый контейнер с кнопками на клеммы аккумулятора. Если чашка слишком велика, чтобы балансировать на батарее, найдите, на что поставить ее: между двумя книгами, стопкой стикеров и т. д.
  3. Медленно наполните контейнер дистиллированной водой. Если кнопки двигаются, используйте эту возможность, чтобы исправить их, прежде чем продолжить. Будет ли дистиллированная вода сама по себе проводить электричество? Попытайся!
  4. Добавьте щепотку пищевой соды.
  5. Держите две пробирки над каждым штифтом, чтобы собрать образующийся газ. Запишите свои наблюдения. Что происходит? В одной трубке больше газа, чем в другой? Как вы думаете, какие газы образуются?
  6. Сбросьте раствор и повторите процедуру с другой комбинацией:
    • Дистиллированная вода и лимонный сок
    • Дистиллированная вода и поваренная соль
    • Дистиллированная вода и средство для мытья посуды
    • Дистиллированная вода (без добавок)
    • Водопроводная вода (Работает ли водопроводная вода? Если да, то почему?)

Дистиллированная вода не проводит ток, в то время как водопроводная вода проводит небольшой ток. Раствор с пищевой содой облегчит хороший электролиз. Лучше всего облегчит электролиз раствор с поваренной солью.

Пищевая сода, известная химикам как бикарбонат натрия (NaHCO3), сама по себе не является электролитом. Помните — это должно быть в растворе! При растворении в воде он пропускает ток через воду между клеммами батареи. В водном растворе пищевой соды образуются газы: водород (H 2 ), кислород (O 2 ) и углекислый газ (CO 2 ).

Поваренная соль

или хлорид натрия (NaCl) также является хорошей добавкой для образования электролитов. В воде соль распадается на ионы Na + и Cl , которые очень хорошо переносят ток , или поток электрических зарядов. В водно-солевом растворе образуются такие газы, как водород, кислород и газообразный хлор (Cl 2 ) — это вещество нельзя вдыхать!

Лимонный сок — хороший электролит, потому что это кислота. Кислота диссоциирует в воде, и ток будет переноситься ионами. Дистиллированная вода сама по себе не будет проводить ток. Однако водопроводная вода часто способна проводить ток из-за минералов и примесей (не волнуйтесь! Эти вещи не вредны для вас!).

В результате каждой реакции образуется различное количество газа, потому что каждая реакция несет разное количество тока. Количество произведенного газа прямо пропорционально току, который течет в системе.

Отказ от ответственности и меры предосторожности

Обучение.com предоставляет идеи проекта научной ярмарки для информационных только цели. Education.com не дает никаких гарантий или заявлений относительно идей проекта научной ярмарки и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация. Получая доступ к идеям проекта научной ярмарки, вы отказываетесь и отказаться от любых претензий к Education.com, возникающих в связи с этим. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и проектным идеям научной ярмарки покрывается Образование.com Политика конфиденциальности и Условия использования сайта, которые включают ограничения об ответственности Education.com.

Настоящим предупреждаем, что не все проектные идеи подходят для всех отдельных лиц или во всех обстоятельствах. Реализация любой идеи научного проекта следует проводить только в соответствующих условиях и с соответствующими родителями. или другой надзор. Чтение и соблюдение мер предосторожности всех материалы, используемые в проекте, является исключительной ответственностью каждого человека.Для дополнительную информацию см. в справочнике по научной безопасности вашего штата.

Составление и разложение материи | manoa.hawaii.edu/ExploringOurFluidEarth

Химические реакции

Соединения состоят из атомов двух или более элементов, соединенных химически. Это химическое соединение называется соединением . Существует много типов химических реакций, в результате которых образуются химические соединения, некоторые из них описаны в таблице 1.4. В химической реакции одно или несколько веществ подвергаются химическому изменению с образованием другого вещества или веществ.Исходными веществами являются реагентов . Новое вещество, полученное в результате химической реакции, — продукт . Химическая реакция обычно записывается в таком формате:

.

 

реагент + реагент → продукт + продукт

 

Стрелка указывает на то, что произошла химическая реакция. Вышеприведенное утверждение следует читать как «реагент плюс реагент дает продукт и продукт».

 

Примером химической реакции является нейтрализация желудочной кислоты антацидом.Химическая формула антацида Ca(OH) 2 . Желудочная кислота представляет собой соляную кислоту (HCl). Когда эти два реагента объединяются, они реагируют с образованием хлорида кальция (CaCl 2 ) и воды (H 2 O). Вода образуется из OH в Ca(OH) 2 и H в HCl, чтобы получить HOH, другой способ записи H 2 O. Химическая реакция записывается в следующем формате:

 

Ca(OH) 2 + 2 HCl → CaCl 2 + 2 H 2 O

 

Эта реакция гласит: гидроксид кальция плюс соляная кислота дает хлорид кальция плюс вода .Примеры химических реакций приведены в таблице 1.4.

 

Таблица 1.4. Типы обычных химических реакций с модельными реакциями и примерами реакций
Тип реакции Модель Реакция Пример реакции
Состав

А + В → АВ

 

Два или более реагента соединяются с образованием продукта

4 Fe + O 2 → 2 Fe 2 O 3

 

железо плюс кислород дает оксид железа

упрощенная реакция на образование ржавчины

Одиночная замена

А + ХУ → АУ + Х

 

Производится одиночный переход между компонентами двух реагентов

3 Ag 2 S + 2 Al → 6 Ag + Al 2 S 3

 

сульфид серебра плюс алюминий дает серебро и сульфид алюминия

реакция для полировки потускневшего серебра в ванне с алюминиевой фольгой

Двойная замена

AB + XY → AY + XB

 

Производится двойной переход между компонентами двух реагентов

Ca(OH) 2 + 2 HCl → CaCl 2 + 2 H 2 O

 

гидроксид кальция плюс соляная кислота дает хлорид кальция плюс вода

реакция на нейтрализацию желудочной кислоты антацидом

Горение

C i H j +O 2 → CO 2 + H 2 O

 

Реагент, состоящий из углерода и водорода (углеводород), реагирует с кислородом с образованием двуокиси углерода и воды. Нижние индексы i и j относятся к числу атомов C и H, которые различны в разных углеводородах.

