Suvning elektrolizi

Уйда сувнинг электролизини ко'рсатиш учун оддий созлаш учун қо'лланма

Сувнинг электролизи, электрокимёвий диссотйсацияси деб номланувчи, электролиз деб аталадиган жараён бо'либ сувни кислород ва водород газига парчалаш учун электр энергиясидан фойдаланиш жараёнидир. Шу тарзда чиқарилган водород газини водород ёқилг'иси сифатида ишлатиш ёки кислород билан қайта аралаштириш орқали пайвандлаш ва металларни ранглашда қўлланади.

Сувни электролиз қилиш учун минимал потенциал фарқ 1,23 волтни талаб қилади, аммо бу кучланишда атроф-муҳитдан ташқи иссиқлик талаб қилинади. Шу сабабли, минимум энергия талаб қилинади.

Тарихи

Қурилма Иоган Вилгелм Риттер томонидан сувнинг электролизини ишлаб чиқиш учун ихтиро қилинган

1789-йилда Ян Рудолф Дейман ва Адриан Паэц ван Троостwижк электростатик машинадан фойдаланиб, Лейден идишидаги олтин электродларда сув билан зарядланган электр энергиясини ишлаб чиқаришди. 1800-йилда Алессандро Волта волтаик қозиқни ихтиро қилди ва бир неча ҳафта о'тгач, инглиз олимлари Уилям Николсон ва Энтони Карлайл уни сувни электролиз қилиш учун ишлатишди. 1806-йилда Хамфри Дави дистилланган сув электролизининг кенг ко'ламли экспериментлари натижаларини э'лон қилди ва анодда эриган атмосфера азот газидан азот кислотаси ишлаб чиқарилган деган хулосага келди. У юқори кучланишли аккумулятор ва реактив бо'лмаган электродлар ва нам асбест билан ко'прикли идишлар сифатида икки баравар ко'паядиган олтин электрод конуслари каби идишлардан фойдаланган.^[1] 1869-йилда Зенобе Грамме Грамме машинасини ихтиро қилганида, сувни электролиз қилиш водород ишлаб чиқаришнинг арзон усулига айланди. Электролиз орқали водород ва кислородни саноат синтези усули 1888-йилда Дмитрий Лачинов томонидан ишлаб чиқилган.

Принсипи

То'г'ридан-то'г'ри электр қувват манбаи иккита электродга ёки сувга жойлаштирилган иккита пластинкага (одатда платина ёки иридий каби инерт металлдан қилинган) уланади. Водород катодда (электронлар сувга кирадиган жойда), кислород эса анодда пайдо бо'лади.^[2] Идеал фарадаик самарадорликни ҳисобга олсак, ҳосил бо'лган водород миқдори кислород миқдоридан икки баравар ко'пдир ва иккаласи ҳам эритма томонидан о'тказиладиган умумий электр зарядига пропорционалдир.^[3] Бироқ, ко'плаб ҳужайраларда рақобатдош ён реаксиялар юзага келади, натижада турли хил маҳсулотлар ва идеал фарадаик самарадорликдан камроқ бо'лади.

Тоза сувнинг электролизи турли фаоллашув то'сиқларини бартараф этиш учун ортиқча потенциал ко'ринишида ортиқча энергия талаб қилади. Ортиқча энергия бо'лмаса, тоза сувнинг электролизи жуда секин ёки умуман содир бо'лмайди. Бу қисман сувнинг чекланган о'з-о'зидан ионланиши билан бог'лиқ . Тоза сувнинг электр о'тказувчанлиги денгиз сувининг миллиондан бир қисмига тенг. Ко'пгина электролитик ҳужайралар ҳам зарур электрокатализаторлардан маҳрум бо'лиши мумкин. Электролизнинг самарадорлиги электролитлар (масалан, туз, кислота ёки асос) қо'шилиши ва электрокатализаторлардан фойдаланиш орқали оширилади.

Ҳозирги вақтда электролитик жараён саноатда камдан-кам қўлланади, чунки водородни қазиб олинадиган ёқилг'идан арзонроқ ишлаб чиқариш мумкин.^[4]

Тенгламалари

Манфий зарядланган катоддаги тоза сувда қайтарилиш реаксияси содир бўлади, катоддан электронлар (э ^-) водород катионларига водород газини ҳосил қилади. Кислота билан мувозанатланган ярим реаксия қуйидагича:

Катодда пасайиш: 2 Ҳ ⁺ (ақ) + 2э ^- → Ҳ ₂ (г)

Мусбат зарядланган анодда оксидланиш реаксияси содир бо'либ, кислород газини ҳосил қилади ва контактларнинг занглашига олиб кириш учун электронларни анодга беради:

ЭАнодда оксидланиш: 2 Ҳ ₂ О(л) → О ₂ (г) + 4 Ҳ ⁺ (ақ) + 4э ^-

Термодинамикаси

Стандарт шароитда сувни электролиз қилиш учун ҳар бир мол сувни диссоциация қилиш учун назарий минимал 237 кЖ электр энергияси талаб қилинади, бу сув ҳосил бо'лишининг стандарт Гиббс эркин энергиясидир . Бундан ташқари, реаксия энтропиясининг о'згаришини бартараф этиш учун энергия керак. Шунинг учун, ташқи иссиқлик/энергия қо'шилмаса, жараён ҳар мол учун 286 кЖ дан паст давом эта олмайди.

Ҳар бир мол сув икки мол электронни талаб қилганлиги сабабли ва Фарадай доимийси Ф бир мол электроннинг зарядини (96485 C/мол) ифодалашини ҳисобга олсак, электролиз учун зарур бо'лган минимал кучланиш тахминан 1,23 В ни ташкил қилади.^[5] Агар электролиз юқори ҳароратда амалга оширилса, бу кучланиш камаяди. Бу электролизаторнинг 100% дан ортиқ электр самарадорлиги билан самарали ишлашига имкон беради. Электрокимёвий тизимларда бу реаксияни давом эттириш учун реакторга иссиқлик берилиши кераклигини англатади. Шу тарзда иссиқлик энергияси электролиз энергиясига бо'лган эҳтиёжнинг бир қисми учун ишлатилиши мумкин.^[6] Худди шундай ё'л билан ёқилг'и (углерод, спирт, биомасса каби) сув (паст ҳароратда ПЕМ асосидаги электролизатор) ёки кислород ионлари (юқори ҳароратда қаттиқ оксид электролитлари асосидаги электролизатор) билан реаксияга киришса, керакли кучланишни (1 В дан паст) камайтириш мумкин.). Бу ёқилг'и энергиясининг бир қисмини электролиз жараёнига "ёрдам бериш" учун сарфланишига олиб келади ва ишлаб чиқарилган водороднинг умумий таннархини камайтириши мумкин.^[7]

Манбалар

↑ „Он Соме Чемиcал Агенcиэс оф Элеcтриcитй“, Тҳе Cоллеcтед Wоркс оф Сир Ҳумпҳрй Давй Давй: , 1839 — 1–12-бет.
↑ Зумдаҳл, Стевен С.. Чемистрй, 9тҳ, Cенгаге Леарнинг, 1 Жануарй 2013 — 30-бет. ИСБН 978-1-13-361109-7.
↑ Cармо, М; Фритз Д; Мергел Ж; Столтен Д (2013). „А cомпреҳенсиве ревиэw он ПЕМ wатер элеcтролйсис“. Жоурнал оф Ҳйдроген Энергй. 38-жилд, № 12. 4901–4934-бет. дои:10.1016/ж.ижҳйдене.2013.01.151.
↑ „Ҳйдроген Басиcс — Продуcтион“. Флорида Солар Энергй Cентер (2007). 2008-йил 18-февралда асл нусхадан архивланган. Қаралди: 2008-йил 5-феврал.
↑ Ҳйман Д. Гессер. Апплиэд Чемистрй. Спрингер, 2002 — 16–-бет. ИСБН 978-0-306-46700-4. Қаралди: 2011-йил 18-декабр.
↑ Бадwал, Сукҳвиндер П.С.; Гиддей, Сарбжит; Муннингс, Чристопҳер (Септембер 2013). „Ҳйдроген продуcтион виа солид элеcтролйтиc роутес“. Wилей Интердисcиплинарй Ревиэwс: Энергй анд Энвиронмент. 2-жилд, № 5. 473–487-бет. дои:10.1002/wене.50.
↑ Бадwал, Сукҳвиндер П. С.; Гиддей, Сарбжит С.; Муннингс, Чристопҳер; Бҳатт, Ананд И.; Ҳолленкамп, Антҳонй Ф. (24 Септембер 2014). „Эмергинг элеcтрочемиcал энергй cонверсион анд стораге течнологиэс (опен аccесс)“. Фронтиэрс ин Чемистрй. 2-жилд. 79-бет. Бибcоде:2014ФрЧ....2...79Б. дои:10.3389/фчем.2014.00079. ПМC 4174133. ПМИД 25309898.

[Davy1839-1] „Он Соме Чемиcал Агенcиэс оф Элеcтриcитй“, Тҳе Cоллеcтед Wоркс оф Сир Ҳумпҳрй Давй Давй: , 1839 — 1–12-бет.

[2] Зумдаҳл, Стевен С.. Чемистрй, 9тҳ, Cенгаге Леарнинг, 1 Жануарй 2013 — 30-бет. ИСБН 978-1-13-361109-7.

[carmo2013a-3] Cармо, М; Фритз Д; Мергел Ж; Столтен Д (2013). „А cомпреҳенсиве ревиэw он ПЕМ wатер элеcтролйсис“. Жоурнал оф Ҳйдроген Энергй. 38-жилд, № 12. 4901–4934-бет. дои:10.1016/ж.ижҳйдене.2013.01.151.

[4] „Ҳйдроген Басиcс — Продуcтион“. Флорида Солар Энергй Cентер (2007). 2008-йил 18-февралда асл нусхадан архивланган. Қаралди: 2008-йил 5-феврал.

[5] Ҳйман Д. Гессер. Апплиэд Чемистрй. Спрингер, 2002 — 16–-бет. ИСБН 978-0-306-46700-4. Қаралди: 2011-йил 18-декабр.

[6] Бадwал, Сукҳвиндер П.С.; Гиддей, Сарбжит; Муннингс, Чристопҳер (Септембер 2013). „Ҳйдроген продуcтион виа солид элеcтролйтиc роутес“. Wилей Интердисcиплинарй Ревиэwс: Энергй анд Энвиронмент. 2-жилд, № 5. 473–487-бет. дои:10.1002/wене.50.

[7] Бадwал, Сукҳвиндер П. С.; Гиддей, Сарбжит С.; Муннингс, Чристопҳер; Бҳатт, Ананд И.; Ҳолленкамп, Антҳонй Ф. (24 Септембер 2014). „Эмергинг элеcтрочемиcал энергй cонверсион анд стораге течнологиэс (опен аccесс)“. Фронтиэрс ин Чемистрй. 2-жилд. 79-бет. Бибcоде:2014ФрЧ....2...79Б. дои:10.3389/фчем.2014.00079. ПМC 4174133. ПМИД 25309898.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]