 

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

 

метан плюс кислород дает углекислый газ и воду

реакция сжигания метана (основной компонент природного газа)

Разложение

АВ → А + В

 

Реагент распадается на два или более продуктов

2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2

 

перекись водорода дает воду и газообразный кислород

реакция на разложение перекиси водорода

 

Соединения могут быть разложены на более простые соединения или их элементарные компоненты путем разрыва связей.Некоторые соединения разлагаются при нагревании или под воздействием солнечного света. Например, карбонат кальция (известняк) при нагревании разлагается на оксид кальция (негашеную известь) и углекислый газ. Свет разлагает перекись водорода на воду и кислород (рис. 1.8). Поскольку вода является чрезвычайно стабильным соединением, она не разлагается легко.

 

В процессе электролиза используется электричество для разрыва связей, что приводит к разложению материи. Электричество — это поток электронов, отрицательно заряженных частиц в атомах.При электролизе химическое изменение вызывается электричеством, протекающим через химическое соединение.

 

Деятельность

Исследование состава воды с помощью электролиза. Чтобы электрический ток протекал, цепь должна быть замкнутой. Цепь может состоять из батареи и двух проводов, соединенных с электродами, которые уходят в раствор.

 

Аппарат Хоффмана

 

Аппарат Гофмана используется для электролиза воды. Это стеклянная U-образная трубка, заполненная трубкой чертополоха (рис. 1.11). В таблице 1.5 поясняются части аппарата Хоффмана.

Платиновые электроды
Таблица 1.5. Детали аппарата Хоффмана
Помеченные детали на рис. 1.11 Имя Описание
А Трубка чертополоха Средняя трубка имеет наверху воронкообразную секцию, называемую чертополоховой трубкой, которая используется для наполнения аппарата водой для электролиза.
Б U-образная трубка U-образная трубка состоит из двух вертикальных цилиндров, соединенных горизонтальной трубкой. Маркировка на баллонах позволяет точно измерять объемы газов и жидкостей.
С Платиновые электроды находятся на дне цилиндров. Платиновые электроды проводят электричество и не подвержены коррозии.
Д Запорные краны Запорные краны можно открывать или закрывать для сбора газов.


Деятельность

Понаблюдайте за демонстрацией испытания пламенем для изучения газообразных продуктов электролиза. Демонстрационные материалы и процедура написаны в этом упражнении.

 

Электролиз

Электролиз использует электричество для расщепления воды на водород и кислород. На отрицательном полюсе батареи образуются электроны. Эти электроны текут по проводу к электроду в растворе (рис.1.12). На отрицательном (-) электроде электроны передаются воде и подхватываются атомами водорода в воде. Это позволяет водороду отделяться от остальной части молекулы воды и образовывать молекулы h3. На другом электроде, положительном (+), электроны отдаются кислородом в молекуле воды, что позволяет кислороду отделяться от воды и образовывать молекулы O2. Электроны текут от этого электрода обратно к положительной клемме батареи.

 

Химическая реакция, которая произошла на положительном электроде:

2 H 2 O → O 2 + 4H + + 4e

 

Химическая реакция, которая произошла на отрицательном электроде:

2 H 2 O + 2e → H 2 + 2OH

 

Физические и химические изменения воды

Когда вода нагревается и кипит (рис.1.13 А) происходит физическое изменение, когда жидкая вода испаряется в газообразный водяной пар. Кипение — это физическое изменение, потому что, хотя вода из жидкого состояния переходит в газообразное, и жидкость, и газ состоят из молекул воды. Молекула воды не распалась.

 


При электролизе воды (рис. 1.13 Б) из жидкой воды образуются газообразные водород и кислород. Электролиз воды вызывает химическое изменение, при котором молекулы воды расщепляются с образованием водорода и кислорода — двух веществ, которые химически отличаются от воды. Разложение воды затруднено и не может быть достигнуто только путем нагревания. Воду не разбивает даже жар вулканического извержения!

 

Сохранение материи

Важной характеристикой материи является то, что она никогда не может быть создана или уничтожена, только преобразована. Физическое или химическое изменение превращает материю из одной формы материи в другую. Джон Дальтон был одним из первых ученых, признавших это свойство материи. Эта идея называется законом сохранения материи.При любом физическом или химическом изменении материя не создается из ничего. Например, металлический предмет, который ржавеет, приобретает коричневатый налет, а также увеличивается в массе. Это происходит из-за химического изменения, реакции атомов железа с атомами кислорода в воздухе. Материя тоже не исчезает, хотя может появиться. Например, при электролизе воды, хотя объем жидкой воды уменьшается, вещество, из которого состоит вода, не исчезает. Скорее, атомы водорода и кислорода в жидкой воде превращаются в молекулы газообразного водорода и газообразного кислорода. Закон сохранения материи является частью атомной теории Дальтона, состоящей из пяти основных частей:

  1. Материя состоит из маленьких частиц, называемых атомами.
  2. Атомы одного и того же элемента одинаковы; атомы разных элементов различны.
  3. Материя не может быть создана или уничтожена.
  4. Атомы могут соединяться в различных соотношениях, образуя соединения.
  5. В химических реакциях атомы перестраиваются, образуя новые соединения.

 

Атомная теория Дальтона формирует основу современной атомной теории.

 

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.